【正文】 低、強(qiáng)度比高 、剛度比高等優(yōu)點(diǎn) ，但是鋁合金熔點(diǎn)較低、導(dǎo)熱系數(shù)大、比熱容大、線膨脹系數(shù)大，在采用熔化焊進(jìn)行焊接時(shí)，易產(chǎn)生裂紋、氣孔、變形等焊接缺陷。TWI于1997年11月報(bào)道成功FSW焊接3mm厚的低碳鋼，EWI(Edison Welding Institute)于1998年5月報(bào)道成功連接 6 mm軟鋼，并報(bào)道12mm厚12% Cr不銹鋼的FSW焊接[6]。國(guó)外許多人進(jìn)行了鋁合金Ag的FSW焊接研究，對(duì) AM50，AM60，AZ31，AZ91鎂合金同種和異種材料之間進(jìn)行了FSW焊接試驗(yàn)，證明可以應(yīng)用FSW連接鎂合金。FSW焊接不需要焊前特別處理，～50mm的材料，～10mm，特殊搭接厚度為 ～，如果厚度達(dá)100mm，則可以進(jìn)行雙面焊接。攪拌針插入母材內(nèi)部，軸肩與工件表面壓緊，產(chǎn)生摩擦熱并使得焊縫材料塑性流動(dòng)。攪拌摩擦焊對(duì)工件的焊接，主要通過(guò)攪拌頭(Welding tool)的高速旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)的。1998年美國(guó)波音公司的空間和防御實(shí)驗(yàn)室引進(jìn)了攪拌摩擦焊技術(shù)，用于焊接某些火箭部件，成功用于低溫下工作的鋁合金薄壁壓力容器，完成了縱向和環(huán)向焊縫的連接；麥道公司也把這種技術(shù)用于制造Delta運(yùn)載火箭的推進(jìn)劑貯箱[4]。英國(guó)焊接研究所申報(bào)了此項(xiàng)專利后，瑞典ESAB公司按許可證制造了專用焊接設(shè)備Superstire攪拌摩擦焊機(jī)，并已獲得實(shí)際應(yīng)用[3]。FSW已成功應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。攪拌摩擦焊是利用一種特殊的低耗損的攪拌頭旋轉(zhuǎn)著壓入被焊零件的表面，攪拌頭與被焊零件的摩擦使被焊材料熱塑化，當(dāng)攪拌頭沿著焊接界面向前移動(dòng)時(shí)，熱塑化的材料由前向后轉(zhuǎn)移，在熱機(jī)聯(lián)合作用下連接形成致密的固相連接接頭。鋁合金攪拌摩擦焊焊縫受力與焊縫成型的關(guān)系1 引言攪拌摩擦焊(Friction Stir Welding，簡(jiǎn)稱FSW)最初是針對(duì)焊接性差的鋁合金開(kāi)發(fā)的一種新型固相焊接工藝，由英國(guó)焊接研究所(The Welding Institute)于1991年開(kāi)發(fā)的專利技術(shù)。攪拌摩擦焊自發(fā)明以來(lái)很快就受到制造工業(yè)的密切關(guān)注和支持，并且于1996年在制造工業(yè)領(lǐng)域得到了成功應(yīng)用。TWI、NASA(National Aeronautics and Space Administration)、Boeing、ESAB等大型研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)都在進(jìn)行與該工藝相關(guān)的研究工作[1,2]。攪拌摩擦焊技術(shù)一出現(xiàn)，就得到航空界的青睞。美國(guó)著名的宇航公司爭(zhēng)相購(gòu)買(mǎi)攪拌摩擦焊的專利許可證，開(kāi)發(fā)、應(yīng)用攪拌摩擦焊技術(shù)。圖11 攪拌摩擦焊原理示意圖FSW是固相連接過(guò)程，其原理如圖11所示。攪拌頭包括軸肩(Shoulder)，攪拌針(Pin)和夾持部分(Shank)。攪拌頭的端部加工出螺紋，確保發(fā)生塑變的工件材料充分流動(dòng)，以得到?jīng)]有孔洞的接頭。目前應(yīng)用FSW成功連接的材料有AL合金，Mg合金，鉛，鋅，銅，不銹鋼，低碳鋼等同種或異種材料。FSW不僅對(duì)一系列鋁合金成功連接，而且也實(shí)現(xiàn)了對(duì)高熔點(diǎn)材料Ti合金的連接。由此可知，隨著攪拌摩擦焊技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)SW可以應(yīng)用于更多的材料的連接。同時(shí)，由于焊接溫度較高，其性能會(huì)降低，因而限制了鋁合金的廣泛應(yīng)用。2） 焊后變形小、殘余應(yīng)力小 由于攪拌摩擦焊的焊接溫度較低，焊接后結(jié)構(gòu)的變形量和殘余應(yīng)力比熔化焊小得多。3） 焊接成本低、效率高 攪拌摩擦焊操作方便，能量利用效率高。還可以在有磁場(chǎng)的條件下進(jìn)行焊接，并適合自動(dòng)化焊接。攪拌摩擦焊可實(shí)現(xiàn)各種位置的焊接，并可實(shí)現(xiàn)多種形式的焊接接頭，如對(duì)接、角接、搭接接頭，甚至厚度變化的結(jié)構(gòu)和多層材料的連接。 