搅拌摩擦焊接头形成过程分析
搅拌摩擦焊连接实验报告
1、首先将铝合金进行清洗去除表面的油污，然后进行搅拌摩擦焊接；
2、在焊好的试件上切片，制备金相组织观察试样；
3、将已制备好的试片在显微镜下进行观察与分析，分清焊接接头各区域后，仔细辨认各区组织的特征。
五、实验结果的整理和分析
搅拌头旋转速度：1200r/min
工件进给速度：300mm/min
分析铝合金搅拌摩擦焊接头各区域组织变化的特征，说明各组织的形成机理及对焊接接头性能的影响。
实验分析：:选择了适合于6061-T4铝合金板材搅拌摩擦焊的工艺参数:焊接时搅拌头旋转速度为1200 r.min-1,工件的进给速度为300 mm.min-1,在此参数下获得了与母材等强度、韧性接近于母材的焊接接头,FSW板材接头焊核区的组织和性能明显优于其他区,热影响区是接头最薄弱的部分,焊核区的硬度最高,而热影响区的硬度最低,焊缝金属发生回复再结晶使晶粒细化。断口分析表明,断裂发生在热影响区,由于搅拌头的旋转运动和热量的累积,该区存在晶粒长大、组织粗化现象。对工艺参数的优化实验表明,搅拌头旋转速度与焊接速度对接头性能的影响存在一定的适配关系,通过工艺参数的调整可以有效地控制热影响区的焊缝组织和改善焊接接头的性能。细晶强化是搅拌摩擦焊接头强度与韧性提高的主要原因。
搅拌摩擦焊连接实验报告
一、实验目的
1、了解在搅拌摩擦焊过程中，材料在热-机械力作用下形成牢固连接的基本原理，掌握基本实验技能。
2、了解搅拌摩擦焊接头各区域的组织及性能特点。
二、实验装置与实验材料
1
由铣床自行改造的搅拌摩擦焊机
1台
2
不同结构的搅拌头
各2个
3
δ= 3mm及δ=6mm铝合金试板（60×120）
各40块
搅拌摩擦焊原理
搅拌摩擦焊原理
搅拌摩擦焊( Friction Stir Welding,W)是利用摩擦产生的热量实现板材连固态连接技术，由英国焊接研究所(TW1)于1991发明。
这种方法打破了原来限于圆形断面材料焊接的概念，对于铝合金、镁合金、铜及其合金、钛合金、钢以种材料的焊接，均可获得性能优良的焊接接头。
搅拌摩擦焊技术发明至今，已经发铝合金结构制造中可以替代熔焊技术的工业化实用的固相连接技术，在航空航天速舰船快艇、高速轨道列车、汽车等轻型化结构以及各种铝合金型材拼焊结构的制经展示出显着的技术和经济效益1.1搅拌摩擦焊的原理它是利用一种带有搅拌针旋转方向和轴肩的特殊形式的焊接工具焊接方向后退(称之为搅拌头)进行焊接，在焊接过程中搅拌针要以一定速度前进侧旋转着插入被焊材料的结合界面处，通过插入工件接缝内的搅拌轴肩搅拌针针、轴肩与被焊工件摩擦所产生的摩擦热的共同作用，同时结合搅拌头对焊缝金属的挤压，被焊工件处于高塑性状态，在搅拌头的高速搅拌和轴肩的挤压下，被焊工件材料从后退侧绕过探针到前进侧尾部联合作用下形成致密的金属间结合，而后冷却形成固态焊缝，实现材料的连接。
在形成搅拌摩擦焊接头时，摩擦生热是使材料待焊部位温度升高达到塑性素，工件中的温度分布、塑性区的大小与摩擦生热的速率有关；而搅拌头的搅焊缝的充分条件，只有通过搅拌头的
搅拌给其周围塑化金属提供驱动力，才能缝方向移动时，搅拌头周围的塑化金属由搅拌头的前方向后方流动，并在搅拌的挤压下形成致密的焊缝。
