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搅拌摩擦焊接质量控制
搅拌摩擦焊焊接质量控制
摘要：
搅拌摩擦焊接技术是针对焊接性差的铝、镁合金而开发出的一种新型固相连接技术，由英国焊接研究所于1991年开发的专利技术。
可以有效地避免氧化和蒸发，焊后冷却过程中不出现热裂纹，焊缝区晶粒得到细化，优化了接头各项性能，同时焊接过程不需要填充金属，不产生火花、飞溅、烟雾、弧光等，是一种高效、优质、简单、无污染的焊接工艺。
介绍了搅拌摩擦焊接的原理、焊接工艺特点、搅拌摩擦焊的最新发展情况及其应用。
利用搅拌摩擦焊焊接方法对7075铝合金进行焊接实验，在焊接参数为：
转速——800r/min、焊接速度75mm/min的情况下得到了良好的组织结构，显微硬度的实验表明焊后其维氏硬度值的分布趋势沿焊缝中心基本对称。
关键词：
搅拌摩擦焊接；7075铝合金；焊接参数；焊接质量控制
Researchonfrictionstirwelding
Abstract:
Frictionstirwelding（FSW）isanewsolidweldingtechniqueforaluminumandmagnesiumalloysinventedandpatentedbyTheWeldingInstitute,UKin1991,whichcanavoidtheproblemsexistingintheotherweldingmethods.Itisanefficient,energysaving,simpleandenvironmental-friendlytechnique,whichcanefficientlyavoidoxidationandevaporationwithoutheatflawinthecoolingprocessafterwelding.FSWcangetoptimizedvariousperformanceofjointwithoutanysparkle,plash,smogorarc.Nofillingmetalisneededintheweldingprocess.Thispapersimplyintroducetheprinciples,theprocess,emphasizeintroducesrecentdevelopmentanapplicationofthefrictionstirwelding.Usingfrictionstirweldingmethodof7075aluminumalloyweldingexperiment,theweldingparametersforweldingspeed:
speed--800r/min,75mm/mincasesgotgoodorganizationstructure,microhardnesstestsindicatethatafterweldingtheVivtorinoxhardnessdistributiontrendalongtheseamcentersymmetry.
Keywords:
FSW;7075Alalloy;Weldingparameters;Weldingqualitycontrol
目录
第一章文献综述……………………………………………………………………1
1.1铝合金焊接的特点…………………………………………………………………1
1.2搅拌摩擦焊接………………………………………………………………………1
1.2.1搅拌摩擦焊接机理…………………………………………………………1
1.2.2搅拌摩擦焊接的特点………………………………………………………2
1.3铝合金的搅拌摩擦焊接现状及发展………………………………………………2
第二章实验方法……………………………………………………………………3
2.1实验材料及设备……………………………………………………………………3
2.1.1实验设备……………………………………………………………………3
2.1.2实验材料……………………………………………………………………3
2.2实验方案……………………………………………………………………………3
