铝合金搅拌摩擦焊发展现状_吕舒婷.pdf

科技与创新Science and Technology&Innovation1022023 年 第 13 期文章编号：2095-6835（2023）13-0102-03铝合金搅拌摩擦焊发展现状吕舒婷，吴 盟，周 贺，张建龙，李 强，王洪娟，靳向涛，张 晗（首都航天机械有限公司，北京 100071）摘要：焊接技术不断地在发展，搅拌摩擦焊由于有着被焊接件焊缝力学性能好、成本低、效率高、绿色无污染等优点，被国内外厂商广泛应用。此外关于搅拌摩擦焊的学术讨论与研究也十分热门，具有很大的研究价值。介绍了铝合金以及搅拌摩擦焊的应用背景和工作原理，之后对铝合金搅拌摩擦焊技术以及搅拌摩擦焊设备的发展研究现状进行了阐述，最后对铝合金搅拌摩擦焊的发展前景进行了分析与展望。关键词：铝合金焊接；搅拌摩擦焊；焊接技术；焊接工艺中图分类号：TG453.9文献标志码：ADOI：10.15913/ki.kjycx.2023.13.029近年来，焊接工艺不断进步和发展，现如今各类焊接技术层出不穷，搅拌摩擦焊、摩擦叠焊、电子束焊接、激光焊接、复合焊接等各种各样的焊接技术相继出现，极大地增强了不同工况下对不同材料的焊接能力。搅拌式摩擦焊是1991 年由英国焊接研究所（TWI）发明的固态焊接新技术1。目前已经走过了 30 多年的历程。该焊接方法主要运用在处理高强度铝合金材料焊缝中的一些问题，也因此在航空飞行器领域中应用广泛。目前，人们对搅拌摩擦焊的研发热情仍然非常高涨。统计资料表明，中国已成为了当今世界上对该项技术研发投入资金最多的大国2，这也就表明了搅拌摩擦焊在中国正在飞速地发展，并且对其深入开展科研工作意义重大。搅拌摩擦焊设备如图 1 所示。图 1搅拌摩擦焊设备铝合金是将铝单质金属作为整体合金制造的基体材料，并在加工时从基体材料中加入一定量其他所需要的金属或非金属元素所制成的合金。铝合金材料如图 2 所示。铝合金材料具有强度密度比高、密度低、可浇注性好、对电子的导通性好、抗外界环境腐蚀能力强、焊接性能优异等特点，在航空航天领域被广泛应用。此外，它还具有非常高的商业使用价值和战略应用价值，具有广阔的应用前景。在航空航天制造业中，铝合金的焊接技术也是应用较为广泛的一种工艺。大量的铝合金产品需要进行焊接加工之后再投入使用。搅拌摩擦焊因对铝合金有着优异的焊接性能、焊接成品率高、焊接效果好等优点被广泛应用于铝合金焊接中。图 2铝合金材料1搅拌摩擦焊工作原理简介在材料焊接和制造过程中，搅拌摩擦焊的焊接材料直接完成整个焊接而不熔化。在搅拌摩擦焊的焊接工艺中，焊接所需材料的摩擦和搅动，夹持装置的轴肩和特制的指杆，使被焊接材料发生塑性变形，并迅速进入热塑性流动状态。搅拌摩擦焊的焊接过程是由焊接材料通过相互扩散和动态再结晶完成的3-5。搅拌摩擦焊主要是由搅拌头自身的旋转（夹持器和特形指棒）、焊接材料的插入、材料的热塑性以及搅拌头的移动焊接等组成的，其焊接工艺如图 3 所示6。焊接时通过工装夹具将工件固定在一个刚作业的平台上，然后搅拌摩擦焊焊头高速旋转，沿工件表面相对于工件的接合方向运动。异形棒的凸出端伸入金属材料中，对焊接部位进行摩擦搅拌，使焊接的金属材料软化，形成空腔。铝合金焊接状态如图 4 所示。Science and Technology&Innovation科技与创新2023 年 第 13 期103图 3搅拌摩擦焊工作原理图图 4铝合金焊接状态图搅拌摩擦焊夹具的台肩与工件表面相互摩擦产生热能。此外，夹持器的肩部还能防止塑性状态下金属材料的软化和外流，消除了焊件表面的氧化层。因为搅拌摩擦焊的焊接端是高速转动的，先达到塑性变形状态后焊接金属材料。变形过程受到轴肩的约束。之后，由于特制指棒的运动，材料高速搅拌后塑性变形。然后在搅拌头后面慢慢堆积产生焊缝，这样就完成了搅拌、摩擦的过程7。搅拌摩擦焊焊接过程如图 5 所示。