铝合金搅拌摩擦焊工艺分析研究

1. 本设计<课题）研究的目的和意义 1  搅拌摩擦焊在飞机制造中的优越性 

搅拌摩擦焊技术从制造成本、重量和连接质量的角度考虑具有显著的优越性。例如 ，在飞机上的应用可以减少零件数量和库存 ，降低装配费用 ，减少设计成本 ，减少维修费用等。同时搅拌摩擦焊代替铆接可以降低接头重量。对于给定的应力水平而言，搅拌摩擦焊可以消除铆接和螺接的紧固孔引起的应力集中，提高飞机的疲劳性能和所必需的安全检验阈值以及时间间隔。消除板 - 板对接连接中的结合面 ，防止潮湿介质的入侵和腐蚀。消除不同材料紧固连接需要的紧固件和可能的电势腐蚀作用。免去密封介质和局部材料保护等。 

1. 1  降低系统制造成本 

    搅拌摩擦焊技术为轻型铝合金结构的低成本、无紧固件的可靠连接提供了可能性 ，而且已经在航宇飞行器的制造过程中的成本控制上得到突破性进展。目前飞机制造中零部件的装配连接使用了大量的铆接和螺栓连接结构，如在空中客车A340飞机上使用了超过100万个铆钉。如果用搅拌摩擦焊接代替铆接，一方面搅拌摩擦焊具有比铆接更快的制造速度(因为搅拌摩擦焊准备简单，装配方便，操作程序少，焊接速度快>。另一方面搅拌摩擦焊不需要焊丝，不需要对接束缚条 ，不需要加强板 ，不需要粘接密封介质 ，没有紧固铆钉和高锁，在减少制造过程库存零部件的同时 ，大大减轻了飞机连接装配的重量。搅拌摩擦焊作为一种低成本的制造技术 ，用来代替气体保护熔化焊接( GMAW 和APPW> ，大幅度降低了系统费用。同时使单个燃料筒体的制造周期由原来的 23天，缩短为 6天。 

1. 2  提高飞机制造效率 

    传统的飞机结构多为机械连接的装配方法 ，零件多 ，速度慢 ，制造步骤复杂 ，不容易实现生产装配自动化。但搅拌摩擦焊技术在飞机制造领域的应用 ，可使飞机高成本、大件加工、机械连接方式变为低成本、小件焊接、整体成型结构方式 ，有效提高了飞机制造装配的效率，缩短了飞机零、部件的制造装配周期。另外 ，搅拌摩擦焊技术对硬件要求较低，完全可以通过对传统机床设备的改造 ，或在现有机械设计和加工能力的基础上完成。而且焊接过程没有飞溅、电弧等强烈的电磁干扰 ，易于实现过程数字控制和生产自动化。目前国外公司已经在数控多坐标铣床和焊接机器人系统上应用搅拌摩擦焊技术 ，实现搅拌摩擦焊的变截面的空间曲线轨迹的焊接。波音公司已经成功地实现了复杂结构的飞机门的曲线搅拌摩擦焊焊接。另外在战斗机的裙翼上成功地实现了薄板 T 形接头的搅拌摩擦焊连接 ，并且进行了相关飞行测试。 

1. 3  提供新的飞机结构设计可能性 

搅拌摩擦焊不仅能在普通材料上得到优良的接头 ，而且在以前所谓的“难焊”和“不可焊接”铝合金材料上也能实现可靠连接 ，如可在1420、2195、2524、6013、6056、7075、AlMgSc等多种航宇合金材料上得到固相连接。同时，由于搅拌摩擦焊技术的特殊性，不同金属合金材料例如2524和7349，6065和1424，6061和2024等，也能得到可靠的焊接。对于从1 mm 到75 mm不同厚度的金属材料，基于搅拌摩擦焊不存在熔化过程，所以也能得到优良的固相连接。另外虽然原始材料的生产准备状态不同，但是搅拌摩擦焊可以实现板材件、挤压型材件以及预成型件的焊接。英国焊接研究所已经成功地把锻压板材件用搅拌摩擦焊的方法和铸态零件焊接在一起 ，同时得到非常优异的接头机械性能。搅拌摩擦焊技术为飞机结构设计中新材料、新结构的应用提供了更多的选择性和可能性。 