2.2.1焊接参数……………………………………………………………………3
2.2.2实验方法…………………………………………………………………3
2.3金相实验……………………………………………………………………………4
2.3.1金相试样的制备……………………………………………………………4
2.3.2金相组织显微摄影…………………………………………………………4
第三章实验结果分析…………………………………………………………5
3.1搅拌摩擦焊焊缝截面宏观分析……………………………………………………5
3.2焊缝组织微观分析…………………………………………………………………5
3.3搅拌摩擦焊焊接接头的缺陷分析…………………………………………………6
3.4焊后材料显微硬度的变化…………………………………………………………9
第四章实验结论……………………………………………………………………10
参考文献………………………………………………………………………………11
第一章文献综述
1.1铝合金焊接的特点
铝合金由于质量轻、比强度高、耐蚀性能好、无磁性、成形性好及低温性能好等特点而被广泛地应用于各种焊接结构产品中，铝合金焊接有以下难点：
（1）铝合金焊接接头软化严重，强度系数低，这也是阻碍铝合金应用的最大障碍；
（2）合金表面易产生难熔的氧化膜（Al2O3其熔点为2060℃），这就需要采用大功率密度的焊接工艺；
（3）铝合金焊接容易产生气孔；
（4）铝合金焊接易产生热裂纹；
（5）线膨胀系数大，易产生焊接变形；
（6）铝合金热导率大（约为钢的4倍），相同焊接速度下，热输入要比焊接钢材大2倍-4倍。
因此，铝合金的焊接要求采用能量密度大、焊接热输入小、焊接速度高的高效焊接方法[1]。
1.2搅拌摩擦焊接
搅拌摩擦焊接技术是英国焊接研究所于1991年发明的一种固相连接技术[2]传统熔化焊相比，搅拌摩擦焊接具有接头缺陷少、质量高、变形少，以及焊接过程绿色、无污染等显著优点。
搅拌摩擦焊接在飞机制造业中具有广阔的应用前景[3]。
1.2.1搅拌摩擦焊接机理
搅拌摩擦焊接过程如图1所示。
搅拌摩擦焊接为固相连接过程，在焊接过程中，工件要固定在刚性背垫上，搅拌头高速旋转并将焊针挤入待焊工件的接缝处，直至搅拌头的轴肩与工件紧密接触。
搅拌针伸进材料内部进行摩擦和搅拌，随着焊针的钻入，肩部与被焊工件表面接触，其旋转产生的摩擦热将焊件周围的金属转变成塑性状态，使接缝处的材料产生塑形流变[4]，搅拌头一边高速旋转，一边沿工件的接缝与工件相对移动。
产生塑形流变的材料被挤压到搅拌头前进方向的尾部，防止了塑形状态材料的溢出，同时可以起到清除表面氧化膜的作用。
随后，塑形金属流在挤压下重新结合形成固相焊缝。
1.2.2搅拌摩擦焊接的特点
1.能保持母材的冶金性能，焊接接头力学性能好
铝合金具有密度低、强度比高、刚度比高等优点，但是铝合金熔点较低、导热系数大、比热容大、线膨胀系数大，在采用熔化焊进行焊接时，易产生裂纹、气孔、变形等焊接缺陷。
同时，由于焊接温度较高，其性能会降低，因而限制了铝合金的广泛应用。
由于搅拌摩擦焊接是一种固相焊接方法，在焊接铝合金时不会产生与熔化焊有关的焊接缺陷，也不会降低焊接接头的性能，而且，焊缝金属的强度超过热影响区金属的强度，没有焊缝金属蒸发产生的合金元素损失，不会改变合金的成分，因此焊接接头的力学性能好。
2.焊接变形小、残余应力小
由于搅拌摩擦焊接的焊接温度较低，焊接后结构的变形量和残余应力比熔化焊小得多。
同时，由于不存在焊接过程中接头部位大范围的热塑性变形过程，焊接接头的内应力小、变形小，基本可实现板件的低应力无变形焊接[5]。
3.焊接成本低、效率高
搅拌摩擦焊所需设备简单，操作方便，能量利用效率高（可以用总功率3kw的设备焊接12.5mm深单焊道焊缝的铝合金），由于搅拌摩擦焊接仅仅是靠焊头旋转并移动，逐步实现整条焊缝的焊接，所以比熔化焊甚至常规焊更节省能源。
并且在焊接和焊接过程中对环境的污染小，焊前工件必须进行严格的表面清理准备，焊接过程中的摩擦和搅拌可以去除焊件表面的氧化膜，焊接过程中也无烟尘和飞溅。
还可以在存在磁场的条件下进行焊接，并适合自动化焊接[6]。
4.适用范围广
