搅拌摩擦焊

前进侧
后退侧
焊核区
热影响区与热机影响区结合部位
铝合金FSW焊核区晶粒尺寸
material
Plate thickness (mm)
Tool geometry
Rotation rate (rpm)
7075-T6[45] 6061-T6[46] Al-Li-Cu[40] 7075-T651[47] 6063-T4, T5[48] 6013-T4, T6[41] 1100Al[49]
(b)
➢(4) 焊核区（nugget zone，简称NZ）：高温和剧烈的机械变形的双重 作用，这个区域组织一般由细小等轴晶粒构成。 ➢Advancing代表前进侧，此区域搅拌头在焊缝方向的切线速度与搅拌 头行进方向相同；Retreating代表后退侧，此区域搅拌头在焊缝方向的 切线速度与搅拌头行进方向相反。
第九章 搅拌摩擦焊
➢1991年，英国的焊接研究所（The welding institute，简称TWI） 发明搅拌摩擦焊技术（Friction stir welding，简称FSW）。 ➢FSW是一项创新的固态连接技术，最初用于铝合金，现在应用已 经扩展到铜、镁合金、钛合金、钢铁等其他金属以及异种材料之间 的焊接。
Base metal UTS MPa 544.7
479-483 483-493
475.8 593.0 285-298 319-324
545-558
472.3 332 158 385 216 478 394-398 480
FSW UTS MPa 362.0
326-338 410-434
310.3 406.8 271-344 217-252
200
190
180
170
160
150
140
130
120
110
100
-15
-10
1mm from the top 4mm from the top 2.5mm from the top
-5
0
5
10
15
20
与焊缝中心距离/mm
摩擦搅拌焊缝的硬度分布曲线
➢接头硬度曲线呈搅拌摩擦焊典型的W型。 ➢大致可区分焊缝横截面的各个典型区域。从基材到热影响区， 显微硬度下降，达到一个极小值后，随着靠近热机影响区至焊核 区，显微硬度又上升至某一极大值。
4. 搅拌摩擦焊焊缝组织：
➢ （1）基材区（BM）：组织既无机械变形也未经受热作用； ➢ （2）热影响区（heat affected zone，HAZ）：受热循环的影响，微观
组织和力学性能发生了变化，但没有发生塑性变形；
➢ （3）热机影响区(thermo-mechanically affected zone，简称TMAZ)：经 受了机械变形和热循环的双重作用，微观结构发生了较大的变化；
➢ 与传统的熔化焊方法相比，搅拌摩擦焊接头不会产生与熔化有关的如 裂纹、气孔及合金元素的烧损等焊接缺陷； ➢ 焊接过程中不需要填充材料和保护气体，使得以往通过传统熔焊方法 无法实现焊接的材料通过搅拌摩擦焊技术得以实现连接； ➢ 焊接前无须进行复杂的预处理，焊接后残余应力和变形小； ➢ 焊接时无弧光辐射、烟尘和飞溅，噪音低。 搅拌摩擦焊是一种经济、高效、高质量的“绿色”焊接技术。
5454[50] 5083-O[51]
2017-T6 2095[52] Al-Cu-Mg-Ag-T6[53] 2024-T351[54] 7050-T651[55] Al-4Mg-1Zr[56] 7475[57]
6.35
—
—
6.3
Cylindrical
300-1000
7.6
Baidu Nhomakorabea
—
—
6.35
Threaded,cylindrical 350, 400
427-441
455.1 247 118 325 155 425-441 295-322 379
1. 搅拌摩擦焊焊接过程
➢ 首先将焊件牢牢地固定在工作 平台上; ➢ 搅拌焊头高速旋转并将搅拌焊 针插入焊件的接缝处，直至搅拌 焊头的肩部与焊件表面紧密接触； ➢ 搅拌焊针高速旋转与其周围母 材摩擦产生的热量和搅拌焊头的 肩部与焊件表面摩擦产生的热量 共同作用，使接缝处材料温度升 高而软化。
搅拌摩擦焊接过程示意图
➢ 同时，搅拌焊头边旋转边沿着接缝与焊件作相对运动，搅拌焊头前面的材料 发生强烈的塑性变形。随着搅拌焊头向前移动，前沿高度塑性变形的材料被挤 压到搅拌焊头的背后。在搅拌头轴肩与焊件表层摩擦产热和锻压共同作用下， 形成致密的固相连接接头。
接头形式：多层对接、多层搭接、T形接头、v形接头和角接等
2. 优点：
3. 局限性：
➢ 需要施加足够大的顶锻力和向前驱动力，同时需要由刚性的装置牢 固地夹持待焊工件。
➢ 由于搅拌头的回抽，焊缝末尾会存在“匙孔”，焊接时需要增加 “引焊板”和“出焊板”。
➢ 与弧焊相比，FSW缺乏相对的工艺适用性，对工装设备 要求较高，难以应用于复杂焊缝的焊接。 ➢ 出现焊接缺陷时，需要固相焊接方法进行补焊。
4.0
—
360
4.0
—
1400
6.0
Cylindrical
400
6.0
—
—
6.0
—
—
3.0
Threaded, cylindrical 1250
1.6
—
1000
4.0
—
850
6.0
—
—
6.35
—
350
10
Threaded, cylindrical 350
6.35
—
—
Traverse speed
(mm/min)
5. 搅拌摩擦焊接头性能 表1-3 铝合金的搅拌摩擦焊焊接系数比较
Alloy AFX458-T8 2014-T651 (6mm) 2024-T351 (5mm) 2219-T87
2195-T8 5083-O (6-15mm) 6061-T6 (5mm)
7050-T7451 (6.4mm)
7075-T651 6056-T78 (6mm) 5005-H14 (3mm0 7020-T6 (5mm) 6063-T5 (4mm) 2024-T3 (4mm) 6013-T6 (4mm) 2519-T87 (25.4mm)
127 90-150
— 102, 152 800-2450 400-500
60 — — 60 75 75 80 15 102 —
Grain size (μm)
2-4 10 9 3.8, 7.5 5.9-17.8 10-15 4 6 4 9-10 1.6 5 2-3 1-4 1.5 2.2
维氏硬度/HV