钛合金的搅拌摩擦焊探索
搅拌摩擦焊及其研究现状
图 2 搅拌摩擦焊焊缝横截面金相组织图 通过对 搅拌摩擦焊焊 接接 头的金 相分 析以 及显微 硬度 分 析可以发现, 搅拌摩擦焊 的焊缝 组织 可分为 A、B、C、D 四个 区 域( 图 3) : A 区为母材区( basic metal, 简称 BM ) , 无热 影响也 无 热变形; B 区为热影响区( heat affected zone, 简称 HAZ) , 该区 域 的材料因受热循 环的 影 响, 微观 组 织和 力学 性 能均 发生 了 变 化, 但没有发生塑性变形; C 区为热 变形影响 区( thermomechanically affected zone, 简称 T M AZ) , 该 区域 材料 已经 产生 了剧 烈 的塑性变形。就铝合金而言, 再结晶区域和 T M AZ 之间通常有 明显的界限, 但在其它 没有热 致相变的 材料中, 如在 纯钛、B 钛 合金、奥氏体不锈钢和铜中, 似乎 T MA Z 整体已再结晶化, 产生 了无应变再 结晶, 这 可能使 得 HA Z/ T M AZ 的边 界难以 精确 划 分; D 区为焊核( dynamically recr ystallized zone, 简称 DX Z) , 焊核 是最接近轴肩的区域, 组织结构通常有较大的 变化。
接工件通过夹具夹紧, 以防止对接接 头在焊接 过程中松开。 一 个带有特型焊针的搅拌焊 头旋 转并缓 慢插 入两 块对接 板材 之 间的焊缝处。焊针的长度接 近焊 缝的 深度。 当旋 转的 焊针 接 触工件表面时, 与工件表面的快速摩擦 产生的摩 擦热使接触 点
材料的温度升高, 强度降低。焊针在外 力作用下 不断顶锻和 挤 压接缝两边的材料, 直 至轴肩 紧密 接触工 件表 面为止 。这时, 由旋转轴肩和焊针产生的 摩擦 热在轴 肩下 面和 焊针周 围形 成 大量的塑化层。当工件相对焊针移动或焊 针相对工件 移动时, 在焊针侧面和旋转方向上产生的机械搅拌 和顶锻作用 下, 焊 针 的前表面把塑化的材料移送到焊针后表 面。这样, 焊针沿着 接 缝前进时, 搅拌焊头前头的对接接头表 面被摩擦 加热至超塑 性 状态。结果 , 焊针磨擦接缝, 破碎氧化膜, 搅拌和 重组搅拌焊 头 后方的磨碎材料, 搅 拌 焊头 后方 的 材料 冷却 后 就形 成固 态 焊 缝。这种方法可以 看作 是 一 种自 锁 孔连 接 技 术, 在焊 接 过 程 中, 焊针所在处形成小孔, 小孔在随后的焊接过程中又被填满( 最 后形成的小孔例外, 这个小孔可以用其它方法填满或切除掉) 。
搅拌摩擦焊要点解析
搅拌摩擦焊要点解析搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding, FSW)是一种固相连接技术，它主要通过机械挤压及摩擦热的共同作用获得焊接接头。
FSW自英国焊接研究所于1991年发明以来，已经实现了铝镁合金、铜合金、钛合金等多种材料不同构件的焊接，并被广泛应用于航空航天、汽车船舶制造等高新科技领域。
搅拌摩擦焊作为一种固相焊接技术，在焊接过程中搅拌针旋转着插入待接缝处，通过搅拌头与焊接工件的摩擦，使连接部位的温度升高，材料软化，并在搅拌针的旋转以及轴肩的顶锻作用下让塑性材料发生移动及挤压变形，最终形成焊缝。
从搅拌摩擦焊的焊接原理及操作过程看，FSW焊接过程中不涉及材料的熔化，具有相应的固相连接优势。