由于搅拌摩擦焊消除了熔化焊所形成的裂纹，如液化裂纹或结晶裂纹，因此，可以焊接热裂纹敏感的材料；通过对挤压型材进行焊接，可制成大型结构，如船板、框架、平台等；搅拌摩擦焊能实现不同材料的焊接，如铝和银的连接[7]。
搅拌摩擦焊可实现从仰焊到俯焊的各种位置的焊接，并可实现多种形式焊接接头，如对接、角接、搭接接头，甚至厚度变化的结构和多层材料的连接。
1.3铝合金的搅拌摩擦焊接现状及发展
自1991年搅拌摩擦焊技术发明以来，已经在航空航天铁道车辆造船和汽车等制造领域显示出强劲的创新活力和广阔的应用前景，得到了广泛的工程应用。
特别是针对铝合金的搅拌摩擦焊接得到了比较深入的发展，如应用于航空、航天领域的2000系列、5000系列和7000系列高强铝合金，也可以利用这种先进的焊接方法得到高质量的连接。
目前针对轻质合金如铝合金搅拌摩擦焊接的工艺参数[8]与焊接质量控制方面已有一定的
结果，如对旋转频率、焊接速度、压入量、搅拌头倾斜角等参数的研究，在很大程度上已应用于指导焊接生产。
另外针对铝合金搅拌摩擦焊接，其焊头的设计也已成为搅拌摩擦焊接的一大热点。
目前，我国的搅拌头材料主要有三种：
GH4169高温合金、H13热作模具钢及硬质合金。
而针对搅拌头的形状设计也取得了相应的成就，如英国焊接研究所的WhorlTools搅拌头，马歇尔空间飞行中心设计的可伸缩式搅拌头，该搅拌头的产生避免了“匙孔”缺陷的出现。
另外在冷却技术方面也取得了一定的成果。
在中国，北京航空制造工程研究所和英国TWI的搅拌试探焊技术合作中心――中国搅拌摩擦焊中心在搅拌摩擦焊的基础方法研究，材料应用研究、开发，搅拌摩擦焊设备的设计、制造和销售等方面，都取得很大的进展。
目前，中心正在针对搅拌摩擦焊在航天火箭筒体制造，航空飞机框架、蒙皮和结构间的搅拌摩擦焊制造，船舶轻合金制造以及高速列车的铝合金型材的快速制造等方面正在展开全面的研究和工和总装课题的同时，还加强了和企业、大学的横向联系及技术合作。
在搅拌摩擦焊设备的制造方面已经设计出3大类6类种形式的搅拌摩擦焊设备，并且在2003年3月为哈尔滨工业大学和华东船舶工业院制造交付了2台专业化的搅拌摩擦焊设备。
另外，波音公司与英国焊接研究所合作，成功利用搅拌摩擦焊技术解决了航天产品制造工程中的材料连接问题。
中间舱段连接采用搅拌摩擦焊接技术的地尔它型火箭于1999年8月17号成功发射。
此外，2001年4月7号，该型火箭又成功搭载发射了火星探测器，该探测器也是搅拌摩擦焊接技术首次应用于压力容器。
助推舱段焊接接头提高了30%～50%，制造横本下降了60%，制造周期由23天减少至6天，除应用于德尔它型火箭外，波音公司还开展了将搅拌摩擦焊技术另一型的火箭燃料储箱制造的工作，并取得了良好的成果。
欧洲的Fokker公司将搅拌摩擦焊接技术用于阿里安5发动机主承力框的制造，主承力框的材料7075-T7351铝合金，主体结构由12块整体加工的带翼状加强的平板连接而成，结构制造过程中用搅拌摩擦焊接技术代替了螺栓连接，为零件之间的连接和装配提供了较大的裕度，同时减轻了结构质量，提高了生效率。
洛马公司制造航天飞机外储箱的工厂历来重视和利用新型焊接方法来提高产品质量。
目前这些厂家采用搅拌摩擦焊接方法，利用现有的工装设备，成功焊接了2195-T7铝锂合金材料制造成的航天飞机外储箱。
目前搅拌摩擦焊接技术在汽车制造业中的应用主要是用于某些零件的制造，如轮毂、铝合金挤压型材、拼焊板材和泡沫铝材底盘零件等的制造。
日本的ShowaDenko公司采用该工艺制造悬臂梁，其优点是由于搅拌摩擦焊接技术的热输入量小，所以在焊接之前可以进行硫化处理，并且焊接材料在焊后变形小，焊接质量好。
搅拌摩擦焊接工艺可以取代电阻点焊和铆接而广泛应用于航空、航天、造船、汽车和铁路等工业领域。
随着焊接技术的发展和焊接设备的开发，可以应用搅拌摩擦焊的材料会越来越多，且其接头具有高质量、缺陷少。
第二章实验方法
2.1实验材料及设备
2.1.1实验设备
HV—50A型维氏硬度计、MCH-32型搅拌摩擦焊机、PG-2C型金相试样抛光机、双目倒置光学金相显微镜（XJP—200）、计算机。
2.1.2实验材料
7075铝合金（厚6mm）、砂纸、抛光液（Al2O3悬浊液）、腐蚀液，其中7075铝合金的化学成分如表1所示。