2. 本设计<课题）国内外研究历史与现状 

目前，该所主要是与航空、航天、船舶、高速列车及汽车等焊接设备制造厂和国际性的大公司联合，以团体赞助或合作的形式    目前由工业企业赞助的研究工程包括：大厚度铝合金的搅拌摩擦焊、钢的搅拌摩擦焊、钛合金的搅拌摩擦焊、汽车轻型构件的搅拌摩擦焊等。美国的爱迪生焊接研究所1铝合金搅拌摩擦焊在航空航天领域中的应用 

    随着搅拌摩擦焊的研究进一步走向深入，搅拌摩擦焊设备也逐渐从实验室走向商用。TWI应用此技术为波音公司生产了3个2000系列铝合金航天飞机燃料箱；美国洛克希德。马丁公司、波音-麦道公司、洛克韦乐集团、爱迪生焊接研究所等多家机构目前正在致力于搅拌摩擦焊接的研究、应用评估和开发。在航空航天领域适于用FSW技术焊接的结构包括：军用或民用飞机的蒙皮、航天器中的低温燃料箱，航空器油箱、军用机的副油箱、军用或科技探测火箭等；美国洛克希德。马丁航空航天公司用该技术焊接了航天飞机外部储存液态氧的低温容器；在马歇乐航天飞行中心，也已用该技术焊接了大型圆筒形容器。 

Boeing公司投资几百万美元，制造了用于Delta运载火箭的大型低温燃料容器的大型专用搅拌摩擦焊机，BAE空中客车公司正在对FSW技术进行方法、性能和可行性验证，目的是用来生产中型和大型商用客机，所采用的搅拌摩擦焊机由地处合利伐克斯的GRAWFORD-SWIFT公司制造，据说是欧洲功率最大的焊机。美国ECLIPSE<月蚀）航空公司将利用FSW来制造一架10.86m长、翼展11.88m的中型飞机。公司估计，采用FSW可以将机身壁板上的加强肋、框架的装配时间减少80%，使飞机成本降低为83.7万美元。此飞机的主要结构件、蒙皮等全部采用国际上最新的连接技术――搅拌摩擦焊技术制造，客机的机身基本上全部利用搅拌摩擦焊制造，其中包括飞机蒙皮、翼肋、弦状支撑、飞机地板以及结构件的装配等 

搅拌摩擦焊的应用主要用来提高生产效率和降低制造成本，会对航空结构件的搅拌摩擦焊工艺是由TWI与美国ALCOA公司联合进行实验开发，然后应用于ECLIPSE500型飞机结构件的焊接。公司在2000年9月通过了飞机安全委员会的初步设计评估和认证，2001年6月确定搅拌摩擦焊的飞机制造中的可行性，2001年开始制造搅拌摩擦焊飞机结构件，2002年6月首飞，并在6月29日~7月1日向公众展示了这种新型飞机的目前已经有上百家客户争相订购这种新型的谦价、切能的商务飞机，该种飞机预计2003年8月进行飞行认证，在2003年8月交会用户使用。 

2铝合金搅拌摩擦焊在船舶制造领域中的应用 

   目前，基于搅拌摩擦焊在焊接方法、力学性能、制造成本以及环境等方面的巨大优越性

和潜在的工业应用前景，在船舶制造领域里，搅拌摩擦焊得到了深入细致的研究和开发。船舶制造不仅要求速度的增加，而且要求单位价格载荷性能的提高，所以舰艇制造要尽可能的

铝合金材料来降低船舶重量。但铝合金材料的传统连接方法为铆钉连接和弧焊连接，铆接增加了制造时间、人力和物料的使用量，而铝合金熔焊时容易产生变形、缺陷及烟尘等，也了弧焊在铝合金构件上的使用，所以随着搅拌摩擦焊技术的发展，用搅拌摩擦焊来实现高集成度的预成型模块化制造来代替传统的船舶来板-加强件结构的制造，是船舶制造技术发展的必然和性的进步。 