搅拌摩擦焊实验报告
搅拌摩擦焊实验报告1. 实验目的(1) 了解搅拌摩擦焊的基本原理；(2) 了解搅拌摩擦焊的设备及其工艺流程；(3) 初步了解焊接工艺参数对搅拌摩擦焊焊缝成形的影响。
2. 实验概述搅拌摩擦焊方法与常规摩擦焊一样。
搅拌摩擦焊也是利用摩擦热与塑性变形热作为焊接热源。
不同之处在于搅拌摩擦焊焊接过程是由一个圆柱体或其他形状（如带螺纹圆柱体）的搅拌针(welding pin)伸入工件的接缝处，通过焊头的高速旋转，使其与焊接工件材料摩擦，从而使连接部位的材料温度升高软化。
同时对材料进行搅拌摩擦来完成焊接的。
焊接过程如图所示。
在焊接过程中工件要刚性固定在背垫上，焊头边高速旋转，边沿工件的接缝与工件相对移动。
焊头的突出段伸进材料内部进行摩擦和搅拌，焊头的肩部与工件表面摩擦生热，并用于防止塑性状态材料的溢出，同时可以起到清除表面氧化膜的作用。
在焊接过程中，搅拌针在旋转的同时伸入工件的接缝中，旋转搅拌头（主要是轴肩）与工件之间的摩擦热，使焊头前面的材料发生强烈塑性变形，然后随着焊头的移动，高度塑性变形的材料逐渐沉积在搅拌头的背后，从而形成搅拌摩擦焊焊缝。
搅拌摩擦焊对设备的要求并不高，最基本的要求是焊头的旋转运动和工件的相对运动，即使一台铣床也可简单地达到小型平板对接焊的要求。
但焊接设备及夹具的刚性是极端重要的。
搅拌头一般采用工具钢制成，焊头的长度一般比要求焊接的深度稍短。
应该指出，搅拌摩擦焊缝结束时在终端留下个匙孔。
通常这个匙孔可以切除掉，也可以用其它焊接方法封焊住。
针对匙孔问题，已有伸缩式搅拌头研发成功，焊后不会留下焊接匙孔。
焊接过程中也不需要其它焊接消耗材料，如焊条、焊丝、焊剂及保护气体等。
唯一消耗的是焊接搅拌头。
同时，由于搅拌摩擦焊接时的温度相对较低，因此焊接后结构的残余应力或变形也较熔化焊小得多。
特别是Al合金薄板熔化焊接时，结构的平面外变形是非常明显的，无论是采用无变形焊接技术还是焊后冷、热校形技术，都是很麻烦的，而且增加了结构的制造成本。
搅拌摩擦焊
英国TWI的Nicholas认为，搅拌摩擦焊工艺是自激光焊接问世以来 最引人注目的焊接方法，它的出现将使铝合金等有色金属的连接技 术发生重大变革。
搅拌摩擦焊应用领域 船舶制造 海洋工业 宇航工业 铁路运输 公路运输 建筑工业 电器行业
定义：它是利用一种
搅拌摩擦焊的原理
搅拌摩擦焊焊接过程是由一 个圆柱体形状的焊头伸入工件的 接缝处，通过焊头的高速旋转， 使其与焊接工件材料摩擦，从而 使连接部位的材料温度升高软化。 同时对材料进行搅拌摩擦来完成 焊接的。焊接过程如图所示。在 焊接过程中 工件要刚性固定在 背垫上，焊头边高速旋转．边沿 工件的接缝与工件相对移动。焊 头的突出段伸进材料内部进行摩 擦和搅拌，焊头的肩部与工件表 面摩擦生热，并用于防止塑性状 态材料的溢出，同时可以起到清 除表面氧化膜的作用。
搅拌摩擦焊工艺简介
搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding简称FSW)是英国焊接研究所90年代初发明的一种用 于低熔点合金板材焊接的固态连接方法。用该方法可以焊接通常熔焊方法难于焊接的铝合 金、钛合金等材料，不会在接头内形成气孔、裂纹、变形等缺陷。 无飞溅，烟尘