攪拌摩擦焊焊縫組織典型的攪拌摩擦焊接頭宏觀組織如圖12所示(所焊材料為L(zhǎng)Y12)。焊核延伸到焊縫表面，比攪拌針大，比軸肩小，焊核偶爾會(huì)延伸到焊件底部。圖12 FSW接頭橫截面“洋蔥環(huán)”通過(guò)對(duì)攪拌摩擦焊焊接接頭的金相分析以及顯微硬度分析可以發(fā)現(xiàn)，攪拌摩擦焊的焊縫組織可分為 A、B、C、D四個(gè)區(qū)域，如圖 13 所示：A區(qū)為母材區(qū)(basic metal，簡(jiǎn)稱BM)，無(wú)熱影響也無(wú)熱變形；B區(qū)為熱影響區(qū)(heat affected zone，簡(jiǎn)稱 HAZ)，該區(qū)域的材料因受熱循環(huán)的影響，熱變形影響區(qū)(thermomechanicallly affected zone，簡(jiǎn)TMAZ)，該區(qū)域材料已經(jīng)產(chǎn)生了劇烈的塑性變形。圖13 攪拌摩擦焊焊縫區(qū)域示意圖在焊接接頭的熱影響區(qū)中，除了腐蝕反應(yīng)比母材快一些外，其金相組織與母材沒(méi)有多大區(qū)別。 攪拌摩擦焊金屬流動(dòng)性以及動(dòng)態(tài)軟化過(guò)程金屬材料的力學(xué)性能和物理性能都與材料中的位錯(cuò)密度有關(guān)，金屬經(jīng)歷塑性變形時(shí)，位錯(cuò)密度發(fā)生變化，材料性能將相應(yīng)發(fā)生變化，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶是材料在高溫變形條件下，晶粒重新形核并長(zhǎng)大，形成新的低位錯(cuò)密度晶粒的過(guò)程。焊接時(shí)被焊材料必須保持較高溫度和較高的變形速率。軟化的金屬通過(guò)兩個(gè)過(guò)程進(jìn)行流動(dòng)： (1)攪拌針前進(jìn)側(cè)前部的材料被刮擦掉后，隨著攪拌針旋轉(zhuǎn)和行進(jìn)，經(jīng)歷了螺旋式運(yùn)動(dòng)形式，并在螺紋的沖擊下下降，同時(shí)在螺紋的逆向沖擊下上升。并且認(rèn)為兩個(gè)過(guò)程各自形成的材料性能差異較大，因而焊縫的性能與每個(gè)過(guò)程在整個(gè)過(guò)程。此時(shí)建立起溫度場(chǎng)[1517]。這時(shí)靠近攪拌針的A層發(fā)生了軟化，而B(niǎo)層的物理性能變化卻不大，而B(niǎo)層金屬由于沒(méi)有達(dá)到足夠的溫度，因此金屬只能發(fā)生冷變形。攪拌頭是攪拌摩擦焊接過(guò)程中的關(guān)鍵，最優(yōu)攪拌頭是攪拌摩擦焊獲得高質(zhì)量接頭的前提。因而設(shè)計(jì)合理的攪拌頭是提高焊接質(zhì)量、獲得高性能接頭的前提和關(guān)鍵。從國(guó)外某些文獻(xiàn)上采用的攪拌針的形狀是標(biāo)準(zhǔn)英制螺紋，但很多文獻(xiàn)上提到的是特殊結(jié)構(gòu)的攪拌針，但出于保密的原因，迄今為止未見(jiàn)詳細(xì)報(bào)道。攪拌頭軸肩的直徑通常是攪拌針直徑的3倍左右，軸肩直徑過(guò)小，摩擦熱不足以塑化材料，軸肩直徑過(guò)大，可能使軸肩下面的被焊材料達(dá)到或超過(guò)熔點(diǎn)，不利于焊接強(qiáng)度的提高，并且會(huì)引起焊縫表面的不平整[9]。攪拌針的直徑過(guò)大時(shí)，焊接區(qū)斷面面積增大，熱影響區(qū)變寬，同時(shí)攪拌針向前移動(dòng)時(shí)阻力增大；攪拌針的尺寸過(guò)小時(shí)，焊接區(qū)熱塑性金屬的流動(dòng)性差；攪拌針向前移動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的側(cè)向擠壓力減小，不利于形成致密的焊縫組織。攪拌針過(guò)短，背面焊不透；攪拌針過(guò)長(zhǎng)，則背面易過(guò)熱，導(dǎo)致成形較差。當(dāng)攪拌針的直徑較大時(shí)，其長(zhǎng)度可以略短。隨著轉(zhuǎn)速的提高，摩擦熱源增大，熱塑性流動(dòng)層由上而下逐漸增大，使得焊縫中的孔洞逐漸減小，當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到一定值時(shí)，孔洞消失，形成致密的焊縫。3) 焊接速度在攪拌摩擦焊過(guò)程中，焊接速度是影響焊縫成型的重要因素。當(dāng)焊接速度過(guò)大時(shí)，攪拌摩擦焊所產(chǎn)生的熱量不足以使攪拌頭周圍的金屬達(dá)到塑化狀態(tài)，不能形成好的焊縫，在內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)孔洞。攪拌頭與被焊金屬之間的作用力在攪拌頭轉(zhuǎn)速一定的情況下隨著焊速的提高而增大。普通電弧焊焊縫受力主要來(lái)自電弧力，磁場(chǎng)力以及熔池自身的重力，而攪拌摩擦焊其焊縫受力主要是垂直與焊接方向的軸向力，焊接進(jìn)給阻力及焊縫夾持部分與軸肩部分不同心度產(chǎn)生的偏心攪動(dòng)力，如圖 1