10mm厚LF2铝合金搅拌摩擦焊温度分布及组织分析(1)
2AL2铝合金搅拌摩擦焊研究
2AL2铝合金搅拌摩擦焊研究2AL2铝合金搅拌摩擦焊是一种具有宽温度范围和高强度的热加工技术，主要用于在铝合金（2AL2）和不锈钢（AISI 304）之间的能量传输。
焊接前，工件表面需要改变形状，并在表面形成一个焊接塔。
此过程包括搅拌，摩擦，盐雾喷射等多步。
这些步骤对焊接工艺的成功至关重要。
2AL2铝合金搅拌摩擦焊工艺特点为：（1）快速焊接：因使用了热加工技术，能够有效地提高加速度，显著减少了焊接时间；（2）焊接控制：每个步骤的温度，周期，时间等参数都可以很好地控制，以保证焊接质量；（3）龟裂缩小：本工艺不需要用焊钎或螺栓固定，有利于减小焊接龟裂；（4）焊缝平整：采用双头搅拌技术可以有效地防止焊接缝的残留；（5）材料成本低：相较于传统焊接方法，此类工艺可以有效地降低材料成本。
2AL2铝合金搅拌摩擦焊技术主要可以分为焊接装备、焊接性能测试和焊接参数调控三个方面。
焊接装备除了必备的焊接坐标外，还需要一套多功能調節器用于控制焊接参数；焊接性能测试需进行电弧焊接，原子吸收分光光度计，抗拉强度等性能测试；焊接参数调控根据工件材料特性和焊接缝厚度等因素来确定搅拌转速、摩擦力、温度等参数。
2AL2铝合金搅拌摩擦焊的优点在于质量稳定，焊缝均匀，有效减少热影响，焊件不易变形和开裂。
但由于高速搅拌过程受力不均匀和恒定，焊接应力较大，焊缝结构和焊接力学性能极易受到影响，目前仍处于发展初期。
2AL2铝合金搅拌摩擦焊技术在空气航空、火箭制造、医疗设备及精密零部件制造等领域中发挥着重要作用。
未来，随着焊接件材料的发展，工艺参数的科学优化，机械安装及控制技术的进步，2AL2铝合金搅拌摩擦焊技术将会得到进一步发展，应用范围将会更加广泛。
LY12铝合金搅拌摩擦焊接头组织与应力分析
用搅拌头的高速旋转 & 摩擦 " 将待焊材料加热至 塑性状态 " 并结合搅拌头对焊缝金属进行挤压连 接 " 是铝合金薄板焊接的先进方法 % 但是由于
^(_
) ** 厚 &’$( 铝合金板 在 不 同 搅 拌 头 转 速 和 焊
速 下 的 显 微 组 织 进 行 了 分 析 ^@?!_" 并 在 温 度 场 模 拟的基础上得出应力场分布图 " 为 &’$( 铝合金 薄板的焊接提供参考 %
ＨＡＮ ＧＵＡＮ
&’$( 高温塑性很差 " 如果所选焊接规范参数不
^)_
合适 " 不但焊缝成形差 " 而且接头应力分布不均 匀" 组织晶粒粗大" 甚至出现空洞& 隧道等缺陷 "
^‘_
’ ４９mp;’ 卷第 % 期 !"#$ 年 % 月
焊接参数与试验方案
本次试验使用的搅拌摩擦焊机及搅拌头参数
!!"#$%&’"(& )* $+&)’)&,-" $(. /"012(,023 4(5,(""%,(5L 6,(01+2( 4("%57 8(9&,&+&"L 6,(01+2( !"%+%%L :1,(2 $
2=*+(.’+> 5< MJNKJ GM OGDNP GCK KQQK;G MQ N>QQKJK<G RKSN><H ;M<N>G>M<O M< &’$( ISD*><D* ISSMP QJ>;G>M< OG>J RKSN><H :M><G MJHI<>TIG>M< I<N UKJQMJ*I<;KL ) ** GC>;=<KOO &’( ISD*><D* ISSMP USIGK RIO RKSNKN VP DO><H QJ>;G>M< OG>J RKSN><HL MVOKJWKN I<N I<ISPTKN *>;JMOGJD;GDJK WIJ>IG>M< MQ RKSNKN :M><G D<NKJ N>QQKJK<G UIJI*KGKJ7 AO><H GCK ,-.’