与普通摩擦 焊相比
搅拌摩擦焊工艺
与熔焊相比
无需添加剂和保护气
接头无裂纹和气孔
不 受 轴 类 零 件 限 制
可 焊 接 直 焊 缝
搅拌摩擦焊的红外温度及焊缝
搅拌摩擦焊的红 外扫描温度，红 色部分温度最高
搅拌摩擦焊相关产品
搅拌摩擦焊相关产品
搅拌摩擦焊相关产品
搅拌摩擦焊的特点
搅拌摩擦焊接过程中接头部位不存在金属的熔化，是一种固态焊接过程， 故焊接时不存在熔焊时的各种缺陷，可以焊接用熔焊方法难于焊接的材料，如LY、 LC系列的硬铝及超硬铝，并且可以在任意位置进行焊接。 由于不存在熔焊过程中接头部位大范围的热塑性变形过程，焊后接头的内 应力小、变形小，基本可实现板件的低应力无变形焊接。
搅拌摩擦焊原理
搅拌摩擦焊原理
搅拌摩擦焊是一种固态焊接方法，通过机械震动和摩擦热来实现焊接。
其原理基于热塑性材料的可塑性和可变形性，通过摩擦热加热两个焊接件的接触面，使金属软化并形成可塑性，然后施加压力，使两个焊接件发生塑性变形混合，最终形成均匀的焊缝。
搅拌摩擦焊主要包括以下几个步骤：
1. 两个待焊接的金属件通过紧密贴合。
2. 在接触面之间施加一定的压力。
3. 使用专用搅拌头，通过高速旋转在接触面上施加摩擦力，引发摩擦热。
4. 随着摩擦热的积累，金属开始加热并软化。
5. 一旦达到足够的软化温度，停止搅拌并继续施加压力，使两个金属件发生塑性变形。
6. 继续施加压力，使金属在接触面上混合，形成焊缝。
7. 冷却后，焊缝区域重新硬化，完成搅拌摩擦焊。
搅拌摩擦焊具有许多优点，包括焊接速度快、焊接接头强度高、焊接过程无火花、无气体和溶剂的排放等。
它可以应用于各种金属材料的焊接，特别适用于铝合金、镁合金等难焊性材料。
搅拌摩擦焊广泛应用于汽车制造、航空航天、船舶制造等领域。
镁合金搅拌摩擦焊接工艺及其接头成形机理研究
镁合金搅拌摩擦焊接是一种先进的固态焊接工艺，它通过在材料接头处施加力和摩擦热来实现材料的连接。
这种工艺能够有效地避免传统熔化焊接中可能出现的气孔、裂纹和变形等问题，适用于许多高强度、轻量化材料，尤其对于镁合金等具有优异性能的材料更是如此。
镁合金搅拌摩擦焊接工艺的关键步骤包括：1. 摩擦加热：摩擦焊接头部两个要连接的材料在施加一定的轴向力的情况下，通过摩擦产生的热量来加热，但是不到熔化温度。
2. 搅拌混合：在摩擦加热的同时，引入转速，将材料进行搅拌混合，从而在原子尺度上实现了材料的混合。
3. 压制成形：当材料达到一定的塑性状态后，停止搅拌并施加一定的压力，使得材料得以牢固地连接。
镁合金搅拌摩擦焊接工艺的优势在于可以获得高质量的焊接接头，同时避免了传统焊接中的气孔、裂纹等问题，且无需额外的填充材料。
接头成形机理研究主要包括对焊缝组织结构、机械性能、热影响区、残余应力等方面的分析和研究。
通过对接头成形过程中的温度场、应力场等参数进行模拟和实验研究，可以深入了解接头形成的机理，并为优化工艺参数提供理论指导。
镁合金搅拌摩擦焊接工艺的详细步骤如下：1. 材料准备：选择合适的镁合金材料，并对焊接接头进行预处理，包括切割、清洁和表面处理等。
2. 摩擦加热：将两个要连接的镁合金材料端面互相接触，并施加一定的轴向力。