与传统焊接工艺相比，FSW焊接过程中无烟尘与飞溅，无电磁辐射，安全环保；焊接时能量消耗低，焊前工件无需开坡口，焊接过程中无需添加焊丝和保护气体，节能高效；不会出现裂纹、气孔等缺陷，接头有良好的综合性能；焊接设备的结构简单，易于实现机器人及自动化焊接；同时只要设计出合适的搅拌头，FSW可实现不同位置、不同大小、不同接口的焊接，如大型工件及长焊缝的焊接，对接接头、搭接接头、角焊缝、直焊缝、环形焊缝的焊接，适用性广。
由搅拌摩擦焊发展而来的双轴肩搅拌摩擦焊主要是在搅拌头上做了相关改进,使其不仅具有传统搅拌摩擦焊的优势，而且更加适合焊接薄壁中空构件或搭接接头，同时具有施焊灵活、易于实现自动化等优点，在航空航天领域有着广阔的应用前景。
双轴肩自支撑是对传统FSW技术进行的一个补充。
双轴肩的搅拌头使用一个共用的搅拌针连接两个轴肩，每个轴肩分别与试件的两个表面接触，下面的轴肩代替了传统FSW背部的刚性支撑垫板，这一改进大大降低了焊接过程中的锻压力，增加了零件装配和施焊的灵活性，提高了诸如狭小空腔、筒体、双曲率曲线及等复杂结构零件搅拌摩擦焊接的可操作性，同时节省了制造刚性装置的成本。
搅拌摩擦焊焊接缺陷主要有：摩擦面缺陷是指焊缝表面因搅拌头轴肩的摩擦作用而造成的表面不均匀不连续现象，这类缺陷危害性较轻，对于表面成形要求较高的焊缝可以进行适当的人工表面修整。
搅拌摩擦焊焊接过程
搅拌摩擦焊焊接过程
搅拌摩擦焊，也被称为摩擦搅拌焊，是一种通过机械振动摩擦加热并混合金属来进行焊接的技术。
它是一种高效、可靠、环保的焊接方式，广泛应用于航空、汽车、铁路、造船等领域。
搅拌摩擦焊的具体过程是这样的：首先，将待焊接的两个金属板材用夹具紧密压在一起，并用力使其产生摩擦。
然后，利用机械勾绞器在焊接面上施加晶界剪切力，使金属表面产生摩擦热，并将热能沿着焊缝方向传递。
这时，增温的金属开始在摩擦力的作用下熔化，并与另一块金属表面发生混合，形成强劲的焊缝，焊接就完成了。
相对传统的焊接方式，搅拌摩擦焊具有许多优点。
首先，焊接过程中没有明火，不会产生有害气体和废气。
其次，焊接速度快，一般只需要几秒钟就可以完成。
此外，搅拌摩擦焊对于不同种类的材料都有较好的适应性，可以焊接不同种类的金属，如铝合金、镁合金、钛合金等。
关于搅拌摩擦焊的操作要点，有以下几点需要注意。
首先，夹紧力应该处于适当状态，太大会导致材料破裂，太小则会使焊接质量下降。
其次，晶界剪切力需要适度，过大可能会形成多层焊缝，过小则可能会形成未完全熔化的表面。
最后，处理焊缝部位，去除氧化物和其他杂质是保证焊接质量的关键。
总的来说，搅拌摩擦焊是一种高效可靠的新型焊接技术，具有广泛的应用前景。
正确掌握其操作要点，将有助于提高焊接质量，并为相关领域的发展贡献力量。
搅拌摩擦焊
搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊，是一种新型的焊接技术，也被称为搅拌摩擦联接。
它是通过在焊接区域旋转和挤压两个金属工件来产生热量和塑性变形，从而使两个工件达到联接的目的。
与传统的焊接技术相比，搅拌摩擦焊具有许多优点，如焊接速度快、焊缝质量高、金属变形小等。
本文将详细介绍搅拌摩擦焊的原理、应用和发展趋势。
一、搅拌摩擦焊的原理搅拌摩擦焊的原理是在两个金属工件之间施加旋转和挤压力，产生热量和塑性变形，从而使两个工件达到联接的目的。
