異種材料攪拌摩擦焊技術(shù)研究進(jìn)展

異種材料攪拌摩擦焊技術(shù)研究進(jìn)展

為降低質(zhì)量、節(jié)約資源、降低成本、滿足不同的使用條件，近年來，出于不同的角度使用不同材料的連接及其連接結(jié)構(gòu)的安全長(zhǎng)期應(yīng)用越來越受到相關(guān)行業(yè)的重視。目前連接異種材料的常用方法主要有鉚接和焊接等。鉚接結(jié)構(gòu)存在質(zhì)量大、制造工藝復(fù)雜、密性差等缺點(diǎn),其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度一般不如焊接。傳統(tǒng)焊接方法主要包括熔-釬焊、慣性摩擦焊、爆炸焊等。利用熔-釬焊方法焊接時(shí),由于不同材料的性能差異很大,且在焊接過渡區(qū)極易形成多種脆性金屬間化合物,很難獲得高質(zhì)量的焊接接頭。采用慣性摩擦焊方法焊接時(shí),只能焊接軸類規(guī)格的零部件。爆炸焊成本高、工藝難度高,只適用于制備復(fù)合板,不適用于平板材料的對(duì)接和搭接等。攪拌摩擦焊(FrictionStirWelding,簡(jiǎn)稱FSW)是由英國(guó)焊接研究所(TheWeldingInstitute,簡(jiǎn)稱TWI)于1991年研究發(fā)明的一種先進(jìn)的新型固相連接技術(shù),具有高效低耗、焊接溫度低于母材熔點(diǎn)、接頭殘余應(yīng)力小、焊接工件變形小、環(huán)境友好等特點(diǎn)。與傳統(tǒng)焊接方法相比,攪拌摩擦焊對(duì)材料的適應(yīng)性更強(qiáng),基本不受材料的物理化學(xué)性能、力學(xué)特性及晶體結(jié)構(gòu)等因素的影響,對(duì)克服不同材料間性能差異帶來的焊接困難具有極大的優(yōu)勢(shì),因此攪拌摩擦焊焊接異種材料是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。經(jīng)過20多年的發(fā)展,攪拌摩擦焊已從技術(shù)研究邁向高層次的工程化和工業(yè)化應(yīng)用階段,被焊材料也已從最先的鋁合金逐漸擴(kuò)展到鎂合金、鉛合金、銅合金、鋼、鈦合金、鋯合金以及復(fù)合材料等,但目前主要為同種材料之間的焊接。作者主要介紹了國(guó)內(nèi)外異種材料攪拌摩擦焊的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì),以期為我國(guó)攪拌摩擦焊行業(yè)的戰(zhàn)略規(guī)劃、技術(shù)研發(fā)及成果應(yīng)用等相關(guān)工作的開展提供一定的參考。1軸肩壓封法焊接結(jié)構(gòu)分析在攪拌摩擦焊專利許可協(xié)會(huì)的影響下,科技界與工業(yè)界已經(jīng)對(duì)該方法涉及的常用技術(shù)類術(shù)語(yǔ)進(jìn)行了定義和認(rèn)可。常用術(shù)語(yǔ)及定義,如表1所示。攪拌摩擦焊的工作原理,如圖1所示。在焊接過程中攪拌針要以一定速度旋轉(zhuǎn)著插入被焊材料的結(jié)合界面處,承受一定的向下壓力且旋轉(zhuǎn)著的攪拌頭與工件之間的摩擦熱使攪拌頭前進(jìn)方向上的材料發(fā)生強(qiáng)烈塑性變形。軸肩不但可以和焊接材料表面相互摩擦產(chǎn)生摩擦熱,而且還可以防止攪拌頭在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)將塑化的母材從焊縫區(qū)噴射出去,同時(shí)可以起到清除被焊材料表面氧化膜的作用。隨著攪拌頭的移動(dòng),高度塑性變形的材料流向攪拌頭的背后,攪拌頭后方的材料冷卻后就形成固態(tài)焊縫。攪拌摩擦焊的主要接頭形式,如圖2所示。2目前，異材料混凝土結(jié)構(gòu)的研究2.1fsw工藝參數(shù)對(duì)接頭成形的影響Lee等通過FSW方法進(jìn)行了鋁合金A356和AA6061的對(duì)接試驗(yàn)。