然后，在这种状态下，通过旋转工具（例如圆柱形钎焊头）施加一定的摩擦力，使材料端面之间产生摩擦，并产生大量的热量。
3. 搅拌混合：随着摩擦加热的继续，材料开始变软且具有塑性。
在此阶段，继续旋转工具并施加压力，使工具沿接头方向进行横向搅拌混合。
这样可以将材料的晶粒结构重新排列，从而实现了材料的混合。
4. 压制成形：当材料达到一定的塑性状态时，停止搅拌并继续施加一定的压力。
这将使得材料得以牢固地连接，并形成焊接接头。
压力的大小和持续时间要根据具体材料和工艺进行调整。
通过以上步骤，可以实现镁合金材料的搅拌摩擦焊接。
搅拌摩擦焊
搅拌摩擦焊
16
2．搅拌焊头旋转速度 若焊接速度保持一定，即当焊接速度为定
值时，若搅拌焊头的旋转速度较低时，焊接 热输入较低，搅拌焊头前方不能形成足够的 热塑性材料填充搅拌针后方所形成的空腔， 焊缝内易形成孔洞、沟槽等缺陷，从而弱化 接头强度。随着旋转速度的增加，沟槽的宽 度减小，当旋转速度提高到一定数值时，焊 缝外观良好，内部的孔洞也逐渐消失。在适 宜的旋转速度下接头才可获得最佳强度值。
LEE MAN (SCETC)
搅拌摩擦焊
3
二、搅拌摩擦焊的焊接过程及特点
（一）搅拌摩擦焊焊接过程 搅拌摩擦焊是利用摩擦热作为焊接热源的一 种固相焊接方法，但与常规摩擦焊有所不同。 在进行搅拌摩擦焊接时，首先将焊件牢牢地固 定在工作平台上，然后，搅拌焊头高速旋转并 将搅拌焊针插入焊件的接缝处，直至搅拌焊头 的肩部与焊件表面紧密接触，搅拌焊针高速旋 转与其周围母材摩擦产生的热量和搅拌焊头的 肩部与焊件表面摩擦产生的热量共同作用，使 接缝处材料温度升高且软化，同时，搅拌焊头 边旋转边沿着接缝与焊件作相对运动，搅拌焊 头前面的材料发生强烈的塑性变形。随着搅拌 焊头向前移动，前沿高度塑性变形的材料被挤 压到搅拌焊头的背后。在搅拌焊头与焊件表面 摩擦生热和锻压共同作用下，形成致密牢固的 固相焊接接头。搅拌摩擦焊接过程如动画所示。
LEE MAN (SCETC)
搅拌摩擦焊
4
（二）搅拌摩擦焊的焊接接头
1.接头的分区
根据塑性变形程度和热作用的不同， 将搅拌摩擦焊接头分为4个区域。
母材区
图中，d区为接头中无热作用也无塑性变形的母材区
热影响区（HAZ)
c区该区域的材料因受焊接热循环的影响，微观组织和力学性能 均发生了改变，但该区域材料没有产生塑性变形，其组织与母村 组织无明显的区别，只是消除了方向性很强的柱状晶结构，热影 响区的宽度比熔焊时窄很多。
钢合金搅拌摩擦焊
钢合金搅拌摩擦焊钢合金搅拌摩擦焊是一种先进的金属焊接工艺，它通过高速旋转的焊接工具在金属表面产生摩擦热，使金属材料迅速加热至塑性状态，然后再施加一定压力，实现金属材料的连接。
这种焊接方法具有许多优点，例如焊接速度快、焊接接头强度高、焊接过程不产生明显的气体或光污染等。
因此，它在航空航天、汽车制造、船舶建造等领域得到了广泛应用。
钢合金搅拌摩擦焊的基本原理是利用旋转摩擦热和压力来融化和连接金属材料。
焊接过程中，焊接工具以一定的旋转速度和压力施加在金属接头上，产生的摩擦热使接头表面温度升高，当温度达到材料的熔点时，金属材料开始融化。
