【導(dǎo)讀】接性能研究已經(jīng)成為這種焊接方法研究的一個(gè)重點(diǎn)。到目前為止，對(duì)攪拌摩擦焊。的研究已經(jīng)從鋁合金的焊接向其他材料的焊接如銅、鈦、鎂和不銹鋼等方面發(fā)展。鋼攪拌摩擦焊摩擦頭的磨損與失效。采用攪拌摩擦焊工藝對(duì)3mm厚0Crl8Ni9不銹鋼板進(jìn)行了對(duì)接焊接。頭內(nèi)形成了焊核區(qū)、熱力影響區(qū)和熱影響區(qū)三個(gè)區(qū)域。焊核區(qū)由動(dòng)態(tài)再結(jié)晶組織。焊核區(qū)發(fā)生了明顯的加工硬化現(xiàn)象，其顯微硬度與母材相比提高。在攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度600r／rain、焊接速度70mm／minV，接頭的拉伸強(qiáng)度最高，從材料和結(jié)構(gòu)形狀角度對(duì)不銹鋼。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果的分析，初步將攪拌頭的磨損歸結(jié)為秸結(jié)磨損、氧化磨損、擴(kuò)散磨損、脆性剝落和脆斷。參數(shù)選擇最佳時(shí)，能夠成功實(shí)現(xiàn)不銹鋼的攪拌摩擦焊連接。焊工藝提供了參考，具有重要的實(shí)用價(jià)值。

　　

【正文】 情況。焊縫區(qū)由于熱量集中，出現(xiàn)較明顯的加工硬化現(xiàn)象，顯 微硬度 (Hv)與母材相比提高了 22％，熱機(jī)械影響區(qū)的硬度也相應(yīng)提高了5％， 熱影響區(qū)的硬度變化不大。 3． 2． 4接頭的拉伸實(shí)驗(yàn) 當(dāng)攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度在 450～ 700rpm 之間時(shí)，接頭力學(xué)性能的測(cè)試結(jié)果如表3． 5 所示，圖 3． 7 為接頭抗拉強(qiáng)度與旋轉(zhuǎn)速度曲線圖。隨著旋轉(zhuǎn)速度的增加，接頭抗拉 強(qiáng)度迅速上升，當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度達(dá)到 600rl 珊時(shí)，此時(shí)焊接速度為 70mm／min，抗拉強(qiáng) 度最高，達(dá)到 412MPa，是母材拉伸強(qiáng)度的 70％。隨著旋轉(zhuǎn)速度的繼續(xù)增加，接頭 抗拉強(qiáng)度降低． 表 3． 5 0CrTSNi9 不銹鋼 FSW 接頭抗拉強(qiáng)度 450 400 350 300 250 膏也墨 —、 —甚軍。掃辨。篇竹 cm． |II 200 450 500 550 600 550 700 Rotating speed／ (rpml 田 3． 7 0CrlSNi9 不銹鋼 FSW 接頭拉伸力學(xué)性能 不銹鋼攪拌摩擦焊 ‘E 豈與攪拌頭研究 3． 3不銹鋼攪拌摩擦焊焊接接頭的缺陷分析 不銹鋼材料的強(qiáng)度和硬度都高于鋁合金材料，對(duì)于鋁合金材料的攪拌摩擦焊 接工藝國(guó)內(nèi)外己很成熟，鑒于此，不銹鋼攪拌摩擦焊焊接接頭的質(zhì)量受多種因素 影響，其中影響因素有工藝參數(shù)和攪拌頭幾何形狀，因此，需要對(duì)其焊接工藝參 數(shù)和攪拌頭幾何形狀進(jìn)行調(diào)整，以提高接頭性能和焊接生產(chǎn)率。影響 FSW焊縫質(zhì) 量的工藝因素有焊接速度、旋轉(zhuǎn)速度、預(yù)熱時(shí)間和壓入量。 3． 3． 