對(duì)接接頭的分析結(jié)果表明,與同種鋁合金FSW接頭中洋蔥瓣?duì)罱M織一般位于接頭中部相比,A356-AA6061FSW接頭焊核雖然也存在兩種材料相互層疊形成的洋蔥瓣?duì)罱M織,但是偏向后向邊一側(cè)。對(duì)接接頭的抗拉強(qiáng)度與A356母材強(qiáng)度基本一致,與焊接工藝參數(shù)無(wú)關(guān),但接頭焊縫抗拉強(qiáng)度與A356和AA6061鋁合金的放置位置有關(guān)。當(dāng)AA6061鋁合金放在后向邊時(shí),接頭焊縫的抗拉強(qiáng)度普遍高于其放在前向邊。究其原因發(fā)現(xiàn),焊核大部分由后向邊的材料組成,使焊縫抗拉強(qiáng)度在高強(qiáng)度的AA6061鋁合金放置在后向邊時(shí)較高。Ouyang等通過FSW方法焊接了鋁合金AA6061和AA2024。結(jié)果發(fā)現(xiàn),接頭組織可以分為3個(gè)區(qū):即由兩種材料的分散顆粒組成的機(jī)械混合區(qū)、由兩種合金條帶交替層疊組成的漩渦狀結(jié)構(gòu)組成的攪拌塑性流動(dòng)區(qū)和由兩種合金母材組成的未混合區(qū)。鋁合金AA6061和AA2024在接頭中未發(fā)生冶金反應(yīng),而是以機(jī)械混合物的狀態(tài)存在。研究還發(fā)現(xiàn),隨著FSW焊接速度的提高,攪拌塑性流動(dòng)區(qū)中AA6061和AA2024鋁合金的條帶寬度顯著減小,并且兩種鋁合金的機(jī)械混合程度亦趨向均勻。Wert等利用FSW技術(shù)焊接了AA2024鋁合金和20%Al2O3增強(qiáng)的AA2014鋁基復(fù)合材料。結(jié)果發(fā)現(xiàn),接頭中無(wú)漩渦狀微觀組織,但存在金屬條帶,最小厚為0.1mm。研究還發(fā)現(xiàn),焊核中存在未知成分的低熔點(diǎn)共晶組織。劉小文等利用信躁比試驗(yàn)設(shè)計(jì)和方差分析等方法研究了L6-LY12異種鋁合金FSW工藝參數(shù)對(duì)焊接接頭成形以及力學(xué)特性的影響規(guī)律。結(jié)果表明,焊接工藝參數(shù)對(duì)接頭強(qiáng)度影響的顯著性順序依次為壓力P、焊接速度w和攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度v。特別是對(duì)板材厚為5mm的L6和LY12鋁合金,其最佳的FSW工藝參數(shù):焊接壓力為2.5kN、焊接速度為37mm/min、攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為950r/min。利用該焊接工藝參數(shù)進(jìn)行FSW焊接后,接頭的抗拉強(qiáng)度可達(dá)到115MPa。張偉等研究了3A21-6063異種鋁合金FSW工藝參數(shù)對(duì)焊接接頭成形以及力學(xué)特性的影響規(guī)律。試驗(yàn)分析表明,將強(qiáng)度較高的3A21鋁合金放置于前向邊可以得到質(zhì)量較好的接頭,并且隨攪拌頭轉(zhuǎn)速的提高,焊縫區(qū)域6063側(cè)硬度出現(xiàn)下降趨勢(shì)。袁亮亮等研究了5A06-6063異種鋁合金相對(duì)位置對(duì)攪拌摩擦焊接頭組織及性能的影響。結(jié)果表明,當(dāng)6063鋁合金固定在前向邊時(shí),母材流動(dòng)充分、混合均勻,接頭質(zhì)量?jī)?yōu)良;前向邊熱影響區(qū)晶粒比其固定在后向邊相應(yīng)位置的晶粒更細(xì),焊核區(qū)發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過程,形成細(xì)小等軸的晶粒;接頭硬度分布規(guī)律呈“W”型,但焊核區(qū)和熱影響區(qū)的硬度比其置于后向邊的硬度波動(dòng)要小,并且前向邊熱影響區(qū)最低硬度值也更高;接頭抗拉強(qiáng)度比5A06鋁合金在前向邊時(shí)要高,斷口微觀形貌呈韌窩狀。