搅拌摩擦焊的焊接区域主要由以下几个部分组成：1. 摩擦区：是指两个金属工件之间产生的热量和塑性变形的区域，也是焊接区域的主要部分。
在摩擦区，由于热量和挤压力的作用，金属工件的表面会产生摩擦热，从而使金属表面熔化和塑性变形。
在摩擦区，金属工件的晶粒也会受到影响，产生细化和变形，从而提高焊缝的质量。
2. 搅拌区：是指焊接区域中金属工件被挤压和旋转产生的区域。
在搅拌区，金属工件的晶粒也会受到影响，产生细化和变形，从而提高焊缝的质量。
3. 热影响区：是指焊接区域中受到热影响但未受到塑性变形的金属区域。
在热影响区，金属工件的晶粒也会受到影响，但不会产生细化和变形。
二、搅拌摩擦焊的应用搅拌摩擦焊的应用非常广泛，可以用于焊接各种金属材料，如铝合金、镁合金、钛合金、铜、钢等。
它在航空、汽车、船舶、铁路、电子、建筑等领域都有着广泛的应用。
1. 航空领域：搅拌摩擦焊可以用于制造航空器的结构件，如机翼、尾翼、机身等。
它可以提高焊缝质量，减少金属变形，从而提高航空器的性能和安全性。
2. 汽车领域：搅拌摩擦焊可以用于制造汽车的车身、底盘、发动机等部件。
它可以提高焊缝质量，减少金属变形，从而提高汽车的性能和安全性。
3. 船舶领域：搅拌摩擦焊可以用于制造船舶的船体、船舶设备等部件。
它可以提高焊缝质量，减少金属变形，从而提高船舶的性能和安全性。
4. 铁路领域：搅拌摩擦焊可以用于制造铁路车辆的车体、车轮等部件。
它可以提高焊缝质量，减少金属变形，从而提高铁路车辆的性能和安全性。
搅钛合金铝合金异种金属搅拌摩擦焊工艺研究
搅钛合金/铝合金异种金属搅拌摩擦焊工艺研究采用搅拌摩擦焊对TC1钛合金和LF6铝合金异种材料进行了连接，研究了工艺参数对焊缝表面成形、焊接接头横截面形貌和接头的抗拉强度的影响规律。
结果表明，钛合金/铝合金异种材料焊接难度较大，容易产生裂纹、沟槽等缺陷，当搅拌头旋转速度n为750r/min和950r/min,且焊接速度v为118mm/min和150mm/min时均能获得较好的焊缝表面成形，但n 为750r/min时焊接接头横截面钛/铝的界面结合不好，导致接头强度很低。
当n 为950r/min、v 为1118mm/min 时钛合金/铝合金异种材料搅拌摩擦焊接头的强度最高，为131.1MPa。
0 引言铝合金、钛合金是航空航天、能源等高新技术领域中广泛应用的金属材料，其中钛合金有许多独特的优点，如质轻、比强度高、抗冲击等，成为航空航天重点发展的新材料之一[1]。
减轻重量、提高推重比、增加有效载荷等一直是航空发动机和飞机结构设计追求的目标，国内外统计数据表明，二、三、四代军用战斗机各类金属结构材料的用量中钛合金用量大幅度上升至达到整机结构重量的38.8%[2]。
钛合金研究与推广应用的关键之一是钛与异种金属的焊接问题。
针对航空材料特殊性能的要求，将钛合金与铝合金连接形成复合结构可以发挥两种金属不同的性能优势，能大大提高航空航天领域对结构件性能的要求，具有重要的理论意义和实际应用价值，在未来航空结构等领域有广阔的应用前景。
然而，钛合金与铝合金都是活性、极易氧化的金属，两者熔点、热导率、热膨胀系数以及晶体结构等物理性能差异很大，采用常规的焊接方法难以获得满足使用性能要求的焊接接头。
目前，国内外采用电弧熔钎焊[3]、激光熔钎焊[4]、固态扩散焊[5]、液相扩散焊[6]等方法对钛和铝异种材料的焊接进行了研究。