1 焊接缺陷與焊接速度關(guān)系 當(dāng)攪拌摩擦焊旋轉(zhuǎn)速度一定時(shí)，焊接速度過(guò)快或者過(guò)慢均不能得到成形良好 的焊縫。 FSW 焊接中焊接熱量主要來(lái)源于攪拌頭與被焊工件之間的磨擦熱。當(dāng)攪拌頭 轉(zhuǎn)速一定時(shí)，磨擦產(chǎn)生的熱量一定，焊縫單位長(zhǎng)度上的熱輸入則隨著焊接速度的 增大而減少，被焊金屬的塑性流動(dòng)性也隨著焊接速度的增大而變差。焊接速度過(guò) 快時(shí)，焊縫金屬就會(huì)因流動(dòng)性不好而在焊縫內(nèi)部形成空洞形缺陷；如果焊接速度 太慢，就會(huì)由于過(guò)多地?cái)嚢瓒鴮?dǎo)致不能形成均勻美觀的焊縫表面， 3． 3． 2 焊接缺陷與旋轉(zhuǎn)速度的關(guān)系 焊接速度一定時(shí)，旋轉(zhuǎn)速度不同，其焊接熱輸入也不同。旋轉(zhuǎn)速度過(guò)高時(shí)， 攪拌頭與被焊金屬之間摩擦所產(chǎn)生的熱量過(guò)多，對(duì)攪拌頭的影響比較 大，導(dǎo)致摩 擦頭的過(guò)度磨損甚至失效，另外，攪拌頭旋轉(zhuǎn)過(guò)快，塑性金屬不能有效地跟著摩 擦頭流動(dòng)起來(lái)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度過(guò)低時(shí)，焊縫金屬?zèng)]有達(dá)到塑性狀態(tài)，后退邊沒(méi)有塑 性金屬補(bǔ)充形成缺陷。 3． 3． 3 焊接缺陷與預(yù)熱時(shí)間的關(guān)系 為了保證焊接開(kāi)始時(shí)有足夠的熱量使得被焊材料達(dá)到塑性狀態(tài)，攪拌針進(jìn)入 金屬時(shí)必須有一定的預(yù)熱時(shí)間。 鋁合金和銅合金達(dá)到塑性狀態(tài)的溫度比較低 (500℃ 左右 )，所以焊接預(yù)熱時(shí) 間比較短，大約需要 4． 6S。不銹鋼的強(qiáng)度和硬度都大大高于鋁合金和銅合金，攪 拌摩擦焊時(shí)需要更多的熱量，因此預(yù)熱時(shí)間必須長(zhǎng)些，實(shí)驗(yàn)表明：攪拌摩擦焊接 不銹鋼時(shí)，需要預(yù)熱 12S 或者更多一些。 3． 3． 4 焊接缺陷與壓入量的關(guān)系 攪拌頭軸肩的作用有兩個(gè)：一是阻止塑性金屬流出工件，使其在工件內(nèi)部流 動(dòng)，二是產(chǎn)生一定的磨擦熱量，保證塑性金屬充分的流動(dòng)。所以為了保證攪拌摩 擦焊接后能得到成形良好的焊縫， FSW 時(shí)必須保證一定的焊接壓入量。過(guò)多和不 足的壓入量都得不到成形良好的焊縫，都會(huì)導(dǎo)致缺陷的產(chǎn)生。壓入量不足時(shí)，一 碩士學(xué)位論文 方面不能使攪拌頭軸肩對(duì)焊縫塑性金屬產(chǎn)生足夠的壓力，另一方面焊縫塑性金屬 不能和攪拌頭肩部充分摩擦，以致不能產(chǎn)生足夠的熱量，導(dǎo)致焊接過(guò)程中焊縫處 產(chǎn)生溝槽形缺陷，如圖 3． 8 所示，而且焊縫背面金屬不能充分流動(dòng)形成如圖 3． 9所 示的未熔合缺陷。 固 3． 8 焊縫正面的溝槽形缺陷 圖 3． 9 焊縫背面的未熔臺(tái)缺陷 壓入量過(guò)大時(shí)，會(huì)使金屬焊縫兩側(cè)溢出形成如圖 3． 10 所示的飛邊。嚴(yán)重時(shí)會(huì) 出現(xiàn)攪拌頭攪拌針進(jìn)入工作臺(tái)的情況，導(dǎo)致焊接工件與工作臺(tái)粘結(jié)在一起，而無(wú) 法取下，或者取下時(shí)使焊接工件嚴(yán)重變形。 圍 3． 10 焊縫正面的飛邊缺陷 3． 3． 