先进的焊接技术——摩擦搅动焊

摩擦搅动焊是新近发明的一种先进焊接技术,它采用非熔化固态焊接,利用局部产生的摩擦热生成连续的固相焊适宜和它可以焊接传统上认为“不能焊接”的合金和实现不同类金属的焊接,本文简要介绍摩擦搅动焊的焊接工艺,焊缝性能,设备及应用。     

摩擦搅动焊———一种新的焊接工艺

英国焊接研究所（ＴＷＩ）研制开发出一种称为“摩擦搅动焊”（ＦｒｉｃｔｉｏｎＳｔｉｒＷｅｌｄｉｎｇ）的新焊接工艺。采用这种工艺技术，可对以前被认为是“不能焊接”的２０００及７０００系高强度铝合金进行焊接。“摩擦搅动焊”是一种固相过程，其实质是通过工件与...     

运载火箭铝合金贮箱全搅拌摩擦焊接工艺及应用

搅拌摩擦焊技术具有焊接缺陷少、焊接变形小、接头性能高等优点,是运载火箭铝合金贮箱制造的发展趋势。本文分析了我国运载火箭贮箱的结构组成和主焊缝结构特点,系统梳理并研究了实现贮箱主焊缝全搅拌摩擦焊接制造所需要的关键技术,包括常规搅拌摩擦焊技术、可回抽搅拌摩擦焊技术、超声相控阵检测技术及补焊技术。研究成果已经逐步实现了在运载火箭贮箱筒段纵缝、箱底主焊缝、贮箱总装环缝上的工程化应用。     

2219 铝合金双轴肩搅拌摩擦焊接头组织与性能分析

对2219铝合金进行了双轴肩搅拌摩擦焊工艺试验,详细分析了焊缝成型、接头组织形态及力学性能.结果表明:2219铝合金双轴肩搅拌摩擦焊缝正反面成型美观,内部无缺陷,几乎无焊缝减薄.接头宏观形貌呈典型的“哑铃型”,焊缝上下表面宽,中间略窄.从显微组织角度看,接头的焊核区、热机影响区、热影响区等组织特征与常规搅拌摩擦焊相似.双轴肩搅拌摩擦焊接头显微硬度分布趋势与常规搅拌摩擦焊接头相似,均为典型的“W”型,但双轴肩搅拌摩擦焊接头不存在各层异性.接头力学性能试验表明:双轴肩搅拌摩擦焊接头抗拉强度达到了318.3 MPa,延伸率为5.5％.接头断口形貌呈典型的韧性断裂.     

基于同质摩擦的涡流搅拌摩擦焊工艺

涡流搅拌摩擦焊(VFSW)是一项新近提出的改型工艺,其利用与工件材料同材质的棒材和外加的支撑套筒作为搅拌工具进行搅拌摩擦焊接,有望在高熔点金属的固相连接、焊接修复等领域取得工程应用.研究了转速对6061铝合金涡流搅拌摩擦焊焊缝成形和接头力学性能的影响规律.试验结果表明,在30 mm/min的焊接速度下,当转速较低时焊缝...     

纯钛搅拌摩擦焊晶粒细化机制

通过搅拌摩擦焊实现了5 mm纯钛的可靠连接,并对焊接接头组织进行了细致研究。通过光学、扫描电子显微镜和透射电子显微镜对纯钛搅拌摩擦焊组织进行了精细表征,对焊接过程中的再结晶机制进行了研究。结果表明：采用搅拌摩擦焊可以得到成型良好,组织致密的焊缝;焊缝组织可以分为焊核区( NZ)、热机影响区( TMAZ)、热影响区( HAZ)和母材区( BM);根据各区组织形态和结构特点对纯钛搅拌摩擦焊动态再结晶过程进行了分析,揭示了纯钛搅拌摩擦焊焊缝细化机制;钛的层错能较大,搅拌摩擦产生的位错不能完全分解,遇到阻碍时,只能通过滑移和攀移继续运动,在多次搅拌摩擦作用下,位错缠结堆积,位错密度不断上升,产生新的晶界,从而形成细小晶粒,实现晶粒细化。     