2.2全金創(chuàng)新方法在fsw焊接Sato等對(duì)6mm厚的AA1050鋁合金和AZ31鎂合金進(jìn)行了FSW焊接試驗(yàn),試驗(yàn)得到的接頭組織呈混亂的漩渦狀結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步的組織觀察結(jié)果表明,焊核中心彌散分布著大量顆粒狀金屬間化合物Al12Mg17,使焊核中心硬度顯著高于兩種母合金。此外,焊接時(shí)的高溫和高度塑性變形可快速促進(jìn)焊核處鋁和鎂原子間的相互擴(kuò)散速率。當(dāng)焊接溫度在一定時(shí)間范圍內(nèi)持續(xù)保持在437℃以上時(shí),部分母材將發(fā)生熔化,且在冷卻過程中通過共晶反應(yīng)(Liquid→Al12Mg17+Mg)生成金屬間化合物Al12Mg17。Chen等通過FSW對(duì)AC4C鋁合金和AZ3l鎂合金薄板進(jìn)行了搭接焊試驗(yàn)。結(jié)果表明,當(dāng)AZ3l鎂合金在底部且攪拌頭不接觸其表面時(shí),通過搭接方式對(duì)AC4C鋁合金和AZ3l鎂合金薄板進(jìn)行FSW焊接是可行的。兩薄板可通過界面反應(yīng)生成的金屬間化合物Al12Mg17,Al3Mg2以及Mg2Si進(jìn)行有效連接。進(jìn)一步深入分析還可知,采用較低的焊接速度對(duì)AC4C鋁合金和AZ3l鎂合金薄板進(jìn)行FSW焊接后能夠得到具有優(yōu)良力學(xué)特性的搭接接頭。Mclean等對(duì)5083鋁合金和AZ31鎂合金進(jìn)行了FSW焊接。結(jié)果表明,其接頭焊縫的延展性極差,幾乎為零。組織觀察結(jié)果以及X線分析結(jié)構(gòu)表明,接頭焊縫中存在一個(gè)貫穿整個(gè)攪拌區(qū)的極薄界面層,其化學(xué)成分與兩母材均不相同,為Al12Mg17化合物。該界面層與5083鋁合金之間的結(jié)合狀態(tài)極差,在相對(duì)較輕的金相拋光過程中,結(jié)合面會(huì)出現(xiàn)明顯裂紋。李志遠(yuǎn)采用FSW方法焊接了純鋁L2和MB2鎂合金。結(jié)果表明,當(dāng)攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為315r/min且攪拌針不正對(duì)接縫而偏向MB2鎂合金一側(cè)時(shí),接頭焊縫外觀成形相對(duì)較好;當(dāng)攪拌針偏向純鋁L2一側(cè)時(shí),在焊接速度低于30mm/min的工藝參數(shù)下也可得到成形較好的接頭焊縫;當(dāng)攪拌針正對(duì)接縫或攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度較高時(shí),焊縫開裂的傾向性很高,原因是FSW接頭中存在β-Al3Mg2和γ-Al12Mg17等脆性金屬間化合物。2.3fsw接頭焊接試驗(yàn)Ouyang等利用FSW對(duì)6061鋁合金和純銅進(jìn)行對(duì)接焊試驗(yàn)。從接頭組織和顯微硬度的表征結(jié)果可知,焊接接頭處存在Al4Cu9、AlCu、Al2Cu等金屬間化合物。接頭的原位拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明,接頭裂紋首先在AlCu中間層形成,并逐漸增生。在焊接過程中,攪拌針?biāo)巺^(qū)域的溫度測(cè)量峰值達(dá)到580℃,超過鋁-銅間的共晶反應(yīng)溫度548.2℃,因此焊縫區(qū)極易形成鋁銅共晶合金,從而降低接頭焊縫的力學(xué)特性。Abdollah-Zadeh等通過FSW技術(shù)進(jìn)行了鋁/銅異種金屬的搭接試驗(yàn)。結(jié)果表明,接頭組織含有Al4Cu9、AlCu及Al2Cu等金屬間化合物。進(jìn)一步工藝試驗(yàn)分析表明,選用較高的攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度可以有效避免上述脆性金屬間化合物的大量形成。Elrefaey等對(duì)板材厚為2mm的工業(yè)純鋁A1100H24與1mm厚的99.96%純銅進(jìn)行FSW搭接試驗(yàn)。