5 焊接缺陷與攪拌頭幾何形狀的關(guān)系 攪拌頭的幾何形狀對(duì)不銹鋼攪拌摩擦焊的接頭有很重要的影響，后面將詳細(xì) 對(duì)不銹鋼攪拌摩擦焊攪拌頭的幾何形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)，這里只針對(duì)接頭缺陷進(jìn)行簡(jiǎn)單 的探討。對(duì)攪拌頭設(shè)計(jì)的原則是能使焊縫塑性金屬?gòu)纳舷隆⑶昂?、左右方向充? 流動(dòng)起來(lái)。 不銹鋼攪拌摩擦焊工藝與攪拌頭研究 3． 4 本章小結(jié) 本章在初步選定 FSW 焊接工藝參數(shù)和攪拌頭的條件下，對(duì)奧氏體不銹鋼的 FSW焊接工藝進(jìn)行了探討，并對(duì)其接頭的微觀組織和力學(xué)性能進(jìn)行了分析。 (1)采用 FSW 方法焊接 3mm 厚 0CrlSNi9 不銹鋼板可以得到表面成型良好的 焊接接頭。 (2)焊核區(qū)受攪拌針攪拌作用影響形成小的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒；熱力影響區(qū)在攪 拌針的攪動(dòng)和攪拌頭肩部的摩擦共同作用下，形成變形的細(xì)小晶粒；熱影響區(qū)再 結(jié)晶不充分。 (3)接頭的焊核區(qū)發(fā)生了明顯的加工硬化現(xiàn)象，顯微硬度 (Hv)與母材相比提高 了 22％。 “) 攪拌頭轉(zhuǎn)速為 600r／ rain，焊接速度為 70mm／ min 時(shí)，拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大值， 為 412MPa。 (5)不銹鋼攪拌摩擦焊接頭的焊接缺陷與攪拌頭的材料、幾何形狀以及工藝參 數(shù)的選擇有關(guān)。需選擇合適的攪拌頭材料和實(shí)際合理的摩擦頭形狀，通過(guò)實(shí)驗(yàn)選 擇合理的工藝參數(shù)，以及參數(shù)之間的匹配。 第 4 章不銹鋼攪拌摩擦焊攪拌頭設(shè)計(jì)、載荷分析 和溫度場(chǎng)數(shù)值模擬 攪拌頭是攪拌摩擦焊工藝的核心技術(shù)之一。其形狀和材料是獲得高質(zhì)量焊縫和優(yōu)良 焊縫力學(xué)性能的關(guān)鍵因素。尤其不銹鋼的攪拌摩擦焊對(duì)于攪拌頭的要求更高。 4． 1不銹鋼攪拌摩擦焊攪拌頭材料選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4． 1． 1 不銹鋼攪拌摩擦焊攪拌頭材料的選擇 攪拌頭是攪拌摩擦焊技術(shù)的核心，它直接關(guān)系到攪拌摩擦焊接過(guò)程能否正常進(jìn)行， 并且對(duì)焊接質(zhì)量產(chǎn)生很大影響。對(duì)于低熔點(diǎn)材料如鋁合金、鎂合金來(lái)說(shuō)，大部分材料制 作成的攪拌頭能夠滿足不同場(chǎng)合下的應(yīng)用。但對(duì)于高熔點(diǎn)材料，攪拌摩擦焊攪拌頭的設(shè) 計(jì)尚處于摸索階段． 由于不銹鋼比低熔點(diǎn)材料如鋁合金、鎂合金的熔點(diǎn)要低很多，對(duì)不銹鋼攪拌摩擦焊 攪拌頭提出了更高的要求，目前最主要的問(wèn)題是確定不銹鋼攪拌摩擦焊合適的攪拌頭材 料。 硬質(zhì)合金俗稱鎢鋼，是一種具有高硬度，良好耐磨性，紅硬性及一定的抗彎強(qiáng)度的工具 材料．它的耐磨性比高速鋼高 10 到 20 倍。紅硬性也遠(yuǎn)勝于高速鋼：因此硬質(zhì)合金在現(xiàn)代化 機(jī)械加工，石油煤礦山采掘，金屬型材加工，紡織，化工，儀器儀表部件及國(guó)防，武器，軍工等領(lǐng) 域中得到了廣泛的應(yīng)用． 