图 5搅拌摩擦焊焊接过程图搅拌摩擦焊可根据焊接件的焊接区分为焊接区、过渡区、母材区，其中过渡区由热机影响区和热影响区组成8，如图 6 所示。A焊接区（熔接区）；B受热机影响的区域；C热影响区；D母材区。图 6被焊接件焊接分区图在摩擦积累的热和塑性变形对材料产生的热的相互影响下，A 区塑性变形较强。该区域的结晶粒径远小于母材区域的结晶粒径，显示出非常明显的等轴结晶形状。当焊缝位于焊缝中央时，该区域的内部结构就像洋葱，表征的特性非常明确。焊缝会延伸到焊缝的焊接面。焊缝熔核区域面积小于相对外侧的焊缝胎肩尺寸，但大于焊缝针脚尺寸，此区域称为焊接区（熔接区）。受机械性影响的热和焊接产生的热双重作用影响，一定程度的塑性变形发生在 B 区，在该焊接区的材料颗粒有着特定方向上的变形。该区域也是受搅拌影响的区域或受热变形影响的区域。区域 B 被称为受热机影响的区域。C 区由于仅受焊接时出现的热循环的影响，焊接材料内部晶粒组织和力学性能发生变化，组织变粗，但不存在塑性变形。过渡区分为 B 区和 C区，区域相对狭窄。该区域的晶粒大小呈现阶梯状的明显变化。这个区域也被称为热影响区。D 区无机械和热像，无热量积累作用或塑性变形，以原始组织表现。该区域被称为母材区。2搅拌摩擦焊研究发展现状作为焊接领域的热门技术，搅拌摩擦焊（FSW）发展迅速。搅拌摩擦焊根据焊接件的材料特性、厚度、结构等不同，主要分为人工、固定式自动、机械式 3种。各种形式的搅拌摩擦焊已被广泛应用于许多工业制造领域9。日本大阪大学焊接研究所的 MORISADA 等10成功开发了一种小型手动焊接设备，通过使用减载肩部工具来控制材料消耗和改变焊接销的位置关系。中国科学研究院沈阳自动化研究所王敏教授11专为大、薄材料设计开发的精密搅拌摩擦焊接设备，最大限度地提高了设备的主轴转速，使转速增加到了5 000 r/min，焊接轨迹精度为 0.1 mm，位置精度为0.05 mm，重复位置精度为 0.03 mm。设备的焊接缝隙长度可达 3.5 m，最大焊接缝隙厚度为 215 mm，可长时间焊接或连续焊接。上海航天设备制造总厂张华德等12针对平面二维焊接工具焊接区域过渡区母材区旋转方向背面撑垫特形指棒夹持器焊缝焊件母材区过渡区科技与创新Science and Technology&Innovation1042023 年 第 13 期状态搅拌摩擦焊系统进行了分析与设计，并将设备升级为主旋转轴 360无障碍旋转，顶部采用双层包络网。驱动器软件提供了一个环形套件来控制驱动器的所有电气状态。焊接装置让焊接通过二维焊接来模拟，保证焊接成品的美感和品质。其他学者也对铝合金搅拌摩擦焊工艺进行了研究。张格铭等13研究了 2024 铝合金搅拌摩擦焊接头焊接区和热影响区的位错形态和分布，得出位错分布特征与硬度变化基本一致的结论。NAVASER 等14发现，随着搅拌摩擦焊设备转速的增加，焊接材料的腐蚀敏感性增加，但在热影响区和热机影响区没有晶间腐蚀。丁瑞华15发现通过固溶时效处理，可以大大提高焊接接头的强度。然而，随着固溶处理时间和温度的增加，摩擦焊接头的疲劳抗力先增加后降低。山东大学张远16研究了 7075 铝合金母材和搅拌摩擦焊接头的回归再时效工艺，得出了 7075 铝合金母材的最佳热处理工艺。湖北工业大学刘亮17研究了 5052、6061 铝合金平板搅拌摩擦焊接头的组织和性能，得出结论：合金元素的添加对搅拌摩擦焊接头的拉伸性能没有影响；5052、6061 铝合金板的厚度相同，但焊芯区的平均显微硬度增加。长春工业大学朱芮18研究了铝合金焊接接头的温度场、显微组织、材料性能和搅拌摩擦焊。通过超厚板搅拌摩擦焊移动热源模型的建立、计算和分析，得出超厚铝合金搅拌摩擦焊沿焊缝厚度方向温度梯度的相关性差异很大。3结束语现如今，铝合金搅拌摩擦焊技术的发展日趋完善，越来越多的新技术与新研究被应用于铝合金焊接。搅拌摩擦焊的整体技术的发掘空间已经所剩不多，关于焊接接头、被焊接件的焊缝质量、被焊接件的金属特性等具体的研究较少，还有可研究的空间。