結(jié)果表明:當(dāng)攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為25~41.7s-1,形成的接頭抗拉強(qiáng)度優(yōu)良;當(dāng)攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)一步增加,焊接接頭會(huì)發(fā)生脆性斷裂,大量Al4Cu9、AlCu和Al2Cu等金屬間化合物的形成是其斷裂的核心原因。劉鵬等通過微觀組織觀察和XRD物相分析后發(fā)現(xiàn),所選工藝參數(shù)在攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為950r/min、焊接速度為150mm/min,得到的FSW接頭力學(xué)特性較佳,且接頭組織中不存在任何金屬間化合物?？吕杳鞯乳_展了鋁合金LF6與工業(yè)純銅T1的FSW工藝及接頭組織性能的研究。結(jié)果表明,保證焊接接頭致密性和決定組織性能的最關(guān)鍵因素是攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度與焊接速度的比值。采用合適的攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度與焊接速度可以確保實(shí)現(xiàn)鋁/銅異種金屬的有效連接,板材厚度越小,形成良好接頭焊縫的工藝參數(shù)范圍越寬。嚴(yán)鏗等對(duì)板材厚為4mm的鋁合金5A05和純銅C11000-T2進(jìn)行了FSW焊接研究。結(jié)果表明,當(dāng)焊接速度為1~3mm/s、攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為1100r/min時(shí),焊核區(qū)域形成薄層結(jié)構(gòu)且有明顯的塑性流線特征,并且焊核區(qū)和兩側(cè)的塑性轉(zhuǎn)變區(qū)的晶粒發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。進(jìn)一步分析結(jié)果還表明,鋁合金在銅側(cè)的擴(kuò)散速率比銅在鋁合金側(cè)的擴(kuò)散速率高1倍左右。王希靖研究鋁/銅異種材料的FSW焊接工藝后得出:當(dāng)銅板放置在后向邊、鋁合金板材放置在前向邊時(shí),可以實(shí)現(xiàn)鋁/銅異種金屬的有效連接。對(duì)接頭橫剖面進(jìn)行金相組織觀察后發(fā)現(xiàn),接頭焊核區(qū)域中鋁與銅相互混合,并存在少量脆性金屬間化合物(Al4Cu9、Al2Cu)。劉會(huì)杰等采用阻隔層技術(shù),解決了現(xiàn)有鋁合金和銅異種材料FSW對(duì)接焊難以成形的問題。利用添加阻隔層鋁板技術(shù),可以有效阻止鋁和銅在軸肩表面的流動(dòng)混合,既保證攪拌軸肩只與鋁板接觸,又避免攪拌軸肩鋁/銅異種材料FSW工藝所需的黏連材料問題,從而獲得高質(zhì)量的FSW接頭焊縫。張彥富等根據(jù)摩擦機(jī)理和材料塑性屈服準(zhǔn)則,結(jié)合FSW攪拌頭與被焊材料摩擦的實(shí)際工況,推導(dǎo)出FSW焊接過程中傳熱情況的計(jì)算模型。利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)LF6鋁合金和T1純銅的FSW溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果表明,在FSW焊接過程中,接頭區(qū)的最高溫度不在焊縫中心,而是在攪拌頭軸肩邊緣內(nèi)側(cè)的位置,且焊縫上部的溫度明顯高于焊縫下部。董豐波等對(duì)5A06鋁合金和T2紫銅進(jìn)行攪拌摩擦焊對(duì)接試驗(yàn)。結(jié)果表明,選用合適的焊接參數(shù),接頭的抗拉強(qiáng)度可達(dá)到母材T2紫銅的76.4%,攪拌區(qū)鋁-銅材料的混合,硬度值呈現(xiàn)波動(dòng)且在靠近富銅區(qū)硬度出現(xiàn)突增值,拉伸斷裂多發(fā)生在前向邊的熱影響區(qū)或焊核區(qū)。