搅拌摩擦焊是一种固态扩散焊接方法，基本不受材料的物理化学性能、机械性能、晶体结构等的影响，对克服不同材料性能差异带来的焊接困难具有极大的优势，比较适合于异种材料的连接。
搅拌摩擦焊工艺及其应用
搅拌摩擦焊工艺及其应用1 搅拌摩擦焊的定义与原理搅拌摩擦焊是一种非常新颖的金属连接技术，其原理是将金属材料在高速旋转的条件下不断挤压与摩擦热而使金属材料发生塑性变形进而在次冷却时形成均匀的焊缝。
搅拌摩擦焊是一种采用振荡摩擦进行的钎焊技术。
摩擦过程中，金属材料被强制变形，形成皱纹和复杂的微细组织结构，这就是焊接区域。
这一过程不需要额外的附加材料，因此也被称为固态钎焊。
搅拌摩擦焊的原理是通过搅拌和摩擦的相互作用，为金属轴套表面提供局部加热来处理金属本身。
在摩擦过程中，摩擦产生的热量会使金属材料温度升高，而旋转工具逐渐伸进焊缝，在相对运动的作用下，产生了强烈的塑性变形以及显著的变形应变。
在形成初期焊缝时，相对运动引起的压力会把材料从环形清隙中抽出，形成时生成混味均匀的焊接界面。
这些过程中摩擦加热导致局部熔化，接长和冷却会使金属变形，并形成一个均匀的、与母材相似的焊缝。
2 搅拌摩擦焊的工艺流程及其特点2.1 搅拌摩擦焊的工艺流程（1）工件准备：首先需要准备待焊接的工件。
工件通常是板材、管材、棒材等形状，可以是相同材质，也可以是不同材质。
（2）夹紧工件：将工件夹紧在专用的工件夹具中，以保证工件在搅拌摩擦焊过程中不会移动或震动。
（3）起始摩擦：在工件接头处的摩擦面上施加旋转摩擦力，使工件表面熔融并形成可焊接的状态。
（4）搅拌摩擦：在不断施加旋转摩擦力的情况下，摩擦头沿着工件的接合面移动，搅拌工件的金属组织，从而形成焊接。
（5）升温保压：在搅拌摩擦焊完成后，保持摩擦头的位置不动，使焊缝部位升温到一定程度，再施加一定的保压力，使焊缝固化。
（6）退火处理：对焊接完成后的工件进行退火处理，可以进一步提高焊接质量和性能。
2.2 搅拌摩擦焊的特点（1）搅拌摩擦焊是一种无焊接接头凸出、无端部凸出的焊接方法，焊缝起伏很小，对焊接部件外观和尺寸精度要求较高的场合比较适用。
（2）搅拌摩擦焊过程中没有明显的电弧和喷溅现象，不需要额外的保护气体，易于操作。
搅拌摩擦焊技术研究与应用
搅拌摩擦焊技术研究与应用作者：陈湘陵谢振中来源：《职业·中旬》2012年第09期搅拌摩擦焊技术，即Friction Stir Welding，简称FSW。
其作为固态连接技术范畴内的新型焊接技术，自CJ• Dawes等科学家正式宣布发明之后，以其较好的使用性能很快被推广开，并应用于各个方面，特别是在一些重工业，例如核电核能、航空航天、车辆船舶等。
由于搅拌摩擦焊接技术本身的发展需要，加之其独特性与不可替代性，都将会是未来焊接技术发展必然方向之一。
本文概述搅拌摩擦焊技术相关概念，同时介绍焊接技术在国内外的发展趋势，还较为详细地分析了该技术在航天、船舶、道路交通之中的应用，为提高并强化搅拌摩擦焊技术的理论基础尽一份小小的薄力，促进搅拌摩擦焊技术的发展。
一、搅拌摩擦焊技术概述1.搅拌摩擦焊技术简介及原理作为新技术的搅拌摩擦焊（该项专利技术由The Welding Institute，即英国焊接研究所开发，开发时间1991年），与常规摩擦焊相比，虽然焊接热源同是利用摩擦热产生，但是其最大的不同之处就在于利用高速旋转搅拌头缓慢插入到被焊工件的待焊部位，利用搅拌头和被焊材料之间的摩擦阻力而产生的摩擦热，高温软化连接部位材料，并在搅拌头轴肩的压力作用下，达到工件间永久性连接的目的。
