静轴肩搅拌摩擦焊
静轴肩搅拌摩擦焊在轨道车辆车体上的工程应用研究
静轴肩搅拌摩擦焊在轨道车辆车体上的工程应用研究廖文洁1，2，张璟瑜2，赖鸥2，刘永强1，21.大功率交流传动电力机车系统集成国家重点实验室 湖南株洲 4120012.中车株洲电力机车有限公司 湖南株洲 412001摘要：阐述了静轴肩搅拌摩擦焊在轨道车辆铝合金车体结构上的应用前景，但因其搅拌针与工件刚性接触，且无填充金属，工件的装配精度直接影响焊接质量，尤其对于车体占比70%以上的双层型材对搭接焊接结构，通过试验手段，探明型材装配的间隙容限和错边容限，从而保证产品质量。
关键词：静轴肩搅拌摩擦焊；轨道车辆；铝合金车体；装配1 序言随着高速动车组和城市轨道车辆的快速发展，由大断面铝合金双层型材组焊而成的整体承载筒形结构已然成为最新一代车体结构，在轨道交通领域中广泛应用[1]。
1991年由英国焊接研究所（TWI）发明的搅拌摩擦焊（简称F S W）作为一种绿色、革命性的固相连接技术，经过技术迭代率先在欧洲和日本应用于轨道车辆铝合金车体上[2-4]。
近10年间，国内将FSW技术替代电弧熔化焊应用在一部分车体部件上，主要采用传统的单轴肩FSW[5]，通常称为常规FSW。
常规FSW主要产热来自旋转轴肩与焊件之间的摩擦[6]，导致局部发生强烈的热-力循环作用，焊接载荷大，焊接接头的应变状态相对不均匀。
实际工程应用中，可以观察到明显的飞边和表面弧纹，焊缝有效厚度减薄，焊后有一定变形仍需要调校。
静轴肩搅拌摩擦焊（简称S S F S W）是由TWI在2004年提出的一种FSW新型改良技术，与常规FSW工作原理主要区别是增加一个分离的外部轴肩，焊接时相对静止，不与搅拌针一起旋转。
试验观察到SSFSW焊缝表面平整光滑，没有飞边的产生而导致的材料损失，焊缝厚度几乎与工件等厚[7]。
如果将S S F S W实现工程应用，首先，根据其优势，分析可以在车体中哪些结构上应用，这将直接影响到生产企业的产能分配、工艺布局和设备投入。
其次，与常规FSW一样，SSFSW搅拌工具与工件刚性接触，无填充金属，相对于电弧与工件的柔性接触，对工件装配精度十分敏感，是制约其工程化应用的瓶颈问题，因此探明SSFSW工件装配容限十分重要。
搅拌摩擦焊静轴肩焊具设计及制造规范T_CWAN 0022-2021
目次前言 (II)1范围 (1)2规范性引用文件 (1)3术语和定义 (1)4焊具设计原则 (3)4.1搅拌针设计原则 (3)4.2静止轴肩设计原则 (4)4.3静止轴套设计原则 (5)4.4紧固件设计原则 (5)5焊具制造原则 (5)5.1原材料加工 (5)5.2热处理 (5)5.3焊具精磨 (5)5.4焊具表面处理 (5)5.5焊具检验原则 (5)6焊具存储、包装及运输 (6)6.1包装规范 (6)6.2运输规范 (6)6.3焊具的存储 (6)7焊具使用方法 (6)附录A（资料性） (7)附录B（资料性） (8)附录C（资料性） (9)搅拌摩擦焊静轴肩焊具设计及制造规范1范围本文件规定了静止轴肩搅拌摩擦焊焊具定义、作用、设计、制造及焊接技术条件的范围包括静止轴肩搅拌摩擦焊用的焊具设计及制造和安全要求等。
本文件适用于各种材料的静止轴肩搅拌摩擦焊焊接用焊具。
2规范性引用文件GB/T1804一般公差未注公差的线性和角度尺寸的公差GB/T3246.2-2012变形铝及铝合金制品组织检验方法第2部分：低倍组织检验方法GB/T3323.1-2019焊缝无损检测射线检测第1部分：X和伽玛射线的胶片技GB/T3375焊接术语GB/T11345-2013焊缝无损检测超声波检测技术、检测等级和评定GB/T18851.1-2012无损检测渗透检测第1部分：总则GB/T26953-2011焊缝无损检测焊缝渗透检测验收等级GB/T26955—2011金属材料焊缝破坏性试验焊缝宏观和微观检验GB/T34630搅拌摩擦焊铝及铝合金T/CWAN0012—2019焊接术语-压焊3术语和定义3.1搅拌摩擦焊friction stir welding利用高速旋转的搅拌头插入被焊材料后沿焊接方向运动，搅拌头与焊接材料产生摩擦热，使材料达到热塑性状态，实现工件间固相连接的焊接方法，见图1。
说明:1-母材;3-搅拌头;5-轴肩;6-搅拌针;13-焊缝表面;7-后退侧;12-前进侧;11-匙孔. 8-搅拌头旋转方向（顺时针/逆时针方向）;2-搅拌头下压;c-轴向压力;9-焊接方向;10-搅拌头上提.图1搅拌摩擦焊原理示意图3.2静止轴肩搅拌摩擦焊stationary shoulder friction stir welding静止轴肩搅拌摩擦焊通过内部旋转的搅拌针扎入待焊材料与焊接材料产生摩擦热，使材料达到热塑性状态，外部不旋转的轴肩与试板表面紧密接触并对材料施加压力或者保证材料不被挤出，内部旋转的搅拌针与外部不旋转的轴肩一起沿焊接方向运动，实现工件间固相连接的焊接方法，静止轴肩搅拌摩擦焊用焊具如图2所示。
