異種材料攪拌摩擦焊技術(shù)研究進展

異種材料攪拌摩擦焊技術(shù)研究進展

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)的安全長期應用越來越受到相關(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、制造工藝復雜、密性差等缺點,其結(jié)構(gòu)強度一般不如焊接。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,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,只能焊接軸類規(guī)格的零部件。爆炸焊成本高、工藝難度高,只適用于制備復合板,不適用于平板材料的對接和搭接等。攪拌摩擦焊(FrictionStirWelding,簡稱FSW)是由英國焊接研究所(TheWeldingInstitute,簡稱TWI)于1991年研究發(fā)明的一種先進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、接頭殘余應力小、焊接工件變形小、環(huán)境友好等特點。與傳統(tǒng)焊接方法相比,攪拌摩擦焊對材料的適應性更強,基本不受材料的物理化學性能、力學特性及晶體結(jié)構(gòu)等因素的影響,對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,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。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)化應用階段,被焊材料也已從最先的鋁合金逐漸擴展到鎂合金、鉛合金、銅合金、鋼、鈦合金、鋯合金以及復合材料等,但目前主要為同種材料之間的焊接。作者主要介紹了國內(nèi)外異種材料攪拌摩擦焊的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢,以期為我國攪拌摩擦焊行業(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)會的影響下,科技界與工業(yè)界已經(jīng)對該方法涉及的常用技術(shù)類術(shù)語進行了定義和認可。常用術(shù)語及定義,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方向上的材料發(fā)生強烈塑性變形。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)時將塑化的母材從焊縫區(qū)噴射出去,同時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,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)對接頭成形的影響Lee等通過FSW方法進行了鋁合金A356和AA6061的對接試驗。對接接頭的分析結(jié)果表明,與同種鋁合金FSW接頭中洋蔥瓣狀組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狀組織,但是偏向后向邊一側(cè)。對接接頭的抗拉強度與A356母材強度基本一致,與焊接工藝參數(shù)無關(guān),但接頭焊縫抗拉強度與A356和AA6061鋁合金的放置位置有關(guān)。當AA6061鋁合金放在后向邊時,接頭焊縫的抗拉強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,使焊縫抗拉強度在高強度的AA6061鋁合金放置在后向邊時較高。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個區(qū):即由兩種材料的分散顆粒組成的機械混合區(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,而是以機械混合物的狀態(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增強的AA2014鋁基復合材料。結(jié)果發(fā)現(xiàn),接頭中無漩渦狀微觀組織,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共晶組織。劉小文等利用信躁比試驗設(shè)計和方差分析等方法研究了L6-LY12異種鋁合金FSW工藝參數(shù)對焊接接頭成形以及力學特性的影響規(guī)律。結(jié)果表明,焊接工藝參數(shù)對接頭強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)進行FSW焊接后,接頭的抗拉強度可達到115MPa。張偉等研究了3A21-6063異種鋁合金FSW工藝參數(shù)對焊接接頭成形以及力學特性的影響規(guī)律。試驗分析表明,將強度較高的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。袁亮亮等研究了5A06-6063異種鋁合金相對位置對攪拌摩擦焊接頭組織及性能的影響。結(jié)果表明,當6063鋁合金固定在前向邊時,母材流動充分、混合均勻,接頭質(zhì)量優(yōu)良;前向邊熱影響區(qū)晶粒比其固定在后向邊相應位置的晶粒更細,焊核區(qū)發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶過程,形成細小等軸的晶粒;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;接頭抗拉強度比5A06鋁合金在前向邊時要高,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6mm厚的AA1050鋁合金和AZ31鎂合金進行了FSW焊接試驗,試驗得到的接頭組織呈混亂的漩渦狀結(jié)構(gòu)。進一步的組織觀察結(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,焊接時的高溫和高度塑性變形可快速促進焊核處鋁和鎂原子間的相互擴散速率。當焊接溫度在一定時間范圍內(nèi)持續(xù)保持在437℃以上時,部分母材將發(fā)生熔化,且在冷卻過程中通過共晶反應(Liquid→Al12Mg17+Mg)生成金屬間化合物Al12Mg17。Chen等通過FSW對AC4C鋁合金和AZ3l鎂合金薄板進行了搭接焊試驗。結(jié)果表明,當AZ3l鎂合金在底部且攪拌頭不接觸其表面時,通過搭接方式對AC4C鋁合金和AZ3l鎂合金薄板進行FSW焊接是可行的。兩薄板可通過界面反應生成的金屬間化合物Al12Mg17,Al3Mg2以及Mg2Si進行有效連接。進一步深入分析還可知,采用較低的焊接速度對AC4C鋁合金和AZ3l鎂合金薄板進行FSW焊接后能夠得到具有優(yōu)良力學特性的搭接接頭。