. OMQGRIJK GM O>*DSIGK I<N I<ISPTK GCK N>OGJ>VDG>M< MQ RKSNKN :M><G GK*UKJIGDJK Q>KSN I<N OGJKOO Q>KSN7 /CK JKODSGO OCMRKN GCIGL IQGKJ QJ>;G>M< OG>J RKSN><HL GCK JK;JPOGISS>TIG>M< HJI>< R>GC D<>QMJ* MJHI<>TIG>M< I<N G><P HJI>< RIO MVGI><KNX GCK KNHK IJKI MQ &’+( ISD*><D* ISSMP USIGK >O GK<O>SK OGJKOOL MGCKJ IJKIO IJK ;M*UJKOO>WK OGJKOOL I<N GCK ;M*UJKOO>WK OGJKOO HJINDISSP JKND;K QJM* OG>J <KKNSK GM MDGO>NK IJKIL GCK *IY>*D* ;M*UJKOO>WK OGJKOO IUUKIJO >< OG>J <KKNSK I<N OCIQG OCMDSNKJ IJKI7 ?-4 @)(0*> RKSN><HX ISD*><D* ISSMPX QJ>;G>M< OG>J RKSN><H Z[.\]X RKSNKN :M><G *>;JMOGJD;GDJKX OGJKOO
2AL2铝合金搅拌摩擦焊研究
2019年第3期农机使用与维修252AL2铝合金搅拌摩擦焊研究姜贤峰(嘉兴职业技术学院，浙江嘉兴314〇〇〇)摘要:搅拌摩擦焊是一种由英国焊接研究所研发的固相新型焊接方式。
低的焊接温度、小的热输入量、接头强度较高以及在搅拌摩擦焊接过程中金属材料不发生变化，这些优点使得搅拌摩擦焊比其他的传统熔化焊更易于推广。
从搅拌摩擦焊在焊接过程中的搅拌头和焊接工艺方面出发，研究搅拌摩擦焊的成型规律。
关键词：铝合金;焊接;加工工艺中图分类号:T G453.9 文献标识码:A doi：10.14031 /ki.njwx.2019.03.0111选题背景和意义铝合金拥有密度小，良好的塑性和加工性能，良好的 耐低温性能，表面性能好，弹性系数小等优点，因此铝合金 广泛应用于汽车、飞机、机械制造等诸多领域。
常规的焊接方式,如手工电弧焊、埋弧自动焊和气体 保护焊等，在焊接过程中焊缝容易产生表面氧化、气孔和 裂纹等不良缺陷,长期困扰着金属之间的连接。
在这样的 情况下，搅拌摩擦焊由此产生，它的问世解决了在焊接中 产生的多种弊端。
搅拌摩擦焊是一种由英国的焊接研究 所研发的固相新型焊接方式。
它的焊接方法是利用高速 旋转的搅拌头与材料接触发生摩擦，进而产生大量热量,促使材料发生融熔，从而实现焊接的一种方法。
焊接时有 利地消除了裂纹、气孔、辐射等不利因素，同时也实现了焊 接的普及，消除了焊接对人工技术和经验的高要求，因此，这项技术一经问世，就收到了各方的青睐。
本文将采用厚度2.5 mm的2AI2铝合金薄板，从搅 拌摩擦焊在焊接过程中的搅拌头和焊接工艺几个方面人 手分析，研究搅拌摩擦焊的成型规律。
2搅拌头的设计在搅拌摩擦焊加工过程中，把高速旋转的搅拌头看作 是焊接的工具,搅拌头对焊缝区域进行挤压、融熔、成型。
所以在搅拌头材料的选择上,要求具有较强的耐磨损性、耐高温性、良好的力学性能，在多次挤压后能够保持较小 的磨损。
搅拌头功能的特殊性也决定其形状与众不同,分为轴 肩和搅拌针。
铝合金的搅拌摩擦焊资料
毕业设计说明书题目：铝合金的搅拌摩擦焊姓名：学号：指导老师:摘要铝及铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，铝合金具有良好的耐蚀性、较高的比强度和导热性以及在低温下能保持良好力学性能等特点，在航空航天、汽车、电工、化工、交通运输、国防等工业部门被广泛地应用。
随着近年来科学技术以及工业经济的飞速发展，对铝合金焊接结构件的需求日益增多，使铝合金的焊接性研究也随之深入。
铝合金的广泛应用促进了铝合金焊接技术的发展，同时焊接技术的发展又拓展了铝合金的应用领域，因此铝合金的焊接技术正成为研究的热点之一。
英国焊接研究所(The Welding Institute)发明的搅拌摩擦焊为轻金属材料的连接提供了新的方法和途径。
自从搅拌摩擦焊摩擦焊发明以来搅拌摩擦焊技术得到广泛的关注和深入的研究。
特别是针对铝合金材料，世界范围的研究机构学校以及大公司都对此进行了深入细致的研究和工程应用开发并且在诸多工业制领域得到了成功应用。