2219-T6静轴肩辅助搅拌摩擦焊组织与性能分析
2219-T6静轴肩辅助搅拌摩擦焊组织与性能分析作者：贺地求刘朋王海军王东曜赖瑞林来源：《湖南大学学报·自然科学版》2021年第08期摘要：为探究安装外部静止轴肩对搅拌摩擦焊接头成形和力学性能的影响，采用自主研制的外部静止轴肩辅助搅拌摩擦焊（Non-Rotational Shoulder Assisted Friction Stir Welding，NRSA-FSW）焊具对2219-T6铝合金4 mm厚板材进行对接焊试验，观察焊后接头表面成形情况. 采用拉伸和显微硬度试验对焊缝的力学性能进行测试，并与相同焊接参数下的搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding，FSW）进行对比分析. 使用金相显微镜和场发射扫描电镜对接头焊缝组织进行分析. 结果表明，由于静止轴肩的平动刮擦作用，NRSA-FSW相比FSW，接头表面更加光滑，无鱼鳞纹、飞边以及接头减薄现象. NRSA-FSW接头相比于FSW接头软化区有所增加，接头显微硬度分布更加均匀. NRSA-FSW接头平均抗拉强度323 MPa，达到母材的72%，抗拉强度同FSW相近 . NRSA-FSW焊核呈“U”状，焊缝组织无缺陷. 接头拉伸试验在焊核区（Nuggest-Zone，NZ）处断裂，为韧性断裂.关键词：搅拌摩擦焊;2219-T6铝合金;微观组织;力学性能中图分类号：TG453.9 文献标志码：AAnalysis of Microstructure and Mechanical Properties of 2219-T6Non-rotational Shoulder Assisted Friction Stir WeldingHE Diqiu1，2，LIU Peng1，WANG Haijun2，WANG Dongyao2，LAI Ruilin3（1. Light Alloy Research Institute，Central South University，Changsha 410083，China;2. State Key Laboratory of High Performance Complex Manufacturing，Central South University，Changsha 410083，China;3. State Key Laboratory of Powder Metallurgy，Central South University，Changsha 410083，China）Abstract：To investigate the effect of the external stationary shoulder on the formability and mechanical properties of friction stir welding joint，the self-developed NRSA-FSW （ non-rotational shoulder assisted friction stir welding ） was used to weld 2219-T6 aluminum alloy with the thickness of 4 mm plate. Mechanical properties of the joint were analyzed by tensile test and microhardness test. Optical microscopy and field emission scanning electron microscope were used to analyze the microstructure of the joint cross section. The results showed that the surface of the joint processed by NRSA-FSW formed without fish scales，flash，and thinning，and represented smooth appearance due to the scrapping effect of the static shoulder. Compared with the joint processed by FSW （friction stir