此时，焊接工具继续施加压力，使融化的金属材料在摩擦热和压力的作用下迅速扩散和混合，形成均匀的焊缝。
随着焊接工具移动，焊缝逐渐形成，并且在冷却后，焊缝的强度与母材相当。
钢合金搅拌摩擦焊具有很高的生产效率和焊接质量。
与传统的焊接方法相比，它的焊接速度快，一次焊接可以完成整个接头的连接，大大缩短了焊接时间。
同时，由于焊接过程中没有明显的熔融和喷溅现象，因此焊接区域的变形和残余应力较小，焊接接头的强度和密封性也较好。
此外，钢合金搅拌摩擦焊还可以焊接不同种类和厚度的金属材料，实现多种材料的连接。
然而，钢合金搅拌摩擦焊也存在一些挑战和限制。
首先，由于焊接过程需要高速旋转的焊接工具，因此焊接设备的成本较高。
其次，在焊接过程中，焊接工具的高速旋转和施加的压力会产生较大的摩擦热，需要控制好焊接温度，以避免过热和过高的温度造成材料的烧结或变形。
此外，由于钢合金搅拌摩擦焊是一种相对新颖的焊接方法，操作技术和参数的优化还需要进一步的研究和探索。
钢合金搅拌摩擦焊是一种先进的金属焊接工艺，具有许多优点和潜力。
它不仅可以提高焊接效率和焊接质量，还可以实现不同材料的连接。
随着技术的不断进步和优化，钢合金搅拌摩擦焊将在各个领域得到更广泛的应用，为人类的工业发展和创新带来更多的可能性。
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参考文献：
[1] Threadgill P L, Leonard A J, Shercliff H R, et al. Friction stir welding of aluminium alloys[J]. International
（2）挤出阶段搅拌针前缘自上而下将原始对接 面上的材料由前进侧迁移至后退侧，对接焊缝原始 界面及其表面氧化物在该阶段被迁移至后退侧.
（3）迁移阶段沿搅拌针外缘轮廓形成焊核区边 缘形貌以及洋葱环层状组织，后退侧氧化物在该阶 段被部分碎化、弥散，分布于焊核区.
（4）回填阶段形成洋葱环中心以上组织结构， 并完成搅拌针作用区的最终形貌.
纵观国内外学者所开展的研究工作，不论采用 何种试验方法，其研究视角基本都立足于焊接过程 中塑性金属在搅拌针周围的流动轨迹. 而 FSW 焊接 过程中塑性金属流动行为是不可见的，只能通过各 种手段保留焊后接头内部的流动形貌，并通过切面 金相照片体现出来，通过焊接终止后的二维图像去 反推焊接过程中的三维运动行为必然存在极大的难 度，并且分析结果与实际情况的吻合度也难以评判.
图 3 为搅拌针远离截面 A 的过程，远离过程可 以看做进入过程的逆过程，在这个过程中，搅拌针 作用区长度迅速减小，同时作用宽度也在不断减小.
基于对 FSW 模型的分析，将切面 A 中搅拌针 作用区面积迅速增大的过程定义为“挤出阶段”，位 于图 4 中 I 区，将搅拌针作用区面积迅速减小的过 程定义为“回填阶段”，位于图 4 中 III 区，在上述 两个阶段之间，搅拌针作用区变化不大，形成一个 较为稳定的迁移过程，定义为“迁移阶段”，位于图 4 中 II 区，由于上述三个阶段均在搅拌针作用下完 成，因此可以统称为搅拌针作用阶段. 从回填阶段 结束到搅拌头轴肩完全离开切面 A 这个过程定义为 轴肩作用阶段.