選擇硬度高，抗粘附性和韌性好的摩擦頭材料，如選用 YG 類硬質(zhì)合金，最好不要 選用 YT 類硬質(zhì)合金，尤其焊接奧氏體不銹鋼應(yīng)絕對(duì)避免選用 YT 類硬質(zhì)合金，因?yàn)椴? 銹 鋼中的 Ti 和 YT 類硬質(zhì)合金中 Ti 發(fā)生親合作用，焊接時(shí)容易把合金中 Ti 帶走，造成 摩擦頭磨損加快。初步選用表 4． 1中三種硬質(zhì)合金材料作為攪拌頭的材料． 表 4． 1 硬質(zhì)合金材料性能表 不銹鋼攪拌摩擦焊 T 藝與攪拌頭研究 4． 1． 2 不銹鋼攪拌摩擦焊攪拌頭形狀和尺寸的設(shè)計(jì) 在攪拌摩擦焊中，攪拌頭的幾何形狀對(duì)焊縫以及熱影響區(qū)能否獲得良好的顯微結(jié) 構(gòu)，從而提高焊縫的強(qiáng)度以及抗疲勞能力起著重要的作用。 實(shí)際上攪拌摩擦焊過(guò)程中所能得到的焊縫質(zhì)量主要取決于幾個(gè)工作參數(shù)【 32 刪。首 先，攪拌頭的幾何形狀這一參數(shù)，諸如高度、焊針以及頭部肩臺(tái)平面的幾何形狀，對(duì)主 要依據(jù)摩擦力的金屬流動(dòng)和熱量產(chǎn)生具有重要影響。其次，要適當(dāng)?shù)剡x擇攪拌頭的下壓 力以及壓入深度，因?yàn)樵诤附舆^(guò)程中肩臺(tái)和焊針末端的下壓力決定著摩擦熱的產(chǎn)生。最 后，為了改善。焊核的完整性 ” 要正確選擇攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度和進(jìn)給速度，因?yàn)檫@直接 能關(guān)系到能否得到合適的微觀組織以及最終提高焊縫組織的強(qiáng)度、抗疲勞能力和延展 性。 攪拌摩擦焊攪拌頭幾何形狀的關(guān)鍵組成就是肩臺(tái)和攪拌針。因?yàn)樵诤附舆M(jìn)程中，肩 臺(tái)是主要發(fā)熱源，產(chǎn)生主要的約束力和迫使金屬在焊針周?chē)鲃?dòng)的驅(qū)動(dòng)力，焊針則是材 料變形的主要?jiǎng)恿?lái)源以及焊核部分的次要發(fā)熱源。因此，肩臺(tái)以及焊針部分的幾何形 狀對(duì)攪拌摩擦焊工藝來(lái)說(shuō)具有重要意義。焊核的完整性根本上取決于優(yōu)良的攪拌頭設(shè)計(jì) 【 35】。 迄今所發(fā)表的關(guān)于攪拌摩擦焊工藝的大量文獻(xiàn)里只有很少一部分研究了攪拌頭幾 何形狀對(duì)不同加工工藝的影響。值得注意的研究方面的文獻(xiàn)如下： Kailas et a1． [361 做了一 些不同角度的焊針?biāo)?接出的試樣的拉伸試驗(yàn)； Prado etal．【 37— 81 研究發(fā)現(xiàn)焊針的最終幾 何形狀取決于焊針的磨損，哪怕是帶有自適應(yīng)螺旋線的相對(duì)完善的焊針在經(jīng)過(guò)一小段焊 接距離后其形狀尺寸也會(huì)發(fā)生變化： Colegrove 和 Shercliff 通過(guò)使用 CFD 軟件模擬從數(shù) 值上得到了攪拌摩擦焊中金屬流動(dòng)對(duì)攪拌頭焊針幾何形狀的影響【 39’40) 。在這篇文章中， 根據(jù)以攪拌頭工件接觸面的粘性和滑動(dòng)分界條件為基礎(chǔ)的金屬流動(dòng)和焊接作用力的不 同對(duì)不同的焊針形狀作了比較。盡管了解了能得到較好的焊針幾何形狀所應(yīng)具備的要 素，還是要考慮到等溫條件對(duì)模擬精確度的影響。 現(xiàn)在研究的目的是要優(yōu)化得到一個(gè)有效的方法來(lái)設(shè)計(jì)理想的攪拌頭以及提高焊核 完整性的焊接工藝參數(shù)。