welding） under the same condition，the softening zone of the joint processed by NRAS-FSW increased，and the microhardness distribution of the joint was more uniform. The average ultimate tensile strength of joints processed by NRAS-FSW was 323 MPa，approaching 72%of the base material，which was similar to the joint processed by FSW. Defects were not observed in the joint processed by NRSA-FSW. NZ （nuggest-zone） appeared as a "U" shape and the joint fractured in the NZ during tensile tests，which was ductile fracture.Key words：friction stir welding;2219-T6 aluminum alloy;microstructure;mechanical propertiesFSW（Friction Stir Welding）作为新式固相连接技术，适用于传统熔焊不易焊接的金属材料. 在焊接过程中，FSW能够使连接材料进行塑性流动，而不是融化状态，故不存在熔焊缺陷，为镁、铝、铜以及合金材料提供了一种新型的焊接方法[1].虽然FSW焊接方式已被各工业领域广泛接受，但随着其在航空航天工业中的不断应用，发现传统的FSW技术在焊接合金化程度高的2系与7系高强铝合金时，出现焊接质量明显下降，焊接过程不稳定等突出问题[2-3].由于传统FSW特殊的焊缝成形机制，导致焊接工程中对工装夹具的要求较高，焊接后会在接头处留下鱼鳞纹、飞边、匙孔以及焊缝减薄等特征. Widener等[4]最先将静止轴肩应用到FSW当中，增加了焊缝表面的光洁度并对焊缝质量有所改善. Li等[5]研究了不同转速下NRSA-FSW接头的显微组织，认为NRSA-FSW有助于增加接头微观组织均匀性. 刘景麟等[6]就NRSA-FSW的温度与应力进行数值模拟分析，认为静止轴肩辅助工艺具有降低焊缝区域的温度峰值以及残余应力峰值的效果. 许志武等[7]研究了静止轴肩辅助技术在铝镁搅拌摩擦搭接焊的应用，认为静止轴肩有利于增强上下板之间的材料交换. 当前大多数NRSA-FSW研究着重于探究改变工艺参数对接头的微观组织与力学性能的影响. 关于FSW添加静止轴肩辅助后对接头造成的微观组织和力学性能改变方面还需要更进一步的探索. 本文创新性的采用可拆卸式的组合焊具，静止轴肩可直接安装在焊头外进行焊接试验，NRSA-FSW试验的内部运动焊头与FSW试验使用的焊头为同一个，最大限度的控制试验变量. 本试验对2219-T6高强铝合金4 mm厚板材在相同转速、行进速度和压深下，观察添加外部静止轴肩辅助的FSW对接头表面成形的影响，分析焊缝微观组织并对焊缝的力学性能同FSW进行对比分析.1 试验材料与方法试验使用240 mm×100 mm×4 mm的2219-T6铝合金板材作为焊接材料，表1为其化学成分组成. 试验所用的NRSA-FSW焊具以及试验平台均为中南大学自行研制，焊接形式为单道对接焊. 试验前，先对FSW和NRSA-FSW进行工艺窗口探索，本次试验所用NRSA-FSW和FSW的焊接参数均为主轴转速1 200 r/min，行进速度150 mm/min，压深3.8 mm，NRSA-FSW 和FSW均使用无倾角焊接. 图1为NRSA-FSW焊头局部示意图，其中搅拌头的轴肩宽度为9.8 mm，搅拌针顶部直径为3.5 mm，根部直径为4 mm，针长3.8 mm，外部的辅助静止轴肩直径为12.6 mm. 焊接前，使用铣刀对板材对接面进行铣削处理，从而保证对接贴合无缝隙，并使用角磨机打磨材料上下表面去除其氧化膜.本次分析试验是材料在焊后自然时效7 d 后进行的. 垂直于焊缝截取拉伸样和金相试样，由凯勒试剂（2 mL HF + 3 mL FCL + 5 mL HNO3 + 190 mL H2O）腐蚀后借助超景深三维显微镜观察和分析焊缝宏观形貌以及接头各区域的显微组织. 显微硬度测试采用数字式显微硬度计，试验加载载荷为500 g、加载时间为15 s;拉伸试验采用电子万能试验机，其拉伸速度为2 mm/min. 