静止轴肩搅拌摩擦焊接研究进展及展望

静止轴肩搅拌摩擦焊(SSFSW)作为固相连接领域中搅拌摩擦焊接(FSW)技术的一种重要衍生方法,显著改善了FSW接头表面过热、温度梯度大以及板厚减薄等问题,在轻质合金、低热导率材料、中厚板以及角焊缝等结构焊接中具有巨大的应用潜力。综述了现阶段SSFSW的主要研究进展,涉及SSFSW过程的基本原理、成形特征、微观组织以及力学性能等,以期SSFSW技术形成系统的认知,并展望了其发展前景。     

6061-T6铝合金的静止轴肩搅拌摩擦焊工艺及组织性能

采用自主研制的静止轴肩搅拌摩擦焊工具系统成功获得了6061-T6铝合金的对接接头. 对该接头的焊缝成形、显微组织、硬度分布以及拉伸性能分别进行了试验研究. 结果表明,SSFSW工艺所得6061-T6铝合金接头具有非常美观的焊缝成形,与常规的FSW工艺相比,几乎没有出现焊缝减薄的现象;焊缝组织分区也有明显的不同,TMAZ非常窄,只有几百微米;接头的硬度呈\"W\"形分布;在转速1 000 r/min,焊速为200 mm/min时,接头的抗拉强度和断后伸长率达到最大,分别为母材的71.5%和44.6%;拉伸试样均断裂在热影响区,它是接头发生断裂的最薄弱区域.     

固定轴肩搅拌摩擦焊技术的发展(英文)

固定轴肩搅拌摩擦焊技术为金属连接提供了更多的可能性。对于这种焊接技术很多年前就有过记录和描述,但直到今天它才逐步被认知、学习和开发,并开始应用于工业生产。这种不转动的轴肩使得焊缝热剖面不同于以往,并能够焊接复杂结构件以及加焊丝。主要描述了TWI对于固定轴肩搅拌摩擦焊技术的开发及其衍生技术,同时也涉及到相关的流程需求和焊缝性能。     

旋转速度对静止轴肩搅拌摩擦焊温度场和应力场的影响

针对3 mm厚的2024-T4铝合金,采用ABAQUS软件建立静止轴肩搅拌摩擦焊热源三维模型,分析2024-T4铝合金静止轴肩搅拌摩擦焊温度场和应力场的有限元模拟,研究了恒定150 mm/min焊接速度下,旋转速度从800 mm/min到1 200 mm/min对焊接接头残余应力的影响.结果表明:常规搅拌摩擦焊焊缝横截面高温区域呈现碗状分布,而静止轴肩搅拌摩擦焊呈类似于搅拌针形貌分布.相比于常规搅拌摩擦焊,静止轴肩可以获得更窄的搅拌区宽度,并且有效降低焊缝中心的峰值温度.焊后垂直于焊缝区域的纵向残余应力呈现\"M\"形分布,随着搅拌头旋转速度的增大,两种工艺下的焊后残余应力均增大.此外,静止轴肩在焊接过程中对焊缝区域持续碾压,使得焊后试样的纵向残余应力峰值相比较于传统搅拌摩擦焊能降低45.6%.     

5A06铝合金静止轴肩搅拌摩擦焊T形接头组织与性能

采用静止轴肩搅拌摩擦焊方法实现了10 mm厚5A06铝合金T形接头的焊接. 通过低主轴转速匹配高焊接速度与高主轴转速匹配低焊接速度两组不同的焊接参数,结合拉伸试验、宏观与微观金相分析、电子背散射衍射(electron backscattered diffraction,EBSD)分析与扫描电镜(scanning electron microscope,SEM)断口分析,研究了热输入对焊接接头力学性能与组织的影响. 结果表明,在两组焊接参数下均可获得无孔洞缺陷的全焊透T形接头,焊缝表面光滑平整,几乎无减薄发生;热输入不同会改变搅拌针与周围材料的摩擦形式,引起焊缝出现弱结合缺陷,并影响接头抗拉强度; 在高主轴转速匹配低焊接速度时,焊缝中心重叠区顶部易产生弱结合缺陷,导致接头抗拉强度较低,为198 MPa,拉伸试样断裂在筋板. 在低主轴转速匹配高焊接速度时,焊缝无缺陷存在,接头抗拉强度为287 MPa, 拉伸试样断裂在底板.     