搅拌摩擦焊在船舶轻合金预成形结构件上的应用，在外观、重量、性能、成本以及制造时间上具有明显的优越性，不仅可以用于船舶轻合金结构件的制造，还可以用于现场装配，为现代船舶制造提供了新的连接方法通知搅拌摩擦焊代替熔焊实现轻合金结构件的制造，是现代焊接技术发展的又一次飞跃。FSW技术在船舶制造、海洋工业和宇航工业中有广泛的应用前景，适于用FSW技术焊接的结构包括：甲板、壁板、隔板等板材的拼焊、铝挤压件的焊接、船体和加强件的焊接、直升机降落平台的焊接等。目前已用该技术焊接快艇中上长为20m的铝合金结构件，焊缝总长度超过500km。 

3. 目前存在的主要问题 

随着搅拌摩擦焊技术的研究和发展，搅拌摩擦焊在应用领域的得到很好解决，但是尽管搅拌摩擦焊目前可以单道完成厚度为50mm 铝合金材料的焊接，但与某些弧焊技术相比<如薄板的激光焊）焊接速度还相对较慢；另外，基于搅拌摩擦焊本身的特点，被焊零件需要由一定的结构刚性或被牢固固定来实现焊接；焊接结束由于搅拌头的回抽，焊缝的末端留有“匙孔”，所以必要时，焊接工艺上需要添加“引焊板或出焊板”；搅拌摩擦焊过程中需要对焊缝施加巨大的顶锻压力，这也了搅拌摩擦焊技术在机器人等设备上的应用。    

4. 本设计<课题）拟解决的关键问题和研究方法 

1）搅拌指棒因工作时旋转摩擦产生大量的热，所以其需选定良好的耐高温力学和物理特性的抗磨损材料制造； 

2）不同焊接方法及设备、焊接工艺等对焊接接头的性能影响； 

3）使铝合金材料形成良好可靠的接头工艺参数的确定； 

4）根据焊接实验，对焊接结构进行金相分析，优化焊缝的工艺设计。 

5. 参考文献 

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铝合金的搅拌摩擦焊工艺研究

摘要：搅拌摩擦焊是一种新型的固态连接技术。采用搅拌摩擦焊技术成功地实现了厚度为#>>铝合金板材的对接、角接及园筒纵缝的焊接。分析研究了实验过程中搅拌焊头的形状、尺寸及焊接工艺参数对搅拌摩擦焊接头质量的影响。实验结果表明，对于厚度为#>>的铝合金板材，圆柱形搅拌焊头的最佳设计尺寸是：搅拌焊针的直径为#>>，肩部的直径为*>>。采用该焊头在旋转速度为!+&&!"&&&,／>-.，焊接速度为!$""!!$+(>>／/的范围内，压力为"!+0时施焊，可获得质量良好的焊接接头。关键词：搅拌摩擦焊；铝合金；固态连接技术

搅拌摩擦焊是英国焊接研究所发明的一种新型固态连接技术［!!#］。同传统的熔化焊相比，由于搅拌摩擦焊属固相焊接，其接头不会产生与熔化有关的一些如裂纹、气孔及合金元素的烧损等焊接缺陷；焊接过程中无需填充材料、保护气体，焊接前无需进行复杂的处理工作，焊接时所需能量仅为传统焊接方法的"&8左右；焊接过程中无弧光辐射、烟尘和飞溅，噪音低，因而搅拌摩擦焊是一种高质量、低成本的“绿色焊接方法”。

目前，工业发达国家铝合金的搅拌摩擦焊技术已进入商业化阶段，而我国在该技术领域中的研究才刚刚起步。本实验针对工业纯铝及两种典型的铝合金材料做了大量的搅拌摩擦焊工艺实验，旨在深入研究搅拌摩擦焊的工艺原理及微观机理，探索其内在的规律，为搅拌摩擦焊技术早日在我国工业领域推广应用提供理论和实践依据。