铝合金材料以及搅拌摩擦焊在各类制造业应用也十分广泛，关于铝合金搅拌摩擦焊技术有着很大的发展前景。参考文献：1THOMAS W M，NICHOLAS E D，NEEDHAM J C，etal.Friction welding：US5460317AP.1995-10-24.2付瑞东，李艺君.我国搅拌摩擦焊技术的发展及展望J.金属加工（热加工），2020（6）：14-18，28.3THOMASWM，NEEDLHAMJC，DAWESC J，etal.Frictionstirbuttwelding：PCT/GB92/02203P.1991-12-06.4THOMAS W M，NICHOALS E D，NEEDLHAM J C，etal.Frictionstirbuttwelding：GB2306366AP.1991-12-01.5亚敏，戴福隆，吕坚.搅拌摩擦焊接头残余应力的试验J.焊接学报，2002，23（5）：53-56，2.6SUED M K，PONS D，LAVROFF J，et al.Design features forbobbinfrictionstirweldingtools:developmentofaconceptual model linking the underlying physics to theproduction processJ.Materials and design，2014，54：632-643.7宋继超.2519A 铝合金搅拌摩擦焊的研究D.长沙：中南大学，2012.8车洪梅，蒋显全，乔楠，等.搅拌摩擦焊对 5052 铝合金微观组织与性能的影响J.材料保护，2015（48）：10-12.9MISHRA R S，MAHONEY M W.Friction stir welding andprocessingM.New York：Springer international publishing，2007：7-35.10MORISADA Y，TAMASHIRO K，KAMAI M，etal.DevelopmentofsmallsizedfrictionstirweldingequipmentforhandoperatedweldingJ.Scienceandtechnology of welding&joining，2015，20（3）：249-253.11王敏.大型薄壁高精度搅拌摩擦焊设备技术研究：中国科学院沈阳自动化研究所成果J.科技成果管理与研究，2016（9）：67.12张华德，乔凤斌，张松，等.平面二维搅拌摩擦焊设备的系统设计与分析J.机床与液压，2013，41（2）：8-10.13张格铭，刘鹏，冯可云，等.2024-T4 铝合金搅拌摩擦焊搅拌区位错及组织性能J.电焊机，2017，47（8）：98-103.14NAVASER M，ATAPOUR M.Effect of friction stirprocessing on pitting corrosion and intergranular attack of7075 aluminum alloyJ.Journal of materials science&technology，2017（2）：155-165.15丁瑞华.固溶时效工艺对 7075 铝合金板材搅拌摩擦焊接接头疲劳性能的影响J.轻合金加工技术，2017，45（4）：56-6016张远.7075 铝合金母材和搅拌摩擦焊接头的回归再时效工艺研究D.济南：山东大学，2019.17刘亮.5052/6061 异材等厚铝合金板搅拌摩擦焊接头组织及性能研究D.武汉：湖北工业大学，2016.18朱芮.6082 铝合金超厚板搅拌摩擦焊温度场及接头组织与性能研究D.长春：长春工业大学，2020.作者简介：吕舒婷（1982），女，工艺员，毕业于北京科技大学，机控制科学与工程专业硕士研究生，从事航天产品工艺工作。（编辑：王霞）