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搅拌摩擦焊技术的发展 张田仓,栾国红,陈沁刚 / C: z3 F k5 a6 @3 j8 x
（航空工业第625所，北京 100084） 目前，飞行器上大量采用高强铝合金，由于这些材料的熔焊焊接性能差，在飞行器上不得不采用点焊或铆接结构，这样不但大大降低了部件的性能重量比，而且气密性差。英国焊接研究所开发研究的搅拌摩擦焊工艺为这类问题的解决提供了一个新思路，由于它具有可焊接对裂纹敏感而不能熔焊的金属、固相连接能保持原合金的冶金性能、可焊接异种金属等优点，在许多国家得到了迅速的开发和应用。搅拌摩擦焊现在主要用于飞行器上无法熔焊的铝合金，如硬铝、铝锂合金等材料的连接，大大提高了产品的性能和制造水平。 图1.1 搅拌摩擦焊示意图 1 搅拌摩擦焊技术介绍 1.1 搅拌摩擦焊的工艺过程 搅拌摩擦焊的焊接过程如图1.1所示。搅拌头在轴向压力下高速旋转，使其上的特型指棒与工件表面接触，摩擦生热并软化了一部分金属，迅速钻进被焊对接板的接缝；当特型指棒钻进表面以下时，有一部分金属被挤出表面以上，这些在焊接的瞬间产生。焊接深度主要由搅拌头的特型指棒长度决定，随着搅拌头特型指棒的钻入，当轴肩与被焊板件的金属表面接触时，轴肩的旋转产生了辅助的摩擦热，并在搅拌头的特型指棒周围产生了塑性金属，此时，搅拌头沿着板件的接缝运动时，利用特型指棒与工件材料间摩擦生热，不断软化、挤压和搅拌前方的金属，而在搅拌头已走过的部位金属逐渐冷却、固化，就形成了搅拌摩擦焊的焊缝。 1.2 搅拌摩擦焊的焊缝金相组织 搅拌摩擦焊的焊核位于焊缝中心，内部结构呈清晰的洋葱形状，由一系列的椭圆排列组成，这在其它合金中不一定看到或不够明显。焊核延伸到焊件的表面，它比搅拌头的特型指棒要大，但比搅拌头的轴肩要小。焊核有时会延伸到焊件的底部。焊核的形貌取决于特型指棒的形状、焊接参数和被焊材料的强度。 通过搅拌摩擦焊焊接接头的金相分析及显微硬度分析可以发现，搅拌摩擦焊接头的微观结构可分为四个区域：A区为母材区在最外边，无热影响也无变形的影响；B区为热影响区，没有受到变形的影响，但受到了从焊接区传导过来的热量影响； C区为变形热影响区，该区受到了塑性变形的影响，也受到了焊接温度的影响；D区为焊核，是两块焊件的共有部分，如图1.2所示。 图1.2 搅拌摩擦焊各区域分布 在热影响区，除了腐蚀反应比母材快一些之外，显微结构与母材没有多大的区别。对于时效强化或加工硬化的合金，焊后接头的热影响区的硬度下降，这是由于从焊接区传导来的热量使热影响区过时效或位错密度下降造成的。 变形热影响区，焊接过程引起长晶粒的弯曲和轻微的重结晶，焊接热循环使得此区的退火过程发生得早一些，而且时间较长，对于时效强化的合金，这一区域的硬度最低。 焊核区的微观结构是明显的等轴晶粒，并且非常细小，晶粒尺寸取决于所焊合金及焊接过程，但普遍比10级还要小，焊核区的硬度比时效强化和加工硬化的母材要低，但对于5083—O合金，其硬度比母材稍高一些，而在O和H321状态下，可以得到同样的硬度。 1.3 搅拌摩擦焊的优缺点 搅拌摩擦焊是一种固相连接工艺，焊接铝合金同熔焊相比，有突出的优点：焊前不需要开V型或U型坡口及复杂的焊前准备；焊后试件的变形和内应力特别小；焊接过程中没有辐射、飞溅及危害气体的产生；焊接接头性能优良，焊缝中无裂纹、气孔及缩孔等缺陷，并可实现全方位焊。搅拌摩擦焊最主要的优点是可进行熔焊无法焊接的高强铝合金的连接。 搅拌摩擦焊也存在一些不足，如焊速比熔焊慢、焊接时焊件必须夹紧、还需要垫板、焊后焊缝上留有锁眼等。目前由于搅拌头特型指棒材料所限，搅拌摩擦焊仅用于铝合金产品的连接。最近已有报道，英国焊接研究所正在开展钛合金搅拌摩擦焊的工艺研究。 2 目前搅拌摩擦焊的应用及发展前景 搅拌摩擦焊一出现，就得到航空界的青睐，此项专利技术在英国焊接研究所提出后，由瑞典ESAB公司按许可证制造了专用焊接设备——Superstir搅拌摩擦焊机，并用于实际零件的焊接。搅拌摩擦焊技术已在欧美航空、航天制造业中开始应用。美国著名的宇航公司争相购买搅拌摩擦焊的专利许可证，开发、应用搅拌摩擦焊技术。波音公司已将搅拌摩擦焊技术成功地用于低温下工作的铝合金薄壁压力容器，完成了纵向焊缝和环向焊缝的对接，麦道公司也已将这种方法用于Detle运载火箭的推进剂贮箱的制造。 与氩弧焊相比，同一种铝合金的搅拌摩擦焊的接头强度高15%～200%，延伸率高一倍，断裂韧度高300%，接头区为锻造的细晶区。此外，工件焊后变形小，焊缝中残余应力低。由于它为固相连接，可焊接熔焊无法连接的高强铝合金，而且，随着材料中的合金元素增多，熔焊方法将很难适用，采用搅拌摩擦焊技术进行连接的优势日渐突出，可以说，搅拌摩擦焊技术在航空、航天领域的应用，将会不断扩大。 (摘自《先进制造与材料应用技术》1998年第5期) [/td][td] | 
发表于 2007-4-11 17:14:24