本文详细介绍了搅拌摩擦焊原理特点并且针对铝合金的搅拌摩擦焊特点性能以及工业应用作了详细的阐述同时对搅拌摩擦焊在中国市场的发展和应用作了简略介绍和预测。
关键词：铝及铝合金搅拌摩擦焊焊接方法焊接特点AbstractAluminum and aluminum alloy is a kind of nonferrous metal structure material widely used in industry, aluminum alloy has high corrosion resistance, good strength and thermal conductivity as well as in the low temperature can keep good mechanical properties and other characteristics, in the aerospace, automotive, electrical, chemical, transportation, national defense and other industrial sectors are widely used. In recent years with the rapid development of science and technology and industrial economy, structure of the growing demand for aluminum alloy welding, so the aluminum alloy welding research also further. Aluminum alloy is widely used to promote the development of welding technology of aluminum alloy, the welding technology development and expanding the application field of aluminum alloy, so the aluminum alloy welding technology is becoming one of the hot research topics.British Welding Research Institute (The Welding Institute) the invention of the friction stir welding for light metal materials is connected and provided a new approach to. Since the invention of the friction stir welding friction welding, friction stir widely attention and deeply research get welding technology. Especially for aluminum alloy material, worldwide research schools and large companies have conducted in-depth study and engineering application and has been successfully applied in many industrial fields.This paper introduces the principle and the characteristics of friction welding and stirring in aluminum alloy friction stir welding properties and industrial applications are described in detail the development and application of friction stir welding in the Chinese market are briefly introduced and predicted. Keywords: Aluminium and aluminium alloy Friction stir welding Welding process Welding characteristics目录摘要 (1)英文摘要 (2)第一章铝的特点 (4)1.