腐蚀液的成分如表2所示。
表1.7075铝合金化学成分
Cu
Mn
Fe
Ti
Mg
Zn
Si
Cr
Al
1.2~2.0
0.30
0.50
0.20
2.1~2.9
5.1~6.1
0.40
0.18~0.28
余量
表2.腐蚀液成分
成分
HF
HCl
HNO3
H2O
百分比（%）
2
6
4
88
2.2实验方案
2.2.1焊接参数
搅拌头的旋转速度和焊接速度是影响焊接接头组织和力学性能的主要因素，制定了本次试验的焊接参数[9]，见下表4所示。
其中焊机的搅拌针长：
6.0mm。
搅拌头材料为高速钢。
表3.焊接参数
编号
转速（r/min）
焊速（mm/min）
1
800
50
2
800
75
4
800
100
2.2.2实验方法
实验是将铝合金板材按规定尺寸加工好，并将板材划分为四个区域（将在一块板材上焊接四条焊缝，1、2、3、4分别对应四条焊缝）。
焊接前采用专用夹具将板材夹紧，以保证焊接过程顺利进行。
焊接完成后对不同焊接参数的焊缝进行观察分析，并整理结果。
2.3金相实验
2.3.1金相试样的制备
1、取样：
选取其中的一条焊缝，并用锯条从从中取下适当的一节（打磨金相时方便捏拿即可）。
取样时应注意观察面不发生组织变化。
2、磨光：
用砂轮进行初次磨平（也可以用钢锉锉平），此过程为粗磨，这个过程应该注意试样过热引起组织的变化，一般用水进行适当的冷却。
另外，为防止试样的菱角刮坏砂纸，应将其磨掉。
砂纸的牌号为：
240#、400#、600#、800#、1000#、金相砂纸W1，在打磨时将砂纸放置在玻璃板上，用力均匀地按同一方向推进，使磨痕方向一致，更换下一道砂纸时磨痕方向应与原方向垂直，直到上一道磨痕消失为止。
3、抛光：
试样磨好后先用水冲洗干净（防止沙粒或者金属屑带入抛光盘中），然后进行粗抛光，在抛光盘上放置好帆布并撒上抛光剂（2%的Al2O3的悬浊液），打开开关，将试样的观察面平整地压在旋转的抛光盘上，直到原来的砂纸磨痕全部被抛掉为止，抛光过程中要不断地加入悬浊液（有冷却和磨削的作用）。
最后进行细抛光，方法相同，只需将抛光剂变为水即可。
4、腐蚀:
腐蚀之前先用水和酒精将抛光后的试样洗干净，然后进行腐蚀。
将试样的观察面浸入配置好的腐蚀液中，大约50s即可。
2.3.2金相组织显微摄影
图2.接头金相组织，其中A为焊核区，B为热机影响区
第三章实验结果分析
3.1搅拌摩擦焊焊缝宏观横截面分析
图3.焊缝横截面宏观分析
上图为搅拌摩擦焊的焊接接头的横截面的宏观形貌，从图中可以清晰的看到截面的三个区域，标记为：
A、B、C。
这是搅拌摩擦焊的典型接头形式，其中，A为焊核区（WN），该区材料发生了剧烈的变形，晶粒远小于母材区域；B区为热机影响区（TMAZ）,材料在该区也有变形迹象，但由于搅拌头的作用，左右两边流线方向有所不同，A、B两区的总宽度与搅拌头的轴肩直径基本相同，晶粒的细化没有A区明显；C区为热影响区（HAZ）与母材组织。
从图中可以看出，A、B、C有明显的分界。
截面的几个组织区域的金相组织如图4及图5所示。
图4此为A区域：
焊核区图5此为B区域热机影响区
3.2焊缝组织微观分析
1.A为焊核区，位于焊接接头的中心，该区由于受到搅拌针的强烈搅拌作用，经历了较高温度的热循环，组织发生动态再结晶[10]由母材原始的板条状组织变为细小的等轴再结晶组织。
搅拌过程中，搅拌针不仅旋转产生热，使母材达到塑性状态，而且沿焊接方向有一个相对运动，塑性材料在搅拌针的机械作用下发生塑性流动，但其流动的速度和方向随时间和位置的变化而不要断改变，塑性材料之间存在速度梯度[11]因此搅拌针周围的塑性材料不是静态地达到塑性变形，而是一个动态随机变化的过程。
当然对于不同焊接参数，焊核区的形态也是不同的。
该区晶粒的尺寸和数量取决于焊接接头的热量和搅拌力，即搅拌头的旋转速度和焊接速度。
2.B为热机影响区，在焊接过程中该区同时受到搅拌针的机械搅拌和焊接热循环的双重作用，但是由于在位置上该区距离搅拌针较远，受到的搅拌针的作用远小于焊核区，因此这部分材料发生了较大程度的弯曲变形，并且局部区域在热循环作用下发生回复作用，在板条状组织内形成了回复晶粒组织。