静止轴肩搅拌摩擦焊接6005铝合金的力学和疲劳性能

利用静止轴肩搅拌摩擦焊接装置对4.5 mm 6005铝合金进行了研究,为满足工程需求,焊接速度设为1 000 mm/min. 结果表明,静轴肩搅拌摩擦焊接头随转速的增加,抗拉强度先升高后降低,当转速为2 100 r/min时最高,为232 MPa,可达母材的80%;各参数接头正弯和背弯180°均无裂纹. 在应力循环频率70 Hz、正弦波形、应力比R为0.1的条件下,对2 100 r/min和1 000 mm/min参数的接头进行轴向高周疲劳测试,获得接头的S-N曲线和疲劳极限,在(1-a)置信度90%,失效概率P=5%条件下,S-N曲线的下极限为105 MPa,疲劳断裂主要位于接头的热影响区,疲劳断口分为裂纹萌生区、裂纹扩展区和瞬断区三个区域.     

搅拌头旋转频率对静止轴肩搅拌摩擦焊接头力学性能的影响规律

利用自行设计的静止轴肩装置对6005A-T6铝合金进行了静止轴肩搅拌摩擦焊的试验研究.结果表明,当焊接速度为200 mm/min时,表面光滑且无缺陷的焊接接头抗拉强度与断后伸长率随着搅拌头旋转频率的增加呈现先增加后减小的趋势;焊接接头的正背弯180°无裂纹;当旋转频率为1800 r/min时,抗拉强度达到最大值234 MPa,接头强度系数达到79%.静止轴肩搅拌摩擦焊接头的显微维氏硬度呈W形分布,最小值出现在前进侧的热影响区;接头的软化程度随搅拌头旋转频率的增加而增加.焊接接头的断裂位置位于热力影响区,断口呈韧性断裂.     

铝合金与聚合物静止轴肩辅助搅拌摩擦搭接焊接工艺研究

以PA6尼龙聚合物为上板,6061-T6铝合金为下板,采用静止轴肩辅助搅拌摩擦焊接技术进行了6061-T6铝合金与PA6尼龙聚合物的搭接,并与常规的搅拌摩擦焊工艺进行了对比分析。结果表明：与常规的搅拌摩擦焊工艺相比,静止轴肩辅助搅拌摩擦焊接技术获得的接头表面光滑,没有出现明显的弧纹及孔洞缺陷。常规搅拌摩擦焊工艺下因为材料溢出到焊缝表面,在焊缝内部产生明显的孔洞缺陷,而静止轴肩辅助搅拌摩擦焊工艺下接头内部成形良好,没有发现明显的孔洞缺陷。这是因为静止轴肩具有吸热、随焊碾压及密封作用。静止轴肩辅助搅拌摩擦焊接头的剪切拉伸性能更高。     

静止轴肩搅拌摩擦焊T型接头组织及力学行为

介绍了静止轴肩搅拌摩擦焊(SSFSW)原理,通过优化焊接工艺,实现了T型接头搅拌摩擦焊.采用金相、拉伸和探伤试验对接头进行性能检测.试验表明,当焊接旋转速度为1 400 ～2 200 r/min、焊接速度30～50 mm/min时,能够获得表面成形美观的焊接接头;着色和X射线无损检测表明,内部无明显缺陷;金相试验表明,与常规FSW相比,SSFSW具有典型的FSW微观结构组织形貌,但焊核区洋葱环呈扁平状;拉伸试验表明,SSFSW接头系数能达到母材的65％以上,断裂发生在焊接热影响区.     

焊接工艺参数对6061-T6铝合金静止轴肩搅拌摩擦焊组织及力学性能的影响

采用不同的压入量、旋转速度和焊接速度对6061-T6铝合金进行静止轴肩搅拌摩擦焊,研究了焊接工艺参数对接头组织及力学性能的影响。结果表明,所有试验参数下,焊缝表面光滑、几乎不产生飞边,焊接工艺参数能够影响材料的流动性,进而对接头成形、组织和力学性能产生影响。焊接工艺参数显著影响焊核区形态,当焊核区为球状,焊缝显微组织硬度呈W形对称分布;而当焊核区为碗状时,前进侧显微硬度略高于后退侧。在最优参数下,即压入量为0.08 mm、旋转速度为1 600 r/min和焊接速度为500 mm/min,接头抗拉强度为224 MPa,达到母材的75.6%。     

6061-T4铝合金单双道搅拌摩擦焊T型接头组织及性能

采用静止轴肩搅拌摩擦焊方法实现了10 mm厚5A06铝合金T形接头的焊接. 通过低主轴转速匹配高焊接速度与高主轴转速匹配低焊接速度两组不同的焊接参数,结合拉伸试验、宏观与微观金相分析、电子背散射衍射(electron backscattered diffraction,EBSD)分析与扫描电镜(scanning electron microscope,SEM)断口分析,研究了热输入对焊接接头力学性能与组织的影响. 结果表明,在两组焊接参数下均可获得无孔洞缺陷的全焊透T形接头,焊缝表面光滑平整,几乎无减薄发生;热输入不同会改变搅拌针与周围材料的摩擦形式,引起焊缝出现弱结合缺陷,并影响接头抗拉强度; 在高主轴转速匹配低焊接速度时,焊缝中心重叠区顶部易产生弱结合缺陷,导致接头抗拉强度较低,为198 MPa,拉伸试样断裂在筋板. 在低主轴转速匹配高焊接速度时,焊缝无缺陷存在,接头抗拉强度为287 MPa, 拉伸试样断裂在底板.     