该技术是以固相连接工艺实现的焊接技术。
2.搅拌摩擦焊技术优点与传统焊接方法相比，搅拌摩擦焊技术具有以下几个优点。
一是焊前不需进行复杂的准备，被焊材料不熔化，焊接接头性能优良，固相连接接头强度高，可实现全方位焊接；二是焊接过程可靠性高，尺寸精度高，生产率高，成本低且节能；三是具有广泛的工艺适应性，能有效减小或消除冶金化学反应问题，能焊接性能差异很大的异种金属材料，亦可焊接同一台设备的金属和非金属材料；四是安全环保，焊接过程整洁，不会产生飞溅、辐射的情况，或产生有害物质。
二、搅拌摩擦焊技术研究现状1.国外研究现状在国外，搅拌摩擦焊接技术的发展已是十分成熟，理论体系也较为系统。
2524薄板搅拌摩擦焊工艺研究
2524薄板搅拌摩擦焊工艺研究2524薄板搅拌摩擦焊工艺是极具技术难点的一种焊接工艺。
它主要应用于2524薄板的搅拌摩擦焊，它具有焊接质量高、尺寸稳定等优点，能够满足薄板结构件无损组装、焊接性能满足设计要求的需求。
由此，2524薄板搅拌摩擦焊工艺成为当前焊接应用中的一种重要工艺。
2524薄板搅拌摩擦焊工艺在过去的几十年里有许多研究工作。
在此基础上，本文从2524薄板搅拌摩擦焊工艺的机理、刀具参数等方面，综合分析该工艺的技术特性，完善其技术参数设置，提出其改进方案。
2524薄板搅拌摩擦焊工艺的机理2524薄板搅拌摩擦焊工艺是利用刀具对被焊接板材产生机械振动，产生摩擦力，在摩擦力的作用下，板材之间瞬时产生热电耦合，形成接触线，使表面金属汞化，使被焊接板材之间的接触线冶炼出来，从而形成一个完整的搅拌摩擦焊接点。
2524薄板搅拌摩擦焊工艺的刀具参数2524薄板搅拌摩擦焊工艺的刀具主要有力的参数为夹持力、摩擦转矩、摩擦前压力以及摩擦角度等，其中夹持力可影响板材间的接触度，摩擦转矩可影响板材摩擦力，摩擦前压力可改善极限特性，摩擦角度也可影响摩擦力大小，摩擦前预压力主要影响摩擦前板材间隙，这些参数是影响薄板搅拌摩擦焊质量的关键参数。
2524薄板搅拌摩擦焊工艺的改进2524薄板搅拌摩擦焊工艺的改进主要以提高刀具的耐磨性、减少工艺参数的影响、优化工艺流程、提高焊接强度与抗拉强度等方面进行研究。
首先，可以通过改变刀具材质，采用高强度钛合金、高硬度钨钢等材料制作刀具，使其具有更高的耐磨性；其次，可以采用精确控制工艺参数的方法，精确控制夹持力、摩擦转矩、摩擦角度等参数，从而减少不良焊点的产生；第三，可以优化工艺流程及过程参数，确保工艺的可控性及准确性，保证最终的焊接性能；第四，可以采用铜粉、铜锡等填充材料及金属熔料补强搅拌摩擦焊接处，提高焊接强度与抗拉强度。
综上所述，2524薄板搅拌摩擦焊工艺是一种极具技术难点的焊接工艺，从机理到参数设置，都需要把握精准，才能够满足薄板结构件的无损组装，焊接性能的满足设计要求的要求。
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序号 1 Al 5. 5 ~ 6. 8
图 1 中国搅拌摩擦焊中心钛合金搅拌摩擦焊设备 Fig . 1 表 2 FS-we lde r for titanium a lloy i n Ch i na FSW cen te r Ti 6Al 4V 钛合金的化学成分 ( 质量分数 , % ) Chem ica l compositi on o f Ti 6A l 4V
图 2 搅拌头原始形貌 Fig . 2 O rig ina l p ro file o f p i n too l