詳細(xì)地說(shuō)，數(shù)值模擬是對(duì)基于熱機(jī)械聯(lián)系的 3D FEM 的延伸， 而分析是要來(lái)預(yù)知加工中的不確定因素，諸如不同焊針角度和行進(jìn)速度下焊縫金屬流動(dòng) 形式等。 ‘ 眾所周知焊接區(qū)的熱量來(lái)源和塑性變形相當(dāng)程度上與焊縫本身的微觀組織有關(guān)，因 此，在攪拌摩擦焊工藝中對(duì)影響應(yīng)力分布的工藝參數(shù)和焊針幾何形狀的明確理解對(duì)工藝 的優(yōu)化和管理至關(guān)重要。 在焊接過(guò)程中，只要攪拌頭下壓保持不變，攪拌頭所受壓力隨著焊針錐角變化而變 化。另外，材料流動(dòng)形式和流動(dòng)速度也主要取決于焊針錐角。 攪拌摩擦焊攪拌頭的整體形貌和尺寸參數(shù)如圖 4． 1，圖 4． 2 所示。 碩士學(xué)位論文 圈 4． 1 攪拌頭整體形貌 ． U J j 二卜 39。t ， 蠱少 B 垃一 40—— —— 目 3 圈 4． 2 攪拌頭尺寸參數(shù) 4． 2不銹鋼攪拌摩擦焊攪拌頭載荷分析 攪拌摩擦焊焊接過(guò)程中攪拌摩擦頭的受力情況非常復(fù)雜，攪拌頭關(guān)鍵的部分是攪拌 針部和肩部，它們共同作用產(chǎn)生足夠的熱量使被焊金屬達(dá)到塑性狀態(tài)而形成焊縫。對(duì)于 鋁合金等低熔點(diǎn)金屬來(lái)說(shuō)，由于其強(qiáng)度較低，并且鋁合金達(dá)到塑性流動(dòng)狀態(tài)的溫度比較 低，所以鋁合金攪拌摩擦焊所用的攪拌頭不需要著重考慮，但是對(duì)于高熔點(diǎn)材料不銹鋼 來(lái)說(shuō)，考慮攪拌頭的受力至關(guān)重要。 對(duì)于攪拌頭來(lái)說(shuō)，最容易斷裂的位置是攪拌針部，因此我們主要對(duì)攪拌針部進(jìn)行受 力分析。 不銹鋼攪拌摩擦焊 1=藝與攪拌頭研究 整個(gè)攪拌摩擦焊過(guò)程，可分為攪拌頭插入工件過(guò)程、攪拌頭焊接前進(jìn)過(guò)程和攪拌頭 抽出工件過(guò)程三個(gè)階段。從攪拌頭受力角度來(lái)說(shuō)，在攪拌頭開(kāi)始插入工件和焊接過(guò)程中， 對(duì)攪拌頭承受載荷要求最高，因此主要對(duì)這兩個(gè)階段進(jìn)行討論與分析。 在攪拌頭開(kāi)始插入工件階段，攪拌頭主要承受工件給與的徑向載荷。此時(shí)攪拌頭工 作過(guò)程的主要參數(shù)是旋轉(zhuǎn)速度 n 和摩擦頭的下壓速度 vD。此時(shí)的工作過(guò)程是攪拌頭在旋 轉(zhuǎn)速度 n 的的作用下攪拌頭與工件之間磨擦產(chǎn)生摩擦熱使工件加熱變軟逐漸達(dá)到塑性狀 態(tài)，同時(shí)攪拌頭在下壓速度場(chǎng)作用下向工件內(nèi)部下壓。此時(shí)攪拌頭同時(shí)受旋轉(zhuǎn)速度 n 和下壓速度物的影響，此時(shí)的徑向載荷與旋轉(zhuǎn)速度 n 成反比，與下壓速度物成正比。 滿足下面的式子： F 壚 CsXvdn (41) 式中： C卜一不銹鋼的系數(shù)。 根據(jù)此式，不同的工件材料攪拌摩擦焊時(shí)所選用的旋轉(zhuǎn)速度和下壓速度不同，它們 之間有一個(gè)配比。 當(dāng)攪拌頭針部完全插入焊接工件進(jìn)入焊接過(guò)程時(shí)，攪拌頭針部和肩部之間的材料被 軟化并按一定的規(guī)律流動(dòng)形成焊縫。焊接過(guò)程中，攪拌頭肩部在豎直方向上受到被焊金 屬的壓力，水平方向上受到焊縫金屬的壓力和塑性金屬流動(dòng)時(shí)的沿圓周方向的剪切力。 在實(shí)際焊接過(guò)程中，由于攪拌頭不斷向前移動(dòng)，攪拌頭針部對(duì)被焊金屬水平方向上 的壓力只