3.C为热影响区，该区在焊接过程中仅仅受到热循环作用，不发生变形，经受的焊接热作用也比焊核区弱，仅仅发生回复反应。
相对于母材，该区组织稍微有粗化现象。
3.3搅拌摩擦焊焊接接头缺陷分析
3.3.1内部缺陷
1.孔洞缺陷的分析
图6.孔洞
（1）此孔洞为虫型孔洞，又称隧道[12]型缺陷。
一般位于搅拌针与基体金属接触处，属于体积型缺陷。
形成位置一般都处于前进侧焊核区与热机影响区的交界处。
（2）产生的原因：
工艺参数选择不当（焊接速度过小或者过大时，热输入不足，从而使塑性状态的体积减少）；当搅拌摩擦焊接过程中搅拌头转速和焊接速度过大时，会造成材料的异常搅动，导致该缺陷的产生；另外当搅拌头的倾角较小时（小于1.5度），焊核区也可能产生该缺陷。
（3）严格控制焊接装配，优化搅拌头，注意焊接参数的选择。
2.弱结合缺陷
（1）在焊缝根部塑性变形区域产生的被连接材料间紧密接触但未形成有效结合的焊接缺陷，一般发生在焊缝根部，类似于微观裂纹。
常伴随着未焊透相互存在。
（2）原因：
搅拌针长度尺寸与板材厚度不匹配，搅拌头下压量不足及搅拌头和焊缝不对中等。
这些因素导致根部金属力和热的传导不充分，使得焊缝根部发生塑性变形而未实现有效的物理结合。
（3）防止：
使搅拌针的长度与板材厚度匹配，控制好搅拌头的压入量，并控制好搅拌头和焊缝的偏移量。
3.3.2外部缺陷
1.飞边缺陷
图7.飞边
（1）焊后残留在接头正面沿焊缝一侧或两侧翻卷的金属，称之为飞边[13]缺陷。
不会影响接头的力学性能，但是不利于焊缝美观。
（2）产生原因：
搅拌头压入量过大、焊缝错边（板材厚度不一）均会造成该缺陷。
（3）措施：
确保板材的厚度基本一致，确保搅拌针的长度与待焊工件的厚度匹配，并且正确控制搅拌头的下压量。
2、表面犁沟
图.8.表面犁沟
（1）内部孔洞型缺陷延伸到焊缝正面形成的犁沟状缺陷，一般位于焊缝前进侧，会严重影响接头的性能。
（2）产生原因：
热输入量严重不足及材料流动严重不充分所致。
（3）措施：
选择合适的搅拌头，选择合适的焊接参数。
3.匙孔
图9.匙孔
（1）搅拌针抽出后未得到母材金属的填充而在焊缝尾端形成的孔洞。
其是搅拌摩擦焊接后留在焊件中的物理孔洞，是有搅拌摩擦焊接过程的固有特征所决定的。
（2）产生原因：
焊接结束后搅拌头抽出而材料无法得到补充所致。
（3）措施：
采用引出板、采用可伸缩式搅拌头。
4.毛刺
图.10.毛刺
（1）.焊缝表面有粗糙的纹路，鱼鳞状纹路不清晰，有毛刺感。
（2）.产生原因：
材料的粘度较高、材料表面没有处理好（表面预处理效果不好）、焊接参数选择不当。
（3）.措施：
控制原材料的质量、正确进行材料表面的预处理、选择适当的焊接参数。
3.4材料显微硬度的变化（横轴为测点距焊缝中心的距离：
mm）
图11.焊后硬度变化
分析：
显微硬度值分布趋势沿焊缝中心对称，呈现W型，但是硬度值不对称，这是由于在焊接过程中，搅拌头的搅拌针旋入侧和旋出侧的材料变化不一致所致。
焊缝两侧材料的塑性流动属于非稳定流场[14]在搅拌头焊针的旋入侧，塞积现象严重，组织致密，晶粒变形较大，畸变能增加，加工硬化[15]象较搅拌针旋出侧显著。
当然这并没有孔洞部位的硬度测量值。
从图中可以看出接头存在一个硬度降低的软化区域，该区域由焊缝（包括焊核区和两个热机影响区）和两个热影响区组成，一般来说，接头的断裂位置都在前进侧焊核区与热机影响区的交界处，或者在其附近。
实际上这种断裂是有由焊核区和热机影响区内部的组织明显的差异造成的。
焊核区是由细小等轴再结晶晶粒组成，而热机影响区是由粗糙的发生回复的变形晶粒组成，这就导致交界处成为力学性能的薄弱区，从而出现以上图中的趋势。
第四章实验结论
通过对实验结果的分析我们得出了以下的结论：
1、搅拌摩擦焊接头的显微硬度值分布趋势沿焊缝中心两侧基本对称，呈现W形式。
2、7075铝合金的搅拌摩擦焊的接头组织为典型的搅拌摩擦焊的焊接组织，分为焊核区、
热机影响区、热影响区和母材。
其中焊核区为细小的等轴晶组织，母材组织中的强化相在此区域消失。
3、当转速为800r/min、焊接速度为75mm/min时所得的组织基本没有缺陷。
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