1.搅拌摩擦焊的工艺原理

搅拌摩擦焊的工作原理示于图!。焊接时，先将被焊件固定在平台上，搅拌焊头在高速旋转的同时插入接缝中，直至肩部与被焊件表面紧密接触。旋转的搅拌焊头与焊件之间摩擦产生的热量，使接缝处材料温度升高而软化，同时，搅拌焊头边旋转边沿着接缝与焊件作相对运动，搅拌焊头前面材料发生强烈的塑性变形并流向搅拌焊头的后面，肩部所施加的压力使接缝处的变形金属通过相互扩散与再结晶牢固地结合在一起，从而形成搅拌摩擦焊焊缝。

2."实验条件与方法

实验分别以厚度为#>>的工业纯铝、硬铝及防锈铝作为待焊材料，用自制的搅拌摩擦焊设备，实现了对接接头、角接接头及园筒纵缝的焊接<图!）。实验过程中，分别采用十种不同尺寸的阶梯圆柱形搅拌焊头，在不同的工艺参数下施焊，观察焊缝成形质量，测试接头的力学性能，利用金相显微镜观察接头的微观组织，分析研究工艺参数对焊缝质量影响。

3."实验结果与分析

3.1."搅拌焊头的形状、尺寸对焊缝质量的影响

搅拌焊头是搅拌摩擦焊所采用的一种非消耗的可旋转的焊接工具，其结构的设计是搅拌摩擦焊技术的核心。结构理想的搅拌焊头能够使焊接区内摩擦产热量高、热塑性状态的金属流动性好、塑性金属流受到的挤压力较大且搅拌焊头向前移动时所受到的阻力较小，可以实现在相对较高的焊接速度下焊接较厚的板材。

3.1.1"搅拌焊头的形状

在搅拌摩擦焊过程中，搅拌焊头的形状对摩擦产热及金属的塑性流动状态有重要作用。搅拌焊头形状设计合理，会使焊接区摩擦产热功率提高，热塑性状态的金属易于流动，焊接工艺性好。目前搅拌焊头的形状主要有以下几种：圆柱形、圆锥形<锥度较小）、螺旋形及偏心式。其中螺旋形搅拌焊头在旋转的同时，产生向下的压力，更有利于焊缝金属的焊合及成形。偏心式搅拌焊头可增大摩擦面积并使热塑性状态的金属在搅拌焊针周围更易于流动本实验采用最基本的圆柱形搅拌焊头。该焊头由三个部分组成：夹持部分、肩部及搅拌焊针。其中，搅拌焊针及肩部的尺寸对焊缝的质量有重要影响。

3.1.2.搅拌焊针的尺寸

实验结果表明，搅拌焊针的直径为焊件厚度的’#(!$#$倍时，焊缝质量较好。搅拌焊针的直径过大时，焊接区断面面积增大，热影响区变宽，同时搅拌焊针向前移动时阻力增大；搅拌焊针的尺寸过小时，焊接区热塑性金属的流动性差；搅拌焊针向前移动时所产生的侧向挤压力减小，不利于形成致密的焊缝组织。搅拌焊针的长度与焊缝的背面成形有关。搅拌焊针过短，背面焊不透；搅拌焊针过长，则背面易过热，导致成形较差。搅拌焊针长度的选取与其直径有关。当搅拌焊针的直径较大时，其长度可以略短。对于厚度为">>的铝合金薄板，搅拌焊针的直径为">>时，其长度应在!#*>>!!#+>>范围内。

3.1.3"肩部的尺寸

搅拌摩擦焊接时，热量主要来自于肩部与焊件的摩擦，肩部尺寸直接影响着焊接线能量的大小，从而影响焊缝的质量。采用不同系列直径的搅拌焊头施焊，焊后对其试样进行比较，结果表明，搅拌焊头的肩部直径与焊针直径之比为",$时，易获得高质量的焊缝。肩部尺寸过大，热输入量增加，势必导致热影响区尺寸增大，同时焊件易产生变形；肩部尺寸过小，则需通过增大旋转速度或降低焊接速度的方式保证热输入量，不利于节能、降耗和提高生产效率。

3.2工艺参数对焊缝质量的影响

在搅拌摩擦焊接过程中，单位长度焊缝上的热输入量和塑性金属流在搅拌焊头的作用下产生的流动状态是决定焊缝质量的关键因素。搅拌摩擦焊热

功率计算公式为［+］：

!""#!$<%’!&%’%-&%-!）／［.*<%’&%-）］<$）式中：!—输入工件总的热功率；%’，%

-—焊头肩部的半径和焊针的半径；$—压力；#—搅拌焊头的

转速；!—摩擦因数如假定%-"’，则!""#!