铝的焊接特点 (4)2.铝及铝合金的焊接方法 (5)第二章搅拌摩擦焊接 (7)1.搅拌摩擦焊接原理 (8)2.搅拌摩擦焊接方法 (8)3.搅拌头与搅拌摩擦焊设备 (9)4.搅拌摩擦焊特点 (11)第三章铝合金的搅拌摩擦焊 (14)1.铝合金的搅拌摩擦焊接工艺 (14)2.铝合金常用焊接规范 (19)3.铝合金搅拌摩擦焊接接头性能 (20)4.搅拌摩擦焊缺陷及预防方法 (22)第四章搅拌摩擦焊的应用及前景 (25)1.铝合金搅拌摩擦焊的应用现状 (25)2.铝合金搅拌摩擦焊的发展趋势 (27)第五章总结 (28)参考文献 (29)第一章铝的特点1、铝的焊接特点(1)铝在空气中及焊接时极易氧化，生成的氧化铝（Al2O3）熔点高、非常稳定，不易去除。
搅拌摩擦焊的温度分析
搅拌摩擦焊的试验材料为 R1;铝合金A尺寸为 OS9##T S9##T ;##B搅 拌 摩 擦 焊 的 工 艺 如 下 U搅 拌头转速为 OS99%V#.*A焊接速度为 WS##V#.*A旋 转方向为顺时针B为了测定搅拌摩擦焊不同区域的 温 度A首 先 分 别 在 距 焊 接 表 面 不 同 的 深 度 距 离 7O##A8##A:##<和 距 焊 接 中 心 不 同 的 横 向 距 离 7:##A;##AM##<钻直径为 X9YS## 的小孔Z然后 利 用 镍 铬@镍 硅 热 电 偶 插 入 铝 板 各 个 不 同 的 小 孔 中
焊 缝 中会 降
低! 图 C为 在横向距 搅 拌
头中心的相同距离时温度 随着距焊接表面的距离的 变 化曲线!由 图 C可 以 看
图 C 温度与距焊接表面 的距离的关系
到 距 离 焊 接 表 面 愈 远 D温 度 愈 低 !这 表 明 搅 拌 摩 擦 焊
致 的 那 个 边 <的 温 度 比 流 动 边 7搅 拌 头 旋 转 方 向 和 前进方向相反的那个边<
图 8 温度与搅拌焊接 时间的关系
的温度总体来 说 要 高 一 点B 本 试 验 中A搅 拌 摩 擦 焊
的 最 高 温 度 为 :WS\A大 约 为 9YS;]# 7纯 铝 的 熔
点 <B 前 者 出 现 的 原 因 和 摩 擦 生 热 的 总 量 有 关 Z而 后
搅拌摩擦焊过程中的温度主要取决于其焊接 规范!温度最高值位于搅拌头与焊接铝板接触的轴 肩 处 !另 外 D温 度 随 着 距 离 焊 接 表 面 的 深 度 增 加 而 降 低D这 表明 搅拌 摩 擦 焊 的 热 源 主 要 产 生 在 与 搅 拌 头 的轴肩部位!
铝合金厚板搅拌摩擦焊焊接工艺研究张笑毛晓
铝合金厚板搅拌摩擦焊焊接工艺研究张笑毛晓发布时间：2023-07-18T02:56:32.701Z 来源：《中国科技信息》2023年9期作者：张笑毛晓[导读] 近几年来，我国的高速铁路事业取得了长足的进步，并成功走向世界。
随着我国城市轨道交通等城市轨道交通工具对车辆轻量化的需求，铝合金车体正逐渐被采用。
由于高速列车运行中严酷的条件和高速运行的特点，对承载部件的性能要求越来越高。
焊接接头的抗疲劳性能是高铁列车安全可靠运行的重要保证。
本文就铝合金厚板搅拌摩擦焊焊接工艺展开分析。
中车青岛四方机车车辆股份有限公司山东青岛 266100摘要：近几年来，我国的高速铁路事业取得了长足的进步，并成功走向世界。
随着我国城市轨道交通等城市轨道交通工具对车辆轻量化的需求，铝合金车体正逐渐被采用。
由于高速列车运行中严酷的条件和高速运行的特点，对承载部件的性能要求越来越高。
焊接接头的抗疲劳性能是高铁列车安全可靠运行的重要保证。
本文就铝合金厚板搅拌摩擦焊焊接工艺展开分析。