搅拌针转速对厚板镁合金SSFSW焊缝组织及性能的影响

对9 mm厚板AZ31B镁合金进行静止轴肩搅拌摩擦焊(stationary shoulder friction stir welding,SSFSW)工艺试验,探讨搅拌针转速(500 ~ 1000 r/min)对焊缝组织及力学性能的影响规律. 结果表明,在给定焊接速度80 mm/min下,搅拌针转速在600 ~ 800 r/min范围可获得表面光滑、无内部缺陷的对接焊缝,当转速为1 000 r/min时焊缝表面出现不连续凹坑但内部仍无缺陷. 随着转速增加,晶粒尺寸由(11.11 ± 1.68) μm增加到(18.95 ± 1.83) μm;在700 r/min时焊核区晶粒尺寸沿板厚差异最小. 焊缝中间硬度分布具有不均匀性且随转速增加而减小,最大差异为10.97 HV,最低硬度47 HV位于前进侧的热力影响区与焊核区界面处. 在700 r/min下接头力学性能最佳,强度系数为90.2%、对应断后伸长率为母材69.3%. 随着转速增加,断裂模式由韧-脆混合断裂转变为剪切-韧性混合断裂.     

搅拌头--搅拌摩擦焊的心脏

搅拌头是搅拌摩擦焊技术的关键，它的好坏决定了搅拌摩擦焊能否扩大待焊材料的种类，能否提高待焊材料的板厚范围。现在有很多科研机构和企业正在研究更加高效的搅拌头，在此主要介绍搅拌头最近的发展情况。     

Effects of the friction stir welding process variants on residual stress

A high-strength aerospace aluminium alloy, 25?mm thick plate, has been friction stir welded using four different process variants. The process variants used were stationary shoulder single pass, conventional shoulder single pass, stationary shoulder dual pass and conventional shoulder dual pass. The goal of the reported work was to investigate effects of different process variants on residual stress. Defect-free welds were produced by all process variants. Through thickness average, longitudinal, residual stress in both as-welded and post-weld heat-treated conditions is reported.     

铝合金T形接头静止轴肩搅拌摩擦焊接及组织性能分析

利用自主开发的填丝静止轴肩T形接头焊接工具开展了6061-T4铝合金填丝T形接头的焊接试验,获得了成形良好的无缺陷T形接头. 对接头内部成形、显微组织、硬度分布、静载强度及疲劳性能进行了测试与分析. 结果表明,接头轴肩影响区表面存在超细晶区,内部质量良好,焊核区不同位置填充材料与母材发生了不同程度的混合. 接头底板及筋板硬度较母材有不同程度的降低,拉伸测试中底板和筋板方向接头均断裂于热影响区,接头系数分别0.68和0.83. 过渡圆角明显提高了接头的疲劳性能,在2 × 10⁶疲劳寿命下的具有90%置信度及97.5%存活率的特征疲劳强度可达101.4 MPa,远高于IIW建议的设计准则. 疲劳断口显示疲劳裂纹萌生于接头表面轴肩压入边缘,在交变载荷作用下向内部扩展,裂纹稳定扩展区可见明显的疲劳条带,断裂机制为穿晶断裂.     

铝合金T形接头静止轴肩搅拌摩擦焊接及组织性能分析

成功实现了2219C10S铝合金T形接头的静止轴肩搅拌摩擦焊接,焊缝表面光滑平整,无明显减薄.从基板背部进行的超声相控阵检测结果表明,基板与肋板对合面全部焊透,接头内部无超标缺陷.接头横截面宏观金相可以观察到2个以肋板中心线对称分布的焊缝轮廓,单侧焊缝轮廓均超过了肋板中心线.接头横截面显微硬度分布趋势呈独特的“U”形,焊核区显微硬度最低.T形接头两个方向的拉伸试样起裂点位于“拉伸方向板材与接头R₁圆角的相切处”,但拉断试样断裂面的横穿区域存在较大差异,这也是沿肋板方向的抗拉强度比沿基板方向低20 MPa的主要原因.