2024厚板铝合金温度场检测分析

通过对13mm厚2024铝合金进行搅拌摩擦焊工艺实验,检测了焊接过程中沿水平焊缝X方向、垂直焊缝Y方向和焊缝厚度Z方向上特征点的三维温度分布,并分析了焊接参数对温度场分布的影响。     

搅拌摩擦焊接头隧道类缺陷等强补焊工艺

针对搅拌摩擦焊接头隧道类缺陷等强补焊的应用要求,开发了基于TIG焊熔补材料、搅拌摩擦焊增强组织性能的等强补焊工艺,对补焊后的接头进行了微观组织观察与力学性能分析,评价了补焊工艺对接头性能的影响.结果表明,对焊缝同一位置进行不大于三次的重复搅拌摩擦焊,接头力学性能不会明显下降;TIG熔补焊缝经再次搅拌摩擦焊后,其焊缝组织与搅拌摩擦焊焊缝组织特征相似,不会导致接头组织恶化.采用本文开发的等强补焊工艺对某型号火箭液氧贮箱纵缝的隧道缺陷进行了等强补焊,表明该方法有效可行.     

TC4＋TC17线性摩擦焊接头的微观组织与力学性能

进行了TC4+TC17异种钛合金试件的线性摩擦焊实验,利用光学显微镜、扫描电镜及透射电镜分析了焊接接头的微观组织,并进行了焊后接头的力学性能测试.着重分析了焊接接头的焊缝、近缝区及变形区的组织特点及相变规律,并结合线性摩擦焊的工艺特点,初步分析了形变组织的形成机理.实验结果表明,利用合理的焊接工艺参数,用线性摩擦焊方法可获得可靠的Tc4+TC1钛合金焊接接头,接头的拉伸性能优于TC4母材.TC4与TC17接头的焊缝区为等轴细品组织,两侧近缝区、变形区的组织形貌差异较大.     

2219铝合金静止轴肩搅拌摩擦焊接头组织及性能

文摘采用静止轴肩搅拌摩擦焊的方法获得了2219C10S铝合金焊接接头,研究了焊接接头典型的宏观、微观组织特征、焊接工艺参数对焊缝成形特征及焊接接头力学性能的影响规律。结果表明:相对常规搅拌摩擦焊,由于静止轴肩式搅拌头的结构特点,焊接过程中可有效避免飞边和焊缝内部缺陷;随着焊速的增加,接头焊核由"碗状"变为"腰鼓"状,体积也逐渐减小,还出现了轴肩影响区这一特殊组织特征;焊接接头的显微硬度分布呈现出独特的"∪"形,焊核区的显微硬度最低;当焊接速度≤250 mm/min,随着焊接速度的增加,接头的拉伸性能逐渐增加;当焊接速度增加至300 mm/min时,由于在焊接接头中出现了沟槽缺陷,拉伸性能急剧下降。     

铝/铜异种金属搭接无倾角微搅拌摩擦焊接工艺特性

以0.5mm厚6061铝合金和2mm厚T2紫铜搭接接头为研究对象,开展了无倾角微搅拌摩擦焊接试验,通过对搅拌工具材料选择、焊缝成形、接头性能分析,研究了其焊接工艺特性。试验结果表明,相比热作模具钢,采用高速工具钢制成的搅拌工具有更长的使用寿命。对于铝/铜搭接接头,无倾角微搅拌摩擦焊接能获得成形良好的焊缝,并且其工艺窗口宽泛,接头的力学性能良好,其承载能力能够达到铝合金母材的95%以上,但是当焊接速度为200mm/min时,主轴转速一旦超过25000r/min,焊缝表面将会出现沟槽缺陷。     

7050铝合金搅拌摩擦焊接头组织特征研究

针对7050铝合金搅拌摩擦焊接头,给出各组织特征区的定义,并对各特征区的组织状态、晶粒大小、沉淀强化相分布等进行深入的分析。为同材质的铝合金搅拌摩擦焊接头的综合性能评估提供更好的依据。     