关键词：焊接工艺；铝合金厚板；搅拌摩擦焊在新的时代，市场竞争越来越激烈，社会需求也在不断改变，因此，既要保证产品的质量，又要保证安全性，同时兼顾节能与环保，既要提高速度又要提高效率，这就成了交通运输业的新目标。
要达到这个目的，必须在材料上有所突破。
铝与铝合金相比，具有比强度高、耐腐蚀性能好等明显优势。
这些产品所占的比重不断增加，已经成为船舶和航空航天等交通工业的首选产品。
铝合金板材的应用范围越来越广，尤其是在航空、航天等领域。
对运载工具的自重要求越轻越好，以降低运载量。
在此，可充分显示出厚铝板材的优越性。
在A340飞机的生产过程中，所用到的结构构件中，大约有80%是铝合金，而另有50%是铝合金厚板材。
采用大尺寸铝合金薄片，不但不会影响飞机的承载力，而且还会使飞机的自重大幅下降，因此可以减少燃料消耗，提高经济效益，并为飞行器的其它用途创造了良好的条件。
铝合金厚板的应用并不局限于上述产业。
铝合金搅拌摩擦焊接头组织与性能
ｃａ ｃ ｒｔ ｓｗ ｉ ｉｔ ｆ ｃ ｒ ｔ ｇｎｓ ｔ ｅ ｗ ｉ ｔ ｊｉ ｉｏ ｎｔｏｋ ｈｌｗ ｅｕ ｘ ｄ ｐｅ ｗｔ ｓｍｅ ｈａ ｈｒ ｔ ｉ ｃ， ｈ ｈ ｓｈ ｒ ｔ ｅｏ ｈ ｅｓｙ ； ｈｌ ｈ ｏ ｔｓ ｆ ｅ ｒ ａ ｏ ｉ ｅ ｉ ｌ ｉ ａ ｅｓ ｉ ｃ ｅ ａｕ ｕ ｐ ｅ ｅ ｎ ｗ ｓ ｌ ｑ ａｄ ｍ ｓ ｈ ｏ ｅｒ ｓ
摘 要： 通过对 ２ １－８ ２ ９ ７搅拌摩擦焊接头宏观形貌、 Ｔ 金相组织观察 以及显微硬度和力学性能的测试， 探讨了２ １－８ ２９Ｔ ７
母材及接头的微观特征对力学性能的影响规律。结果表明：由于金属塑性流动状态及温度的不同，造成 了前进边与后 退边在微观组织特征方面存在较大的差异，并直接影响了其宏观性能．如硬度和强度；后退边在硬度和强度方面比前 进边要差，接头强度性能最差的位置是后退边热影响区和热机影响区的交界处附近 ，形成接头的薄弱区。对母材和接 头的ｓ Ｍ观察可知：母材断 口存在大量宏观塑性变形特征，即为强韧性断 口类型 ； Ｅ 而接头断 口则由较浅的网状等轴韧 窝及边缘处的剪切型韧窝构成。
ｈ ｒ ｍｅｈｎｃ ｌ ｆ ｃ ｏ ｅ ｈａａ ｅｔ ｚｎ ｏ ｔ ｔ ａｎ ｄ， ｒ ｉ ｈ ｗ ａｅｔｒ ｆ ｅｏ ｔ Ｓ Ｍ ｔｅ ｏ ｃａｉ ｌ ａ ｅｔ ｚｎ ａｄ ｅｔｆ ｃ ｄ ｏｅ ｎ ｅ ｅ ｅｔｇｓ ｅｆ ｍｎ ｔｅ ｅｋｓａ ａ ｏ ｔ ｊｉ ． Ｅ ｍ ａｙ ｄ ｅ ｎ ｅ ｈ ｒｒ ｉ ｉ ｏ ｇ ｅ ｓ ｈ ｎ ｓ
2A12铝合金搅拌摩擦焊温度场及接头组织分析
ａ ｌ ｕ ｍｉ ｎ ｕ ｍ ａ ｌ ｌ ｏ ｙ（ １ ｕ ｒ ｉ ｎ ｇ ｆ ｒ ｉ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｔ ｉ ｒ ｗｅ ｌ ｄ ｉ ｎ ｇ （ Ｆ Ｓ Ｗ ）ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ， ｅ ｘ ｐ ｌ ｏ ｒ ｅ ｔ ｈ ｅ ｉ ｎ ｎ ｅ ｒ ｌ ｉ ｎ ｋ ｂ ｅ ｔ ｗ ｅ ｅ ｎ ｗ ｅ ｌ ｄ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｒ ｍａ ｌ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ａ ｎ ｄ ｗｅ ｈ ｔ ｅ ｄ
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ｉ ｎ ｏ ｒ ｄ ｍ— ｔ ｏ ｇ ｅ ｔ ｔ ｅ ｍｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｉ ｆ ｌ ｅ ｄ ｄ ｙ ｎ ａ ｍｉ ｃ ｅ ｖ ｏ ｌ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｇ ｅ ｒ ｕ ｌ ｅ ｏ ｆ ｗ ｅ ｌ ｄ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｒ ｍａ ｌ ｃ ｙ ｃ ｌ ｅ ｃ ｕ ｒ ｖ ｅ ｏ ｆ ２ Ａ Ｉ ２