此外,王成國(guó)采用浸泡試驗(yàn)、剝落腐蝕試驗(yàn)、晶間腐蝕試驗(yàn)和酸性連續(xù)鹽霧試驗(yàn)對(duì)5A06鋁合金和T2紫銅攪拌摩擦焊焊縫區(qū)的腐蝕行為進(jìn)行了相關(guān)研究,為該材料在腐蝕環(huán)境下的應(yīng)用提供一定的依據(jù),也為焊接工藝的優(yōu)化提供了相關(guān)參考。2.4fsw搭接焊試驗(yàn)Toshiaki等利用FSW技術(shù)對(duì)鋁合金6063和鋼S45C進(jìn)行對(duì)接焊試驗(yàn),所得接頭的抗拉強(qiáng)度為160MPa。組織觀察以及硬度分析結(jié)果表明,接頭焊縫區(qū)域的金屬間化合物主要為Fe2Al5和FeAl3,并且該區(qū)域的硬度低于鋁合金6063。Kimapong和Watanabe等進(jìn)行了鋁合金A5083和低碳鋼SS400之間的FSW對(duì)接焊試驗(yàn)。焊后力學(xué)特性試驗(yàn)結(jié)果表明,接頭的抗拉強(qiáng)度可達(dá)到鋁合金A5083的86%左右,接頭斷裂沿鋁-鋼焊縫界面中的金屬間化合物形成區(qū)域進(jìn)行。研究結(jié)果還表明,攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度和攪拌針相對(duì)于低碳鋼SS400底板的位置對(duì)鋁-鋼接頭的質(zhì)量有重要影響。Uzun等采用FSW技術(shù)對(duì)鋁合金6013-T4和不銹鋼X5CrNi18-10進(jìn)行對(duì)接焊試驗(yàn)。焊后力學(xué)特性試驗(yàn)結(jié)果表明,所得接頭的疲勞強(qiáng)度比鋁合金母材大約低30%。Kimapong等進(jìn)行了A5083和SS400低碳鋼之間的FSW搭接焊試驗(yàn)。結(jié)果表明,增加攪拌頭的傾斜度會(huì)顯著降低接頭的剪切強(qiáng)度。這是因?yàn)镕e2Al5金屬間化合物極易在鋁-鋼接頭界面處形成;而增加攪拌針的尺寸也會(huì)導(dǎo)致接頭剪切強(qiáng)度的降低,這是由于較大直徑的攪拌針會(huì)導(dǎo)致較厚FeAl3金屬間化合物和較大氣孔在接頭界面處的大量形成。最終分析結(jié)果確定,攪拌針的最佳直徑為5mm。Ahmed等通過FSW對(duì)1100純鋁和鍍鋅低碳鋼進(jìn)行了搭接焊試驗(yàn)。結(jié)果表明,鋁合金和鍍鋅鋼板之間獲得的攪拌摩擦搭接焊接頭強(qiáng)度明顯高于鋁合金和沒有鍍鋅層的鋼板之間的接頭強(qiáng)度。當(dāng)攪拌針沒有觸到鋼底板表面時(shí),焊后接頭的抗拉強(qiáng)度很低;當(dāng)攪拌針的熔深位于鋼底板表面以下約0.1mm時(shí),所得焊后接頭的強(qiáng)度明顯提高。刑麗等也利用FSW技術(shù)開展了防銹鋁合金LF6和低碳鋼ST12的對(duì)接和搭接研究。研究發(fā)現(xiàn),接頭焊核區(qū)的硬度明顯高于母材,此外對(duì)接接頭的拉伸斷裂極易發(fā)生在偏鋼一側(cè)的焊核邊緣區(qū)域。2.5w熱壓的制作國(guó)內(nèi)外亦有研究報(bào)道表明,利用FSW技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)鋁合金-銀、銅合金-鋼、不銹鋼-鎳合金、釩合金-鋼、鈦合金-鋁合金等異種材料的成功焊接。2.6焊前母材焊接通過分析國(guó)內(nèi)外異種材料攪拌摩擦焊的研究現(xiàn)狀,可以詳細(xì)了解影響異種材料攪拌摩擦焊工藝的因素,主要包括:母材的牌號(hào)和厚度、焊前母材處理與否、焊前母材的放置位置、攪拌針的插入位置、攪拌頭施加壓力p、攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度w、焊接速度v、攪拌頭材料和形狀、工裝夾具等。盡管針對(duì)多種組合異種材料的攪拌摩擦焊焊接在國(guó)內(nèi)外都進(jìn)行了一定探索,但就技術(shù)成熟度而言,距離大型工程化應(yīng)用還有待進(jìn)一步的研究和認(rèn)證。3加強(qiáng)異種材料fsw過程的研究異種材料FSW工藝的技術(shù)難點(diǎn)主要為:界面脆性化合物層的厚度(1m以下)控制。解決異種材