拉伸试验结束后，截取试样焊核部分将其两端合并、冷镶，经打磨腐蚀后使用超景深三维显微镜对拉伸断裂位置进行分析;使用场发射扫描电镜观察接头拉伸断口形貌并对接头横截面粗大颗粒分布进行分析;使用X射线能谱分析仪（Energy Dispersive Spectrometer，EDS）分析材料粗大颗粒元素组成.2 试验结果和分析2.1 焊缝表面成形图2（a）（b）为NRSA-FSWRF和FSW的焊缝接头表面形貌. 图2（c）（d）为NRSA-FSW和FSW光学表面轮廓分析图. NRSA-FSW接头宽度为11.8 mm，尺寸大于内部动轴肩，小于外部静止轴肩，FSW焊缝宽度为9.8 mm，与轴肩宽度一致. 在图2（a）（b）中可以看到，FSW接头沿焊缝走向为分布规律的半圆弧状“鱼鳞纹”结构，圆弧直径与轴肩直径一致，焊缝两侧有少量飞边. NRSA-FSW接头表面相对光滑，成形良好，沿焊接行进方向有轻微刮擦痕迹. FSW在焊接行进过程中，搅拌头会存在短暂的停留，停留期间材料表层塑性材料会从搅拌头外缘挤压出来，在后退侧形成半圆形叠纹的“鱼鳞纹”[8]. NRSA-FSW焊接过程中随着焊接的行进，由于后方辅助静止轴肩的平动，会将前方动轴肩新生成的鱼鳞纹抹平，继而形成相对光滑的焊接面.NRSA-FSW焊接过程中，内部转动搅拌头、辅助静轴肩、母材、底部垫板之间会形成封闭的挤压模. 外部静轴肩可以将塑性金属材料封闭在挤压模内，外部静轴肩在顶锻、挤压和回填由内部旋转焊头挤出的金属而形成焊缝的过程中起到关键作用，几乎不会产生因挤压模内塑性金属外溢而造成飞边[9-10].焊接方向选取检测线，由图2（c）（d）可以看出，NRSA-FSW 表面呈现平滑曲线，而FSW表面则呈现出波纹状曲线. 沿着焊接方向为横坐标，板厚方向为纵坐标，选取中间段曲线相对平稳部分横坐标在100 μm范围内，NRSA-FSW纵坐标波动范围为3～7 μm，而FSW波动范围为20～25 μm，可见NRSA-FSW可显著提高焊接表面平整度.2.2 焊缝接头组织分析图3（a）为NRSA-FSW超景深三维显微镜下的接头显微组织图像，焊缝整体形貌呈现上宽下窄的“U”状. 接头由位于焊缝中心的NZ、NZ两侧热机影响区（Thermo-Mechanically Affected Zone，TMAZ）和TMAZ外侧的热影响区（Heat Affected Zone，HAZ）以及母材區（Base-Metal，BM）组成. 在NZ可以观察到层状叠加的洋葱环组织. 洋葱环的形成是由于焊接过程中搅拌针附近材料受到剪切力作用，从搅拌针顶端带动到搅拌针底端，焊核组织受挤压形成的带状结构[11].FSW（Friction Stir Welding）作为新式固相连接技术，适用于传统熔焊不易焊接的金属材料. 在焊接过程中，FSW能够使连接材料进行塑性流动，而不是融化状态，故不存在熔焊缺陷，为镁、铝、铜以及合金材料提供了一种新型的焊接方法[1].虽然FSW焊接方式已被各工业领域广泛接受，但随着其在航空航天工业中的不断应用，发现传统的FSW技术在焊接合金化程度高的2系与7系高强铝合金时，出现焊接质量明显下降，焊接过程不稳定等突出问题[2-3].由于传统FSW特殊的焊缝成形机制，导致焊接工程中对工装夹具的要求较高，焊接后会在接头处留下鱼鳞纹、飞边、匙孔以及焊缝减薄等特征. Widener等[4]最先将静止轴肩应用到FSW当中，增加了焊缝表面的光洁度并对焊缝质量有所改善. Li等[5]研究了不同转速下NRSA-FSW接头的显微组织，认为NRSA-FSW有助于增加接头微观组织均匀性. 刘景麟等[6]就NRSA-FSW的温度与应力进行数值模拟分析，认为静止轴肩辅助工艺具有降低焊缝区域的温度峰值以及残余应力峰值的效果. 许志武等[7]研究了静止轴肩辅助技术在铝镁搅拌摩擦搭接焊的应用，认为静止轴肩有利于增强上下板之间的材料交换. 当前大多数NRSA-FSW研究着重于探究改变工艺参数对接头的微观组织与力学性能的影响. 关于FSW添加静止轴肩辅助后对接头造成的微观组织和力学性能改变方面还需要更进一步的探索. 本文创新性的采用可拆卸式的组合焊具，静止轴肩可直接安装在焊头外进行焊接试验，NRSA-FSW试验的内部运动焊头与FSW试验使用的焊头为同一个，最大限度的控制试验变量. 本试验对2219-T6高强铝合金4 mm厚板材在相同转速、行进速度和压深下，观察添加外部静止轴肩辅助的FSW对接头表面成形的影响，分析焊缝微观组织并对焊缝的力学性能同FSW进行对比分析.1 试验材料与方法试验使用240 mm×100 mm×4 mm的2219-T6铝合金板材作为焊接材料，表1为其化学成分组成. 试验所用的NRSA-FSW焊具以及试验平台均为中南大学自行研制，焊接形式为单道对接焊. 