图 4 搅拌头的保护和冷却装置 Fi g . 4 P rotecti ng and coo ling dev ice fo r FSW p in too l
如图 4 所 示, 该装置由五个 组件组成, 即夹持 柄、 冷却罩、 保护气罩、 搅拌头以及悬挂件。其中夹 持柄上开有冷却槽 , 冷却槽与冷却罩上的冷却液进 口和出口共同组成了完整的冷却通道 , 以实现搅拌 摩擦焊焊接过程中对搅拌头以及刀柄的动态冷却。 与冷却罩相连的是保护气罩, 保护气罩可以实现搅
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焊
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第 26 卷
表 1 钛与几种常用金属材料的物理 性能比较 Tab l e1
金属材料 钛 钢 铜 铝 熔点温度 T / 1 668 1 579 1 083 660 密度 ( 20 ) /( g 4 . 5 7 . 8 8 . 9 2 . 7 cm
- 3
Physica l fea tures o fme ta ls
栾国红
0 序
[ 1]
言
艺和对搅拌头的要求以及 T i 6A l 4V 钛合金材料的 搅拌摩擦焊组织性能和分析。
自 1991 年英国焊接研究所发明搅拌摩擦焊技 术以来 , 基 于搅拌 摩擦焊 技术的 简单、 优质、 高
[ 2]
1 钛合金 FS W 焊接性
迄今 , 搅拌摩擦焊主要针对铝、 镁等轻合金金属 材料进行开发和应用。在世界范围内钛合金搅拌摩 擦焊研究较少 , 公开发表的文 献资料也非常罕 见。 所以针对搅拌摩擦焊的特点, 首先对钛合金的搅拌 摩擦焊可焊性进行了分析。 Ti 6A l 4V 属于 + 相钛合金, 熔焊的焊接性 时会发生同素异构 比较好, 在焊接温度超过 980
图中可以看到搅拌头原始形面全部消失。仔细测量 和观察发现, 搅拌头并末出现剧烈磨损 , 而是完全被 焊缝钛合金材料粘着和填充, 焊缝中也容易出现孔 洞缺陷。这种现象与材料的超塑性、 焊接工艺参数 的选择等有关 , 后续研究还需要对搅拌头进行改进, 如表面镀膜等。
4 焊接保护和冷却
搅拌摩擦焊焊接过程中搅拌头产生的热量, 一 方面作用于被焊接材料, 另一方面通过搅拌头的夹 持柄向焊接主轴扩散。尤其是高温烧结材料一般具 有比普通金属材料高的热导率, 很容易由于热的积 累导致焊接设备的损坏。同时钛合金材料在高温环 境下具有很高的活性 , 容易氧 化和吸收有害气 体。 所以试验设计了如图 4 所示 的焊接冷却和 保护装 置。
收稿日期 : 2005- 08- 23
[ 7]
相变。材料微观组织的改变会影响到材料的性能, 因此钛合金焊接过程中的温度峰值将对接头性能产 生直接影响, 需要通过焊接工艺参数优化来控制焊 接热循环过程 , 并控制焊接接头的质量。 钛的化学活性随温度升高而增强, 在高温条件 下其表面氧化层厚度会增加, 温度高于 648 时, 钛 的抗氧化能力急剧下降。钛在固态下能吸收气体, 加热至 300 时 , 就开始吸收氢 ; 加热至 400 时, 开始吸收氧; 在 600 是开始吸收氮。纯钛中含有 氧、 氮、 氢等气体元素会使材料的塑性下降, 因此 , 钛 合金搅拌摩擦焊焊接过程中应注意对焊缝的保护。 另外 , 钛合金的基 本热物理 特性 ( 表 1 ) 对 T i 6A l 4V 材料搅拌摩擦焊焊接的可 行性和工艺难度 也有重要影响。 搅拌摩擦焊焊接过程中的搅拌头对焊缝的能量 输入 , 一部分使焊缝区域温度升高 , 另一部分则由于 热传导向焊缝周围材料和工件传递。 在结构、 厚度