摘 要 ：为 了获得 ２ Ａ１ ２铝 合金 搅拌 摩擦 焊 （ Ｆ Ｓ Ｗ） 焊接 过程 中焊接 温度 场的 动 态演 变和 焊接 热循 环
曲线的 变化 规律 ．探 索焊接 热 作 用过程 与接 头微 观 组织 的 内在联 系 ，利用 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ软 件 ，建 立 了搅
拌 摩擦 焊接 传 热过 程 的有 限 元数 值 分析 模 型 ，对 ６ ｍｉ ｌ ｌ 厚２ Ａ１ ２铝合 金 Ｆ Ｓ Ｗ 焊接 过 程 进行 了数 值
关 键词 ：焊接 ；２ Ａ １ ２铝合金 ；搅拌摩擦 焊 ；温度场 ；焊核 区；数值模 拟 中图分类号 ：Ｔ Ｇ ４ ０ ７ 文献标志码 ：Ａ Ｄ Ｏ ｈ １ ０ ． １ ９ ２ ９ １ ６ ． ｃ ｎ ｋ ｉ ． １ ０ ０ １ － ３ ９ ３ ８ ． ２ ０ ｌ ６ ． ０ ９ ． ０ ０ ３
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
件等） 共同影响的连续变化过程。以往的研究者
将 １０ ｍｍ ＬＦ２ 进行搅拌摩擦焊对接， 由于受
主要通过数值模拟与试验数据相结合的方法对薄 板厚及搅拌摩擦焊机性能的限制， 其焊接参数的
板温度场进行了研究［１～７］。本研究是在此基础上针 可选择范围很窄， 焊接参数的小范围波动会对焊
对组最优
结果分析可知， 这部分材料即使向上流动也不会 最高； 而焊缝底部， 靠近搅拌针处的温度最高。
对上部金属的温度产生较大的影响， 从而造成焊
（ ３） 整个焊缝呈 现“花瓶 ”状， 底 部出 现 “鼓 ”
缝接头横截面组织的“鼓形”区域。
形区域， 这与材料的流动状况有关， 但这对焊缝的
图 ４ 为各区组织放大图。由图 ４（ ａ） 可看出， 温度分布不会产生显著的影响。
１００ ３００
同位置的特征点（ 其位置见 图 １） 温度进行测量。焊后分
表 １ 焊接参数
前进侧 返回侧
Ｄ Ｃ Ｂ Ａ Ｅ ＦＧ Ｈ Ｒ１ ４ ４４ ７ ７ ４ ４４
轴肩直 搅拌针直 旋转速度 焊接速度 径 ／ ｍｍ 径 ／ ｍｍ ／ ｒ·ｍｉｎ－１ ／ ｍｍ·ｍｉｎ－１
３２
１０
９５０
１０
１００
１００
而在靠近焊缝底部区域， 前进侧与返回侧的 最高温度分别出现在离搅拌针最近的 Ａ 点和 Ｅ 点（ 图 ２ｃ） ， 温度值分别为 ４２９℃和 ４４８℃。随着离 搅拌针距离的增大， 最高温度值逐渐下降， 这主要 是因为在焊缝底部， 热量主要来自于旋转着的搅 拌针， 而受轴肩的影响很小， 所以在搅拌针的边缘 处， 材料受到搅拌针圆柱面的摩擦和剪切作用， 温 度升高很快， 距离搅拌针越远的区域受搅拌针作 用越小， 所以能够达到的峰值温度也较低， 而且由 于焊缝底部靠近垫板的金属受搅拌针的搅拌作用 不很明显， 它只是受到搅拌针端面的摩擦、挤压作 用而向上流动， 所以这部分材料的温度不会急剧 升高， 即使它向上流动也不会对上部金属的温度 产生较大的影响。因此最高温度出现在离搅拌针 最近的区域。
焊 接 （５） ｗ ｅ ｌ ｄ ｉ ｎ ｇ
１０ ｍｍ 厚 ＬＦ２ 铝合金搅拌摩擦焊温度分布及 组织分析
张忠科， 王丽， 王希靖， 孙丙岩， 苏东波
（兰州理工大学 甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室， 甘肃 兰州 ７３００５０）
摘 要： 采用嵌入热电偶测温法得到了 １０ ｍｍ 厚 ＬＦ２ 铝 合 金 搅 拌 摩 擦 对 焊 时 不 同 深 度 （ ２、５ 和 ８ ｍｍ） 、距 离