试验前，先对FSW和NRSA-FSW进行工艺窗口探索，本次试验所用NRSA-FSW和FSW的焊接参数均为主轴转速1 200 r/min，行进速度150 mm/min，压深3.8 mm，NRSA-FSW 和FSW均使用无倾角焊接. 图1为NRSA-FSW焊头局部示意图，其中搅拌头的轴肩宽度为9.8 mm，搅拌针顶部直径为3.5 mm，根部直径为4 mm，针长3.8 mm，外部的辅助静止轴肩直径为12.6 mm. 焊接前，使用铣刀对板材对接面进行铣削处理，从而保证对接贴合无缝隙，并使用角磨机打磨材料上下表面去除其氧化膜.本次分析试验是材料在焊后自然时效7 d 后进行的. 垂直于焊缝截取拉伸样和金相试样，由凯勒试剂（2 mL HF + 3 mL FCL + 5 mL HNO3 + 190 mL H2O）腐蚀后借助超景深三维显微镜观察和分析焊缝宏观形貌以及接头各区域的显微组织. 显微硬度测试采用数字式显微硬度计，试验加载载荷为500 g、加载时间为15 s;拉伸试验采用电子万能试验机，其拉伸速度为2 mm/min. 拉伸试验结束后，截取试样焊核部分将其两端合并、冷镶，经打磨腐蚀后使用超景深三维显微镜对拉伸断裂位置进行分析;使用場发射扫描电镜观察接头拉伸断口形貌并对接头横截面粗大颗粒分布进行分析;使用X射线能谱分析仪（Energy Dispersive Spectrometer，EDS）分析材料粗大颗粒元素组成.2 试验结果和分析2.1 焊缝表面成形图2（a）（b）为NRSA-FSWRF和FSW的焊缝接头表面形貌. 图2（c）（d）为NRSA-FSW和FSW光学表面轮廓分析图. NRSA-FSW接头宽度为11.8 mm，尺寸大于内部动轴肩，小于外部静止轴肩，FSW焊缝宽度为9.8 mm，与轴肩宽度一致. 在图2（a）（b）中可以看到，FSW接头沿焊缝走向为分布规律的半圆弧状“鱼鳞纹”结构，圆弧直径与轴肩直径一致，焊缝两侧有少量飞边. NRSA-FSW接头表面相对光滑，成形良好，沿焊接行进方向有轻微刮擦痕迹. FSW在焊接行进过程中，搅拌头会存在短暂的停留，停留期间材料表层塑性材料会从搅拌头外缘挤压出来，在后退侧形成半圆形叠纹的“鱼鳞纹”[8]. NRSA-FSW焊接过程中随着焊接的行进，由于后方辅助静止轴肩的平动，会将前方动轴肩新生成的鱼鳞纹抹平，继而形成相对光滑的焊接面.NRSA-FSW焊接过程中，内部转动搅拌头、辅助静轴肩、母材、底部垫板之间会形成封闭的挤压模. 外部静轴肩可以将塑性金属材料封闭在挤压模内，外部静轴肩在顶锻、挤压和回填由内部旋转焊头挤出的金属而形成焊缝的过程中起到关键作用，几乎不会产生因挤压模内塑性金属外溢而造成飞边[9-10].焊接方向选取检测线，由图2（c）（d）可以看出，NRSA-FSW 表面呈现平滑曲线，而FSW表面则呈现出波纹状曲线. 沿着焊接方向为横坐标，板厚方向为纵坐标，选取中间段曲线相对平稳部分横坐标在100 μm范围内，NRSA-FSW纵坐标波动范围为3～7 μm，而FSW波动范围为20～25 μm，可见NRSA-FSW可显著提高焊接表面平整度.2.2 焊缝接头组织分析图3（a）为NRSA-FSW超景深三维显微镜下的接头显微组织图像，焊缝整体形貌呈现上宽下窄的“U”状. 接头由位于焊缝中心的NZ、NZ两侧热机影响区（Thermo-Mechanically Affected Zone，TMAZ）和TMAZ外侧的热影响区（Heat Affected Zone，HAZ）以及母材区（Base-Metal，BM）组成. 在NZ可以观察到层状叠加的洋葱环组织. 洋葱环的形成是由于焊接过程中搅拌针附近材料受到剪切力作用，从搅拌针顶端带动到搅拌针底端，焊核组织受挤压形成的带状结构[11].FSW（Friction Stir Welding）作为新式固相连接技术，适用于传统熔焊不易焊接的金属材料. 在焊接过程中，FSW能够使连接材料进行塑性流动，而不是融化状态，故不存在熔焊缺陷，为镁、铝、铜以及合金材料提供了一种新型的焊接方法[1].虽然FSW焊接方式已被各工业领域广泛接受，但随着其在航空航天工业中的不断应用，发现传统的FSW技术在焊接合金化程度高的2系与7系高强铝合金时，出现焊接质量明显下降，焊接过程不稳定等突出问题[2-3].由于传统FSW特殊的焊缝成形机制，导致焊接工程中对工装夹具的要求较高，焊接后会在接头处留下鱼鳞纹、飞边、匙孔以及焊缝减薄等特征. Widener等[4]最先将静止轴肩应用到FSW当中，增加了焊缝表面的光洁度并对焊缝质量有所改善. Li等[5]研究了不同转速下NRSA-FSW接头的显微组织，认为NRSA-FSW有助于增加接头微观组织均匀性. 刘景麟等[6]就NRSA-FSW的温度与应力进行数值模拟分析，认为静止轴肩辅助工艺具有降低焊缝区域的温度峰值以及残余应力峰值的效果. 