效、 环保及自动化等方面 的诸多优越性 , 经过世 界范围内 10 多年的研究和开发 , 搅拌摩擦焊已经在 轻金属材料 ( 如铝 合金
[ 3, 4]
、 镁合金
[ 5]
及 铜合金
[ 6]
等 ) 领域得到非常瞩目的发展和很多成功的工业化 应用。随着该技术的快速发展及在工业制造领域的 成功应用, 搅拌摩擦焊的发展逐渐向黑色金属及其 它高熔点材料转移, 其中钛合金的搅拌摩擦焊就是 其发展的一个方面。 目前由于性价比原因 , 钛合金材料主要应用于 航天、 航空工业制造领域。基于钛合金材料具有抗 腐蚀、 耐高温和比强度高等优点, 目前在宇航领域 , 尤其是飞机制造领域得到越来越广泛地应用。据报 道国外有些型号飞机钛合金材料的使用量已经超过 了整机材料使用量的 30% 。 传统条 件 下, 钛 合 金 材 料 可 以 采 用 熔 焊 方 法 , 如氩弧焊 ( T IG )、 电子束 ( EB ) 和等离子 ( PA ) 等方法进行焊接。但是由于熔焊条件苛刻、 过程复 杂 , 并且容易产生缺陷和接头强度较低等原因 , 人们 开始探索利用新型的搅拌摩擦焊技术来解决和改善 [ 8] 钛合金材料的焊接 。 作者针对宇航结 构中常用的 T i 6A l 4V ( TC4) 钛合 金 材 料 进 行 了 搅 拌 摩 擦 焊 探 索 性 研 究 , 主 要介绍了钛合金的焊接特性、 搅拌摩擦焊焊接工
图 3 焊接 2 m 之后的搅拌头形貌 F ig . 3 P in profil e afte r 2 m we ld
拌头周围及焊接区域较全面的保护 , 并且还可以对 搅拌头和焊接材料具有一定的冷却作用。
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接
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第 26 卷
研究还对 不同形式的气体保护方式进行了对 比 , 见图 5 。图 5a 为气管直接保护, 图 5b 为单面气 罩保护 , 图 5c 为双面气罩保护, 经过比较双面气罩 保护效果明显, 有利于钛合金的搅拌摩擦焊。
2 3 4 5 6 7 8
3 搅拌头
搅拌头是搅拌摩擦焊技术的核心, 要实现钛合 金的焊接 , 首 先需要确定使用 何种材料的搅拌 头。 从工作温度、 实用性、 可加工性、 化学惰性和热稳定
第 11期
栾国红 , 等 : 钛合金的搅拌摩擦焊探索
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性等方面进行了 比较, 发 现高温高强工具 钢、 不锈 钢、 镍基高温合金等综合性能比较好。但是按照试 验经验表明 , 钛合金的搅拌摩擦焊温度可以达到近 1 334 (0 . 8 T m )。在此温度环境条件下, 用上述材 料无法提供足够的强度和刚度来满足焊接要求。而 其它几种工作温度比较高的材料如金属陶瓷、 高熔 点金属 ( W, M o , Nb) 以及金属间化合物的可机械加 工性能比较差, 并且无法提供足够的韧性来承载搅 拌摩擦焊过程中的震动。 