ｔｈｅ １０ｍｍ ＬＦ２ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ＦＳＷ ｂｕｔｔ ｗｅｌｄｉｎｇ． Ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｆｅａｔｕｒｅ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｄｅｐｔｈ（２，５， ８ｍｍ） ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｔｏｐ， ａｎｄ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｐｉｎ ｗａｓ ｆｏｕｎｄ． Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｎ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｙ ｏｂｓｅｒｖｉｎｇ ｉｔｓ ｍｅｔａｌｌｉｃ ｐｈａｓｅ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ｒｅｔｒｅａｔｉｎｇ ｓｉｄｅ ｉｓ ｈｉｇｈｅｒ ｔｈａｎ ａｄｖａｎｃｉｎｇ ｓｉｄｅ，ｂｕｔ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ４０℃； ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ｔｏｐ ｌｏｃａｔｅｓ ａｔ ｔｈｅ ｓｈｏｕｌｄｅｒ ｍａｒｇｉｎ， ａｎｄ ｔｈａｔ ｏｆ ｂｏｔｔｏｍ ｌｏｃａｔｅｓ ａｔ ｔｈｅ ｐｉｎ ｒｏｕｎｄ． Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ， ｆｒｏｍ ｔｈｅ “ｄｒｕｍ”ｚｏｎｅ ｏｆ ｗｅｌｄｅｄ ｓｅａｍ， ｉｔ ｃａｎ ｂｅ ｃｏｎｃｌｕｄｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｄｅｐｔｈ ｉｓ ｒｅｌａｔｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｓｏｕｒｃｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｐａｔｔｅｒｎ ｏｆ ｍａｔｅｒｉａｌｓ．
测， 确定焊缝温度场的特点及对焊缝组织的影响。 的焊接参数（ 表 １） 进行焊接。焊接过程中的平均
１ 实验材料及方法
试验用材料为 １０ｍｍ 厚 ＬＦ２ 铝合金板， 采用
功率为 ６ ２００ Ｗ，平均转矩为 ５８．７ Ｎ·ｍ。焊接过程
中 ， 对 焊 缝 在 不 同 深 度 （ ２、５ 和 ８ ｍｍ） 、距 离 焊 缝 中 心 不
焊接方向
在待焊板材中嵌入 Ｋ 型镍铬－ 镍硅热电偶测量温
收稿日期： ２００６－０６－２６ 基 金 项 目： 国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目（１０５７７０１０） 作者简介： 张忠科（１９７８－）， 男， 山东济南人，博士生 ，研究方向： 焊接
设 备 及 其 自 动 化 ， 新 型 连 接 技 术 ； 电 话 ： ０９３１－２８０６８６５； Ｅ－ｍａｉｌ： ｚｈａｎｇｚｋｅ＠ｌｕｔ．ｃｎ．
同深度的温度分布不仅与热源产热量有关， 还与材料的流动情况有关。
关键词： 搅拌摩擦焊；温度分布；显微组织
中图分类号： ＴＧ４５３
文献标识码： Ａ
文章编号： １００１－３８１４（ ２００６） １９－０００８－０３
Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ Ｔｅｍｐｅｒ ａｔｕｒ ｅ Ｄｉｓｔｒ ｉｂｕｔｉｏｎ ａｎｄ Ｍｉｃｒ ｏｓｔｒ ｕｃｔｕｒ ｅ ｏｆ Ｆｒ ｉｃｔｉｏｎ Ｓｔｉｒ Ｗｅｌｄｉｎｇ ｆｏｒ １０ｍｍ ＬＦ２ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ａｌｌｏｙ Ｐｌａｔｅ