许志武等[7]研究了静止轴肩辅助技术在铝镁搅拌摩擦搭接焊的应用，认为静止轴肩有利于增强上下板之间的材料交换. 当前大多数NRSA-FSW研究着重于探究改变工艺参数对接头的微观组织与力学性能的影响. 关于FSW添加静止轴肩辅助后对接头造成的微观组织和力学性能改变方面还需要更进一步的探索. 本文创新性的采用可拆卸式的组合焊具，静止轴肩可直接安装在焊头外进行焊接试验，NRSA-FSW试验的内部运动焊头与FSW试验使用的焊头为同一个，最大限度的控制试验变量. 本试验对2219-T6高强铝合金4 mm厚板材在相同转速、行进速度和压深下，观察添加外部静止轴肩辅助的FSW对接头表面成形的影响，分析焊缝微观组织并对焊缝的力学性能同FSW进行对比分析.1 试验材料与方法试验使用240 mm×100 mm×4 mm的2219-T6铝合金板材作为焊接材料，表1为其化学成分组成. 试验所用的NRSA-FSW焊具以及试验平台均为中南大学自行研制，焊接形式为单道对接焊. 试验前，先对FSW和NRSA-FSW进行工艺窗口探索，本次试验所用NRSA-FSW和FSW的焊接参数均为主轴转速1 200 r/min，行进速度150 mm/min，压深3.8 mm，NRSA-FSW 和FSW均使用无倾角焊接. 图1为NRSA-FSW焊头局部示意图，其中搅拌头的轴肩宽度为9.8 mm，搅拌针顶部直径为3.5 mm，根部直径为4 mm，针长3.8 mm，外部的辅助静止轴肩直径为12.6 mm. 焊接前，使用铣刀对板材对接面进行铣削处理，从而保证对接贴合无缝隙，并使用角磨机打磨材料上下表面去除其氧化膜.本次分析试验是材料在焊后自然时效7 d 后进行的. 垂直于焊缝截取拉伸样和金相试样，由凯勒试剂（2 mL HF + 3 mL FCL + 5 mL HNO3 + 190 mL H2O）腐蚀后借助超景深三维显微镜观察和分析焊缝宏观形貌以及接头各区域的显微组织. 显微硬度测试采用数字式显微硬度计，试验加载载荷为500 g、加载时间为15 s;拉伸试验采用电子万能试验机，其拉伸速度为2 mm/min. 拉伸试验结束后，截取试样焊核部分将其两端合并、冷镶，经打磨腐蚀后使用超景深三维显微镜对拉伸断裂位置进行分析;使用场发射扫描电镜观察接头拉伸断口形貌并对接头横截面粗大颗粒分布进行分析;使用X射线能谱分析仪（Energy Dispersive Spectrometer，EDS）分析材料粗大颗粒元素组成.2 试验结果和分析2.1 焊缝表面成形图2（a）（b）为NRSA-FSWRF和FSW的焊缝接头表面形貌. 图2（c）（d）为NRSA-FSW和FSW光学表面轮廓分析图. NRSA-FSW接头宽度为11.8 mm，尺寸大于内部动轴肩，小于外部静止轴肩，FSW焊缝宽度为9.8 mm，与轴肩宽度一致. 在图2（a）（b）中可以看到，FSW接头沿焊缝走向为分布规律的半圆弧状“鱼鳞纹”结构，圆弧直径与轴肩直径一致，焊缝两侧有少量飞边. NRSA-FSW接头表面相对光滑，成形良好，沿焊接行进方向有轻微刮擦痕迹. FSW在焊接行进过程中，搅拌头会存在短暂的停留，停留期间材料表层塑性材料会从搅拌头外缘挤压出来，在后退侧形成半圆形叠纹的“鱼鳞纹”[8]. NRSA-FSW焊接过程中随着焊接的行进，由于后方辅助静止轴肩的平动，会将前方动轴肩新生成的鱼鳞纹抹平，继而形成相对光滑的焊接面.NRSA-FSW焊接过程中，内部转动搅拌头、辅助静轴肩、母材、底部垫板之间会形成封闭的挤压模. 外部静轴肩可以将塑性金属材料封闭在挤压模内，外部静轴肩在顶锻、挤压和回填由内部旋转焊头挤出的金属而形成焊缝的过程中起到关键作用，几乎不会产生因擠压模内塑性金属外溢而造成飞边[9-10].焊接方向选取检测线，由图2（c）（d）可以看出，NRSA-FSW 表面呈现平滑曲线，而FSW表面则呈现出波纹状曲线. 沿着焊接方向为横坐标，板厚方向为纵坐标，选取中间段曲线相对平稳部分横坐标在100 μm范围内，NRSA-FSW纵坐标波动范围为3～7 μm，而FSW波动范围为20～25 μm，可见NRSA-FSW可显著提高焊接表面平整度.2.2 焊缝接头组织分析图3（a）为NRSA-FSW超景深三维显微镜下的接头显微组织图像，焊缝整体形貌呈现上宽下窄的“U”状. 接头由位于焊缝中心的NZ、NZ两侧热机影响区（Thermo-Mechanically Affected Zone，TMAZ）和TMAZ外侧的热影响区（Heat Affected Zone，HAZ）以及母材区（Base-Metal，BM）组成. 在NZ可以观察到层状叠加的洋葱环组织. 