董鹏军开题提纲

搅拌摩擦焊搭接接头界面迁移行为的研究

课题的研究目的：改变搅拌头的形状，如搅拌针表面螺纹旋向和搅拌针直径，观察搭接界面的迁移行为及变化规律，为搅拌头的设计提供理论指导；改变搅拌头的旋转速度或焊接速度，观察其对搭接界面迁移的影响规律，为选择工艺参数提供理论指导。

一、选题的依据及意义

本部分内容要说明课题的研究背景，为什么要研究本课题，通过研究本课题得到的结论有什么价值和意义。其主要内容应包括以下几点：

1）简单介绍搅拌摩擦焊基本原理及其特点；

搅拌摩擦焊是由英国焊接研究所于 1 9 9 1年开发出来的一种新型固相连接技术。其一经出现，就在焊接领域引起极大的震动，被认为是自激光焊接工艺问世以来最引人注目和最具潜力的连接技术。

1、搅拌摩擦焊接的工作原理

搅拌摩擦焊是连续的焊接技术。在焊接过程中，被焊接的材料固定在平台上以防止沿接缝方向和与之垂直方向位移。搅拌焊工具是一个可部分插入接缝中间的特殊形状的旋转工具。通过摩擦使金属加热，在其周围形成足够的可塑性金属。随着旋转工具沿接头的直线运动，可塑性金属被挤压到旋转焊针的尾部，与此同时施加的锻造力将变形金属压实，形成固相焊缝。其焊接原理如图1 所示。由于搅拌摩擦焊属固相连接，它克服了熔化焊时的诸多缺陷 ( 如裂纹．气孔及金属材料的烧损等) ．焊接时无烟尘和飞溅。被称之为绿色焊接工艺，同时和传统摩擦焊相比其突出特点为：

( 1 ) 将工件的旋转运动改为直线运动；

( 2 ) 将小面积工件的对接改为大面积板的对接；

( 3 ) 将分别利用摩擦热和塑性变形热改为同时利用；

2）总结搅拌摩擦焊搭接焊缝界面成形的研究现状及目前存在的不足，主要是搅拌头形状和工艺参数对界面迁移的影响。说明为什么要研究本课题；

3）做本课题的研究有什么价值及意义。

二、国内外研究概况与发展趋势

2.1搅拌摩擦焊搭接焊缝成形及界面迁移的研究

2.2搅拌头形状对搅拌摩擦焊搭接接头界面迁移行为的影响

国内外关于搅拌摩擦焊搭接的研究中，所使用的搅拌头，及其对搭接界面成形的影响。尤其是圆柱搅拌针表面带有螺纹的搅拌头对搭接界面成形的影响。

搅拌焊工具是搅拌摩擦焊技术的核心，搅拌焊工具研制的进展情况决定了搅拌摩擦焊的应用范围。搅拌焊针的材料决定了搅拌焊工具的强度和使用寿命。搅拌焊针的形状决定了塑化金属受热、塑性流动和被顶锻的方式；搅拌焊针的尺寸决定了焊缝尺寸。被焊材料及厚度不同时，应选用不同材料及结构的焊接工具，为了进一步扩大搅拌摩擦焊技术的应用范围，针对不同被焊材料研制具有足够热强度和耐磨性的搅拌焊焊针至关重要。

2.2.1 轴肩研究现状

轴肩在焊接过程中主要起两种作用：①通过与工件表面间的摩擦，提供焊接热源；②提供一个封闭的焊接环境，以阻止高塑性软化材料从轴肩溢出常见的几种轴肩形貌如图l所示，它们都是在搅拌针和轴肩的交界处中间凹人。在焊接过程中，这种设计形式可保证轴肩端部下方的软化材料受到向内方向的力的作用，执而有利于将轴肩端部下方形成的软化材料收集到轴肩端面的中心以添充搅拌针后方昕形成的空腔，同时，可减少焊接过程中搅拌头内部的应力集中而保护搅拌针对于特定的焊接材料，为了获得最佳的焊接效果，必须设计出与之相适应的特殊的轴肩几何形状

2.2.2 搅拌针研究现状

搅拌针在焊接过程中不仅通过与接合面间的摩擦来提供热输入，更重要的是起到机械搅拌作用，因而搅拌针的形貌和几何尺寸影响着塑性软化材料的流动形式和被切削材料的体积，进而影响接头的力学性能正是由于搅拌针在焊接过程中所发挥的复杂而重要的作用，人们对搅拌摩擦焊的研究越来越深入，设计出了多种形式的搅拌针。以适应各种焊接状态。

2.3焊接工艺参数对搅拌摩擦焊搭接接头界面迁移行为的影响

2.3.1温度对搅拌摩擦焊搭接接头界面迁移行为

搅拌摩擦焊技术的基础上,重点分析了搅拌摩擦焊的工艺规范对温度的影响。搅拌摩擦焊的搅拌工艺规范对焊接不同区域的温度有较大的影响。影响温度的大小和分布的因素较多,如搅拌头的形状、轴肩压力、转速和焊接速度等。在本试验中,我们通过记录仪注意到:当搅拌头的轴肩压力增大时,同一点

的温度相对而言有一定的上升;温度的分布仍然是剪切边比流动边高。同样,当其他工艺规范相同的情况下,搅拌头的转速愈低,温度有所降低。温度过高或过低都会对搅拌摩擦焊金属的塑性流动有直接的影响;因此可以认为,搅拌摩擦焊过程的温度直接决定搅拌摩擦焊质量的高低。

2.3.2焊接工艺参数对FSW搭接界面迁移行为的影响

三、研究内容

1．搅拌针形状对搭接界面成形的影响

1）通过改变搅拌针表面螺纹的旋向；

2）通过改变搅拌针直径。

2．焊接工艺参数对搭接界面变形程度的影响

改变搅拌头的旋转速度和焊接速度，单位长度焊缝中塑化金属的轴向迁移量变化。

3．搭接接头焊缝中界面迁移机制的研究

采用铝合金薄板与铝箔沿水平方向多层叠加成复合板的方法，通过观察焊缝中塑化金属在板厚方向上的流动特征，并结合以上试验结果，总结搭接焊缝中界面迁移机制。

四实验方案

4.1试验材料及设备

试验采用厚度为3mm的L Y12-CZ高强铝合金在X53K型立式铣床改装的搅拌摩擦焊机及自制的夹具上进行搅拌摩擦焊搭接试验。选用1mm、2mm厚的L Y12-CZ铝合金和0.02mm厚的铝箔进行叠层标识材料试验。试验选用6种搅拌头进行焊接试验，搅拌头形状及其尺寸见表4-1。

表4-1搅拌头形状

搅拌头轴肩直径D(mm) 搅拌针直径M(mm) 搅拌针长度L(mm) 旋向螺距P(mm)

a

15 3

3.3 右

0.5

b 4 0.7

c 5 0.8

d 6 1.0

e 15 5 3.3 左0.8

f

24 8 7 右

1.25

g 左