Mclean等對5083鋁合金和AZ31鎂合金進行了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貫穿整個攪拌區(qū)的極薄界面層,其化學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,在相對較輕的金相拋光過程中,結(jié)合面會出現(xiàn)明顯裂紋。李志遠采用FSW方法焊接了純鋁L2和MB2鎂合金。結(jié)果表明,當攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為315r/min且攪拌針不正對接縫而偏向MB2鎂合金一側(cè)時,接頭焊縫外觀成形相對較好;當攪拌針偏向純鋁L2一側(cè)時,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;當攪拌針正對接縫或攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度較高時,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Ouyang等利用FSW對6061鋁合金和純銅進行對接焊試驗。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,攪拌針所處區(qū)域的溫度測量峰值達到580℃,超過鋁-銅間的共晶反應溫度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特性。Abdollah-Zadeh等通過FSW技術(shù)進行了鋁/銅異種金屬的搭接試驗。結(jié)果表明,接頭組織含有Al4Cu9、AlCu及Al2Cu等金屬間化合物。進一步工藝試驗分析表明,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等對板材厚為2mm的工業(yè)純鋁A1100H24與1mm厚的99.96%純銅進行FSW搭接試驗。結(jié)果表明:當攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為25~41.7s-1,形成的接頭抗拉強度優(yōu)良;當攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度進一步增加,焊接接頭會發(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接頭力學特性較佳,且接頭組織中不存在任何金屬間化合物。柯黎明等開展了鋁合金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。嚴鏗等對板材厚為4mm的鋁合金5A05和純銅C11000-T2進行了FSW焊接研究。結(jié)果表明,當焊接速度為1~3mm/s、攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為1100r/min時,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)生動態(tài)再結(jié)晶。進一步分析結(jié)果還表明,鋁合金在銅側(cè)的擴散速率比銅在鋁合金側(cè)的擴散速率高1倍左右。王希靖研究鋁/銅異種材料的FSW焊接工藝后得出:當銅板放置在后向邊、鋁合金板材放置在前向邊時,可以實現(xiàn)鋁/銅異種金屬的有效連接。對接頭橫剖面進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)摩擦機理和材料塑性屈服準則,結(jié)合FSW攪拌頭與被焊材料摩擦的實際工況,推導出FSW焊接過程中傳熱情況的計算模型。利用有限元分析軟件ANSYS對LF6鋁合金和T1純銅的FSW溫度場進行數(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5A06鋁合金和T2紫銅進行攪拌摩擦焊對接試驗。結(jié)果表明,選用合適的焊接參數(shù),接頭的抗拉強度可達到母材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,王成國采用浸泡試驗、剝落腐蝕試驗、晶間腐蝕試驗和酸性連續(xù)鹽霧試驗對5A06鋁合金和T2紫銅攪拌摩擦焊焊縫區(qū)的腐蝕行為進行了相關(guān)研究,為該材料在腐蝕環(huán)境下的應用提供一定的依據(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Toshiaki等利用FSW技術(shù)對鋁合金6063和鋼S45C進行對接焊試驗,所得接頭的抗拉強度為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等進行了鋁合金A5083和低碳鋼SS400之間的FSW對接焊試驗。焊后力學特性試驗結(jié)果表明,接頭的抗拉強度可達到鋁合金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)域進行。研究結(jié)果還表明,攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度和攪拌針相對于低碳鋼SS400底板的位置對鋁-鋼接頭的質(zhì)量有重要影響。Uzun等采用FSW技術(shù)對鋁合金6013-T4和不銹鋼X5CrNi18-10進行對接焊試驗。焊后力學特性試驗結(jié)果表明,所得接頭的疲勞強度比鋁合金母材大約低30%。Kimapong等進行了A5083和SS400低碳鋼之間的FSW搭接焊試驗。結(jié)果表明,增加攪拌頭的傾斜度會顯著降低接頭的剪切強度。這是因為Fe2Al5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導致接頭剪切強度的降低,這是由于較大直徑的攪拌針會導致較厚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1100純鋁和鍍鋅低碳鋼進行了搭接焊試驗。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度明顯高于鋁合金和沒有鍍鋅層的鋼板之間的接頭強度。當攪拌針沒有觸到鋼底板表面時,焊后接頭的抗拉強度很低;當攪拌針的熔深位于鋼底板表面以下約0.1mm時,所得焊后接頭的強度明顯提高。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熱壓的制作國內(nèi)外亦有研究報道表明,利用FSW技術(shù)可實現(xiàn)對鋁合金-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內(nèi)外異種材料攪拌摩擦焊的研究現(xiàn)狀,可以詳細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。盡管針對多種組合異種材料的攪拌摩擦焊焊接在國內(nèi)外都進行了一定探索,但就技術(shù)成熟度而言,距離大型工程化應用還有待進一步的研究和認證。3加強異種材料fsw過程的研究異種材料FSW工藝的技術(shù)難點主要為:界面脆性化合物層的厚度(1m以下)控制。解決異種材