洋葱环的形成是由于焊接过程中搅拌针附近材料受到剪切力作用，从搅拌针顶端带动到搅拌针底端，焊核组织受挤压形成的带状结构[11].FSW（Friction Stir Welding）作为新式固相连接技术，适用于传统熔焊不易焊接的金属材料. 在焊接过程中，FSW能够使连接材料进行塑性流动，而不是融化状态，故不存在熔焊缺陷，为镁、铝、铜以及合金材料提供了一种新型的焊接方法[1].虽然FSW焊接方式已被各工业领域广泛接受，但随着其在航空航天工业中的不断应用，发现传统的FSW技术在焊接合金化程度高的2系与7系高强铝合金时，出现焊接质量明显下降，焊接过程不稳定等突出问题[2-3].由于传统FSW特殊的焊缝成形机制，导致焊接工程中对工装夹具的要求较高，焊接后会在接头处留下鱼鳞纹、飞边、匙孔以及焊缝减薄等特征. Widener等[4]最先将静止轴肩应用到FSW当中，增加了焊缝表面的光洁度并对焊缝质量有所改善. Li等[5]研究了不同转速下NRSA-FSW接头的显微组织，认为NRSA-FSW有助于增加接头微观组织均匀性. 刘景麟等[6]就NRSA-FSW的温度与应力进行数值模拟分析，认为静止轴肩辅助工艺具有降低焊缝区域的温度峰值以及残余应力峰值的效果. 许志武等[7]研究了静止轴肩辅助技术在铝镁搅拌摩擦搭接焊的应用，认为静止轴肩有利于增强上下板之间的材料交换. 当前大多数NRSA-FSW研究着重于探究改变工艺参数对接头的微观组织与力学性能的影响. 关于FSW添加静止轴肩辅助后对接头造成的微观组织和力学性能改变方面还需要更进一步的探索. 本文创新性的采用可拆卸式的组合焊具，静止轴肩可直接安装在焊头外进行焊接试验，NRSA-FSW试验的内部运动焊头与FSW试验使用的焊头为同一个，最大限度的控制试验变量. 本试验对2219-T6高强铝合金4 mm厚板材在相同转速、行进速度和压深下，观察添加外部静止轴肩辅助的FSW对接头表面成形的影响，分析焊缝微观组织并对焊缝的力学性能同FSW进行对比分析.1 试验材料与方法试验使用240 mm×100 mm×4 mm的2219-T6铝合金板材作为焊接材料，表1为其化学成分组成. 试验所用的NRSA-FSW焊具以及试验平台均为中南大学自行研制，焊接形式为单道对接焊. 试验前，先对FSW和NRSA-FSW进行工艺窗口探索，本次试验所用NRSA-FSW和FSW的焊接参数均为主轴转速1 200 r/min，行进速度150 mm/min，压深3.8 mm，NRSA-FSW 和FSW均使用无倾角焊接. 图1为NRSA-FSW焊头局部示意图，其中搅拌头的轴肩宽度为9.8 mm，搅拌针顶部直径为3.5 mm，根部直径为4 mm，针长3.8 mm，外部的辅助静止轴肩直径为12.6 mm. 焊接前，使用铣刀对板材对接面进行铣削处理，从而保证对接贴合无缝隙，并使用角磨机打磨材料上下表面去除其氧化膜.本次分析试验是材料在焊后自然时效7 d 后进行的. 垂直于焊缝截取拉伸样和金相试样，由凯勒试剂（2 mL HF + 3 mL FCL + 5 mL HNO3 + 190 mL H2O）腐蚀后借助超景深三维显微镜观察和分析焊缝宏观形貌以及接头各区域的显微组织. 显微硬度测试采用数字式显微硬度计，试验加载载荷为500 g、加载时间为15 s;拉伸试验采用电子万能试验机，其拉伸速度为2 mm/min. 拉伸试验结束后，截取试样焊核部分将其两端合并、冷镶，经打磨腐蚀后使用超景深三维显微镜对拉伸断裂位置进行分析;使用场发射扫描电镜观察接头拉伸断口形貌并对接头横截面粗大颗粒分布进行分析;使用X射线能谱分析仪（Energy Dispersive Spectrometer，EDS）分析材料粗大颗粒元素组成.2 试验结果和分析2.1 焊缝表面成形图2（a）（b）为NRSA-FSWRF和FSW的焊缝接头表面形貌. 图2（c）（d）为NRSA-FSW和FSW光学表面轮廓分析图. NRSA-FSW接头宽度为11.8 mm，尺寸大于内部动轴肩，小于外部静止轴肩，FSW焊缝宽度为9.8 mm，与轴肩宽度一致. 在图2（a）（b）中可以看到，FSW接头沿焊缝走向为分布规律的半圆弧状“鱼鳞纹”结构，圆弧直径与轴肩直径一致，焊缝两侧有少量飞边. NRSA-FSW接头表面相对光滑，成形良好，沿焊接行进方向有轻微刮擦痕迹. FSW在焊接行进过程中，搅拌头会存在短暂的停留，停留期间材料表层塑性材料会从搅拌头外缘挤压出来，在后退侧形成半圆形叠纹的“鱼鳞纹”[8]. NRSA-FSW焊接过程中随着焊接。
6082-T6铝合金静轴肩搅拌摩擦焊工艺及性能优化
6082-T6铝合金静轴肩搅拌摩擦焊工艺及性能优化6082-T6铝合金静轴肩搅拌摩擦焊工艺及性能优化摘要：6082-T6铝合金是一种常用于航空航天、汽车制造以及其他工业领域的高强度铝合金。