根据英国焊接研究所提供的资料和参考国外公 开发表的文献资料, 钛合金和镍基高温合金搅拌摩 擦焊焊接所需要的搅拌头 , 最好采用纯钨、 钨 - 铼合 金、 钨 - 铱合金 或者立方氮化硼 ( PCBN ) 材料。但 是考虑到材料的成本、 可加工性以及可取性, 研究中 搅拌头材料为一种粉末冶金成形的钨 - 铼合金材料。 试验所使用的搅拌头见图 2 , 搅拌头的轴肩采 用了同心环状结构, 搅拌针采用了三面锥形设计, 以 便减少塑流在焊接过程中的过渡抗力。该搅拌头使 用效果较好 , 在焊接 2 m 以后 , 搅拌头形状见图 3 。
( 北京航空制造工程研究所 中国搅拌摩擦焊中心 , 北京
要 : 通过对钛合金热物理性能分析 , 比 较了钛合金的 搅拌摩擦 焊特性 ; 针对钛合 金
的特点特别设计和使用 了可以满足钛合金搅拌摩擦焊的搅拌头、 垫 板、 冷却 和保护装 置 等 ; 并且对 T i 6A l 4V 钛合金的搅拌摩擦焊 焊缝和 接头进 行了观 察分析 , 还对 接头力 学 性能进行了测试 , 初步试验结果表明搅拌摩擦焊可以实现钛合金焊 接 , 接头 强度可以 达 到母材强度 90 % 以上 , 但是搅拌摩擦焊工艺、 参数、 搅拌头还需要进一步优化 , 性能指标 还可以进一步提高。 关键词 : 搅拌摩擦焊 ; 钛合金 ; 焊接性 中图分类号 : TG453 文献标识码 : A 文章编号 : 0253- 360X ( 2005) 11- 83- 06
V 3. 5~ 4 . 5 Fe 0 . 3 O 0 . 2 H 0 . 15 C 0. 1 N Ti
Tab l e2
0. 05 余量
在研究试验中参考了相关文献资料所采用的搅 拌摩擦焊工艺参数见表 3 。
FSW para m e te rs and p ro tection
焊接速度 ) v / ( mm m in- 1 ) 60 60 60 40 80 120 120 120 保护形式 单面气体保护 单面气体保护 单面气体保护 单面气体保护 单面气体保护 单面气体保护 单面气体罩保护 双面气体罩保护
第 26 卷 第 11 期 2 0 0 5 年 11 月
Vo.l 26 No. 11 TRAN SACT IONS OF TH E CH I NA W ELD I NG INST I TUT ION N ovem ber 2 0 0 5
焊
接
学
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钛合金的搅拌摩擦焊探索
栾国红,摘柴Fra bibliotek鹏,孙成斌
100024)
旋转速度 n /( r m 750 750 950 950 950 950 950 850
- 1
2 搅拌摩擦焊试验
在研究中 , 被焊材料为 T i 6A l 4V 钛合金 , 材料 的主要成分见表 2 , 试件尺寸为 200 mm 100 mm 2 . 5mm。试验在中国搅拌摩擦焊中心自主研制的 FS W-1DB -025 型 悬 臂 式 搅 拌 摩 擦 焊 设 备 上 完 成 ( 图 1) 。 钛合金搅拌摩擦焊所使用的搅拌头为耐高温的 钨类合金, 焊接过程采用气体进行动态保护, 没有采 取辅助加热措施等, 试件焊后未经过热处理, 选择典 型试样进行接头微观组织及力学性能分析。接头金 相试样经腐蚀后 , 在光学显微镜上进行观察, 力学性 能试验在 ZW I CK 100 kN 电子万能材料试验机上进行。