如图 9 所示，由于工艺参数选择不当，导致挤 出阶段未能对原始对接面形成有效的材料迁移，迁 移阶段未能在焊核区下部形成良好的洋葱环形貌， 上述两个阶段的共同影响从而形成了“S 线”氧化 物残留缺陷；而回填阶段在搅拌头下压量不足的共 同作用下又未能产生主动回填与被动挤压的有效配 合，从而在前进侧上部形成成了孔洞缺陷. 由此可 见，焊接过程中工艺参数选择不当将导致三个阶段 不能有效完成各自的成形过程，而最终得到的缺陷 焊缝往往是由各阶段产生的缺陷叠加而成.
图 7 为迁移阶段搅拌针作用区面积达到最大 时，作用轮廓与金相形貌叠加图. 图 7 中实线为焊 核区边界，椭圆圈住的 a、b 区与搅拌针边缘的距离
在该时刻达到最小，在该时刻之前和之后均远离搅 拌针，因此可以认为该时刻是 a、b 区域焊缝成形的 主要阶段，保留了迁移阶段搅拌针周围材料形貌. 图 7 中两条虚线为 a、b 焊核区边界向上的延伸，可 以推断，在搅拌针作用区面积达到最大时刻，搅拌 针两侧的塑性金属分布范围应当如虚线所界定的区 域，但由于随后轴肩对上表面材料形成的迁移、挤 压作用，使得迁移阶段在上部形成的焊核形貌被破 坏，并且被轴肩作用区所取代.
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0序言
搅拌摩擦焊（friction stir welding，简称 FSW） 凭借其具有的诸多优势，成为轻金属材料最先进的 连接方法之一. FSW 焊接过程中，搅拌针周围被焊 材料的产热、塑化及流动行为是形成接头的基础[1]. 因此，国外学者针对 FSW 塑性金属流动行为开展了 大量研究工作，采用的研究方法包括示踪法[2]、急 停法[3]、微观组织观察[4]或者多种方法相结合研究[5]. 国内也对塑性金属流动行为开展了大量研究工作. 文献[6，7]构建了 FSW 塑性金属的层状流动模型. 文献[8]通过示踪试验研究得出“抽吸-挤压”理论. 文献[9]采用紫铜作为示踪材料研究了 FSW 焊接过 程中塑性金属在水平面上的二维流动行为. 文献 [10]采用铝箔示踪法研究了 FSW 洋葱环形成机制.
1 FSW 模型建立
针对 6.35 mm 厚 7050-T7451 铝合金 FSW 过程 中实际使用的搅拌头及试件形貌进行建模，图 1 所 示为实际焊接过程中搅拌针与被焊工件的相对位置 关系，图中隐藏了对接焊其中一侧工件，以便能够 同时显示搅拌针及被焊工件形貌. 在被焊工件中选 择任一切面 A（图 1），并使切面 A 相对工件固定， 观察任意时刻切面 A 处搅拌头与被焊工件的相互作 用关系及其演变过程，观察方向如图 1 中虚线箭头 所示.
回填阶段成形区
1mm
图 8 回填阶段成形区位置 Fig.8 Forming position of “backfilling stage”
“S 线”
孔洞
1mm
图 9 缺陷焊缝金相 Fig.9 Defective welding metallographic
3结论
（1）基于切面分析法将搅拌针作用阶段划分为 挤出阶段、迁移阶段和回填阶段.
收稿日期： 2012−06-18
基金项目：北京市科技计划资助项目(D111100002311002)
赵华夏 (第一作者姓名为楷体 五号)
由于 FSW 接头理论上是由无数个二维切面叠 加而成，而通过对接头切面的金相观察和分析来推 断二维形貌的成形过程相对于推断搅拌针周围塑性 金属的三维流动行为更为容易. 因此，以下介绍的 研究工作通过对单个切面的材料流动及成形过程分 析来研究 FSW 接头成形机理.
拌针最源自大切面 A 金相RS
AS
迁移阶段
作 用 范 围
成形区 1mm
图 6 迁移阶段结束及回填阶段开始时刻切面 A 形貌 Fig.6 Section A morphology between migration stage