在焊缝顶部即靠近轴肩的区域， 前进侧与返 回侧的最高温度并不是出现在离搅拌针最近的 点， 而是分别位于 Ｃ 点和 Ｇ 点区域（ 图 ２ａ） ， 即在 靠近搅拌头轴肩边缘的地方， 其最高温度分别达 到 ４２８℃和 ４６８℃， 向两边温度 逐渐降低， 这 是因 为在焊缝顶部， 热量主要来自于搅拌头轴肩的摩 擦生热， 越是靠近轴肩边缘的区域， 线速度越大， 所以摩擦产生的热量越多， 即摩擦热沿轴肩的径 向 呈 线 性 增 加［３］， 所 以 在 轴 肩 下 部 靠 近 边 缘 区 域 的温度最高。同时， 从图中还可看出返回侧温度与 前进侧温度差相对较大（ 大约 ４０℃） ， 这是因为与 轴肩相接触的工件的表面积较大。由于轴肩的旋 转摩擦作用， 从前进侧流动到返回侧的热塑性材 料便相对较多， 因而被转移到返回侧的热量也相 应的增加， 所以温度差比较明显。
焊核区， 温度较高， 会出现部分再结晶， 所以表现为
拉长晶粒和等轴再结晶晶粒的混合， 然而其再结晶
晶粒较焊核区的大， 如图 ４（ ｂ） 所示。热影响区晶粒
（ｂ）
Ａ
为典型的受热长大组织， 如图 ４（ ｃ） 所示， 该区主要 是受热影响， 受力很小或完全不受力， 所以畸变能
Ｅ ＤＣ Ｂ
ＣＤ Ｅ
很低。由于铝及其合金的层错能高， 变形时扩展位
２５０
２００
Ｔ／℃
１５０ ０２４ ６
５００ （ｂ） ５ ｍｍ ４５０ ４００
８ １０ １２ １４ １６ １８ ２０ ２２ ｔ ／ ｍｉｎ
ＡＥ ＢＦ ＣＧ ＤＨ
３５０
３００
２５０
２００
１５０
１００ ０ ２ ４ ６ ８ １０ １２ １４ １６ １８ ２０ ２２ ｔ ／ ｍｉｎ
５００ （ｃ） ８ ｍｍ ４５０
３ 结论
加 较 慢 ， 温 度 相 对 较 低［２， ８］； 同 时 由 于 受 到 搅 拌 针
（ １） 返回侧与前进侧存在一定的温度差， 即返
端面的挤压作用而向外向上流动， 但它流动的距 回侧温度略高于前进侧， 但最大不超过 ４０℃。
离不会太远， 从而呈现“鼓形”。但从实际测温试验
（ ２） 在焊缝顶部轴肩下靠近边缘区域的温度
４００
ＡＥ
ＢＦ ＣＧ ＤＨ
Ｔ／℃
３５０
３００
２５０
２００
１５００ ２ ４ ６ ８ １０ １２ １４ １６ １８ ２０ ２２ ｔ ／ ｍｉｎ
图 ２ 不同深度特征点温度循环曲线
度稍低， 这主要是因为在返回侧， 搅拌头旋转方向 与材料运动方向相反， 热塑性材料挤压、摩擦和塑 性变形的产热作用比前进侧明显； 另外， 由于工件 受轴肩及搅拌针的旋转、摩擦和搅拌作用， 热塑性 材料从前进侧越过搅拌针流到返回侧， 同时热量也 被部分地从前进侧带到返回侧， 所以造成返回侧与 前进侧存在一定的温差（ 最大不超过 ４０℃） 。
根据不同深度的热电偶测温数据， 利用
Ｏｒｉｇｉｎ 软 件 分 别 绘 制 出 各 个 特 征 点 的 热 循 环 曲
线， 如图 ２ 所示。可看出， 各点温度历史趋势基本
相同， 由于是从稳定焊接开始后进行数据记录的，
直到搅拌针上提， 所以， 开始时温度迅速升高并达
到最高值； 随着焊接热源的远去及冷却过程的进
行， 温度逐渐降低， 但是由于垫板的温度还很高，
其温度下降梯度不如升温时的大， 在搅拌针上提
时， 基本上没有热源提供热量， 所以温度开始迅速
下降（ 稳定焊接开始后大约 １４ ｍｉｎ） 。
同时还可看出，
５００ （ａ） ２ ｍｍ
４５０
４００
前进侧温度总是比返回侧温
ＡＥ ＢＦ ＣＧ ＤＨ
Ｔ／℃
３５０
３００
Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｓｔｉｒ ｗｅｌｄｉｎｇ； ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ； ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
搅拌摩擦焊接（ＦＳＷ）温度场是一个受多种因 度场。试验在自制 ＦＳＷ 焊机上进行， 温度数据记
素（ 如热源形式、材料热物理性能以及周围换热条 录是采用 ＪＯＶＬＡＮ ５２１７ 多通道数据采集仪。
焊核区组织为均匀细小的等轴再结晶， 这是因为
（ ４） 焊核区组织为等轴再结晶晶粒， 热力影响
搅拌针不同位置的 ＦＳＷ 温度分布； 通过对焊缝不同位置的 金 相 观 察 ， 分 析 了 温 度 场 对 １０ ｍｍ ＬＦ２ 搅 拌 摩 擦 焊 焊