搅拌摩擦焊的缺陷类型及其检测技术

简要介绍了搅拌摩擦焊的工艺特点及其在航空结构中的应用;分析了搅拌摩擦焊的缺陷类型;根据新型制造工艺所提出的新的检测需求,介绍了可用于搅拌摩擦焊的检测方法。     

先进焊接技术在飞机制造中的应用

通过对国外飞机制造公司焊接技术的应用分析,明确了先进焊接技术——电子束焊、激光焊和搅拌焊技术的应用现状和使用范围,并结合西飞公司的实际情况,提出应该发展电子束焊和激光焊接技术,以弥补未来制造能力的不足;同时应重点关注搅拌摩擦焊接技术的发展动态,掌握国外该技术的应用状况和使用经验。     

浅析搅拌摩擦焊残余应力

讨论了搅拌摩擦焊残余应力的产生原因,在已有的试验结果的基础上对残余应力的分布和规律进行了概述。并且以钨极氩弧焊(TIG)为例,将搅拌摩擦焊与传统熔焊的残余应力分布进行了对比,进一步肯定了搅拌摩擦焊在铝合金焊接时的优越性。同时还介绍了对搅拌摩擦焊残余应力的控制方法及其效果,最后对有关搅拌摩擦焊的残余应力的研究工作做出了展望。     

2219薄板铝合金浮动式双轴肩搅拌摩擦焊接及组织性能分析

以运载火箭助推器贮箱广泛应用的4 mm厚2219薄板铝合金为焊接对象,研制了浮动式双轴肩搅拌头,分析了内部塑性金属流动模式及特点,并推测出需匹配较低焊接热输入才能获得优质焊缝。工艺探索及优化试验结果直接验证了焊缝内部塑性金属流动模式及推测。接头宏观组织形貌分析结果显示:不同焊接速度下的焊缝横截面宏观形貌都可以观察洋葱环特征,且随着焊接速度提高,洋葱环特征越发增多,并从靠近前进侧的焊核区逐渐向后退侧孕育发展,这也有效验证了薄板铝合金双轴肩搅拌头的设计思路。薄板铝合金双轴肩搅拌摩擦焊接头横截面显微硬度分布均呈"U"型,接头显微硬度最低点位于焊核区与后退侧热机影响区的交界处。接头力学性能测试结果显示:随着焊接速度逐渐升高,接头抗拉强度逐渐升高,且当焊接速度达到350 mm/min时,接头抗拉强度达到最高值。铝合金浮动式双轴肩搅拌摩擦焊接头延伸率整体较高,焊接速度对其影响不大。铝合金双轴肩搅拌摩擦焊接头正、背弯均可以达到180°无裂纹。基于立式纵缝搅拌摩擦焊系统成功实现了2 m长试片的浮动式双轴肩搅拌摩擦焊,累计焊接长度达到60 m,且双轴肩搅拌头完整,未发现裂纹、扭曲或其他损伤。     

2219铝合金变截面结构搅拌摩擦焊接工艺及组织特性

针对变截面结构产品,提出了一种变截面搭接结构搅拌摩擦焊接方法,通过加装辅助板将整条焊缝焊接方向上补偿为等厚度。焊接采用一次定位焊接+二次定位焊接+正式焊接的工艺方式,一次定位焊为预定位,二次定位焊保证辅助板与试片主体结构之间形成有效连接,正式焊保证形成完整的焊缝。焊缝表面成形良好,超声相控阵检测无超标缺陷。通过对力学性能的分析,变截面搭接结构处焊缝与非搭接处焊缝和常规对接焊缝的力学性能基本相同,平均抗拉强度均达到母材的70%以上,平均延伸率均在5.8%以上。变截面搭接焊缝焊核处晶粒形态为细小的等轴晶,靠近轴肩影响区部分的晶粒尺寸大于靠近焊缝根部的晶粒尺寸,受再结晶影响,焊缝两侧热机影响区处辅助板搭接界面消失。     

基于螺纹锥形搅拌头的搅拌摩擦焊三维流场仿真研究

本文利用CFD软件包FLUENT建立了带螺纹表面的锥形搅拌头搅拌摩擦焊三维流动模型。通过数值模拟得到了焊缝沿厚度方向的水平切面速度矢量图,截面的速度矢量图以及用于观察材料流动行为的流动线图。同时分析了搅拌头表面螺纹对塑化金属流动行为的影响及焊缝塑化金属的流动规律。模拟结果对于搅拌摩擦焊过程中焊缝处塑化金属流动以及焊缝形成机理研究具有重要的指导意义。