%’／.*）式中：’—焊接线能量；(—焊接速度

3.2.1."旋转速度与焊接速度

由公式<"）可知，在搅拌摩擦焊过程中，焊接线能量的大小取决于搅拌焊头肩部的半径、压力、摩擦因数及转速与焊速之比<#／(）。当采用某一搅拌焊头焊接时，其肩部直径为定值，如压力在焊接过程中也保持不变，则焊接线能量仅取决于转速与焊速之比。焊接线能量适当，即#／(在一定范围内，才能获得质量良好的焊接接头。本实验中，当肩部直径为(>>时，搅拌焊头的旋转速度在$+’’!!’’’/／>-0范围内，焊接速度为$#!!!$#+*>>／1时，即#／(在$%#!!!&#*/／>>范围内，焊缝质量较好。焊接时，如果转速过低或焊速过高，都会导致#／(降低，即焊接线能量较小，热量不足以使焊接区金属达到热塑性状态，因而焊缝成形不好，甚至焊缝表面出现沟槽。随着转速的提高或焊速的降低，#／(逐渐增加，焊接线能量趋于合理，焊缝质量较好。当转速较大或焊速较小时，#／(则较大，单位长度焊缝上的热输入量过高，焊接区金属过热而导致焊缝成形及质量均较差。

3.2.2"压力

实验过程中发现，采用肩部直径为$%%、焊针直径为!%%的搅拌焊头焊接时，压力基本保持在#&’(!##>(的范围内，就可获得较好的焊缝质量。增大压力，可提高热输入量，提高焊缝组织的致密度；但由于摩擦力增大，搅拌焊头向前移动的阻力增大，且压力过大易使焊缝凹陷，焊缝表面出现飞边、毛刺。而压力过小，焊缝组织疏松，焊缝内部出现孔洞，甚至肩部对焊接区起不到封闭作用而使焊缝金属流外溢。

3.3.接头的力学性能分析

拉伸实验结果表明，母材的平均抗拉强度为&#!*+,，焊缝的平均抗拉强度为$-".*+,，较母材低约#>/。由图!可以看出，焊接接头处于焊态时，其焊缝处的硬度值低于母材；而焊后经低温退火处理的试样，焊缝处的硬度略高于母材。这是由于冷轧的纯铝板材，轧制后有冷作硬化作用，而搅拌摩擦焊使焊缝处的硬化作用消失。由焊接接头的金相组织可见，与母材组织相比，焊缝处的晶粒要细小均匀<见图6，左侧为母材，右侧为焊缝）。这是由于在搅拌摩擦焊接过程中，焊缝组织经历了塑性变形和动态再结晶，使晶粒细化。由金相组织还可以看出，焊缝和母材组织没有明显的过渡，热影响区较窄。由于焊缝区晶粒细化，组织致密，热影响区较熔化焊时窄，且焊接过程中无合金元素烧损，杂质偏析，焊缝内部不会产生裂纹和气孔等缺陷，因而搅拌摩擦焊接头的综合性能良好。

结论

<&）采用肩部直径为$%%、焊针直径为!%%

的搅拌焊头，压力保持在#&’!##>(的范围内，焊接速度为&"##!&".’%%／5，旋转速度为&.>>!#>>>2／%34范围时，利用自制的搅拌摩擦焊装置，成功地实现了厚度为!%%的工业纯铝薄板的对接、角接及圆筒纵缝的焊接，并获得成型美观，性能良好的焊接接头。搅拌摩擦焊焊缝是经过塑性变形和动态再结晶而形成，焊缝区晶粒细化，组织致密。热影响区较熔化焊时窄，无合金元素烧损、杂质偏析、裂纹和气孔等缺陷，综合性能良好。