本文以6082-T6铝合金为研究对象，研究了静轴肩搅拌摩擦焊工艺参数对焊缝性能的影响，并进行了性能优化。
关键词：6082-T6铝合金；静轴肩搅拌摩擦焊；工艺参数；性能优化1. 引言6082-T6铝合金具有优良的机械性能和热处理响应性，广泛应用于航空、航天、汽车等领域。
静轴肩搅拌摩擦焊是一种非常适合铝合金焊接的新工艺。
通过搅拌和摩擦热的作用，焊接界面的金属实现了高强度的连接，同时避免了熔化焊接中可能会引起的气孔和裂纹缺陷。
然而，焊接工艺参数对静轴肩搅拌摩擦焊接接头的性能有重要影响。
本文旨在通过研究不同工艺参数对焊缝性能的影响，进一步优化6082-T6铝合金的搅拌摩擦焊接工艺。
2. 实验方法2.1 材料准备本实验选用标准6082-T6铝合金作为焊接材料。
通过切割和打磨，制备出尺寸为100mm x 50mm x 2mm的焊接基板。
2.2 设计工艺参数实验中采用工艺参数包括转速、下压力和焊接时间。
通过正交试验设计方法，选定不同水平的工艺参数，共进行9组实验。
2.3 搅拌摩擦焊实验实验中使用专用设备进行搅拌摩擦焊接。
先将两个焊接材料的表面清洁干净，然后固定在设备上。
根据设计的工艺参数，进行焊接。
3. 结果与分析3.1 宏观观察通过断口观察，发现随着转速的增加，焊缝形状由凹凸不平逐渐过渡为平整。
随着下压力的增加，焊缝表面质量有所提高。
焊接时间对焊缝表面质量影响不明显。
3.2 显微组织观察对焊接接头进行金相观察，发现焊缝区域呈现出细小且均匀的晶粒结构。
焊缝内部不存在明显的裂纹和孔隙缺陷。
3.3 力学性能测试对焊接接头进行拉伸测试，得到焊缝强度和断裂伸长率的数据。
结果显示，在一定范围内，焊接强度和断裂伸长率随转速和下压力的增加而增加，但随焊接时间的增加而下降。
t型接头角接静轴肩搅拌摩擦焊缺陷研究
t型接头角接静轴肩搅拌摩擦焊缺陷研究T型接头角接静轴肩搅拌摩擦焊缺陷研究搅拌摩擦焊是一种应用越来越广泛的新型焊接技术，因其具有高效、环保等优点，而在航空制造、汽车制造、轨道交通等领域得到了广泛应用。
其中的T型接头角接静轴肩搅拌摩擦焊过程，由于焊接接头的复杂性，容易出现各种缺陷。
本文将探讨T型接头角接静轴肩搅拌摩擦焊缺陷及其研究。
一、T型接头角接静轴肩搅拌摩擦焊缺陷分类1. 良好的焊接接头：良好的焊接接头是在完整的工艺条件下实现的，表面光滑而且没有夹杂和缺陷。
2. 接头上泡沫体缩孔：接头上泡沫体缩孔是在焊接过程中形成的。
这种缺陷主要是由于氧化铝和不良金属流动不均匀引起的。
3. 焊道内空隙：焊道内空隙是在焊接过程中产生的，主要是由于未清理洞口、边缘变形导致的。
4. 焊接接头裂缝：焊接接头裂缝也是在焊接过程中产生的，主要是由于焊接材料的不均匀和焊接速度不均匀引起的。
5. 焊接接头变形：焊接接头变形是由于焊接变形引起的，通常是由于T型接头和角接接头的焊接面积小，焊接变形率大造成的。
二、T型接头角接静轴肩搅拌摩擦焊缺陷的研究1. 实验研究：对T型接头角接静轴肩搅拌摩擦焊进行实验研究，评估焊接接头质量。
通过实验分析，发现焊接速度、摩擦系数、螺纹深度等是产生焊接接头缺陷的主要原因。
2. 数值模拟：利用数值模拟方法研究T型接头角接静轴肩搅拌摩擦焊接的缺陷问题。
数值模拟可以通过调整参数来确定焊接接头质量，进而减少或避免相应的缺陷。
3. 优化设计：通过改进T型接头和角接接头的设计，如增加焊接面积，调整焊接速度等方式，可以有效地降低焊接接头的缺陷率。
总之，T型接头角接静轴肩搅拌摩擦焊缺陷是焊接过程中常见的问题，相关研究已经得到了广泛关注。
通过实验研究、数值模拟及优化设计等手段，可以有效地降低焊接接头缺陷率，提高焊接接头的质量，为工程实践提供有力支持。
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静轴肩搅拌摩擦焊
静轴肩搅拌摩擦焊是一种先进的焊接技术，它通过摩擦加热的方式将两个金属表面粘结在一起。
这种焊接方法不需要使用电弧或者激光，因此具有很多优势，例如可以在室温下焊接大尺寸零部件、不会对环境产生污染、可以焊接不同材料以及可以焊接高强度金属等。
在静轴肩搅拌摩擦焊的过程中，焊接头通过搅拌头的旋转和移动来产生高速的摩擦热，使焊接表面温度升高并软化，然后通过轴向压力将要焊接的材料表面压紧，使其在摩擦过程中形成粘着状态。
随着焊接头的移动，焊缝的界面开始形成，焊接头将金属材料表面推向焊缝中，产生了一个像焊缝一样的结构。
静轴肩搅拌摩擦焊在飞机、汽车、船舶制造等领域得到了广泛应用，可以用于焊接铝、镁、铜、钛、钢等各种金属。
这种焊接方法能够大幅度降低生产成本和节约能源，有可能成为未来替代传统焊接技术的先进技术。