【原创精读】异种材料及复合热源搅拌摩擦焊

焊割在线2020-10-17 14:52:34

作  者

刘全龙,孔谅,王敏

(上海交通大学  上海市激光制造与材料改性重点实验室)


摘  要

在对接和搭接方式中,异种材料搅拌摩擦焊相较于同种材料分别具有一些额外的焊接参数,并且对搅拌头材料也有更苛刻的使用要求。总结近年来异种材料搅拌摩擦焊的研究现状,介绍异种材料搅拌摩擦焊过程中脆性金属间化合物的生成及其对焊接接头的力学性能产生的影响。从金属流动机理和数值模拟方面,研究金属间化合物的生成和成长规律,给出针对金属间化合物可能的解决方法。针对高熔点焊材,介绍复合热源搅拌摩擦焊技术、常用的辅助热源以及复合热源搅拌摩擦焊在异种材料搅拌摩擦焊方面的优点和研究的不足之处。


关键词:异种材料;搅拌摩擦焊;金属间化合物;复合热源搅拌摩擦焊


前  言

1、异种材料搅拌摩擦焊接工艺

相较于同种材料搅拌摩擦焊接工艺参数,如搅拌头转速、焊接速度、轴肩下压量、倾角等,异种材料搅拌摩擦焊具有一些额外参数。


1.1 对接接头

焊接工件的相对位置会影响焊缝质量。搅拌摩擦焊前进边和返回边的温度不同,因此应注意导热率相差大的异种材料相对位置。一般认为将熔点较高的金属放在温度高的一侧更有利于金属的塑化和流动,能获得质量较好的焊缝,否则会导致低熔点材料熔化,影响金属流动,而高熔点的焊件却没有达到塑化状态,严重降低接头质量。如铝钢搅拌摩擦焊中,一般将钢放在前进边,铝置于返回边。异种材料FSW对接焊参数示意如图1 所示。


图1 异种材料FSW 对接焊接参数示意

张伟等人研究了3A21/6063异种铝合金FSW工艺参数及其对焊接接头成形以及力学特性的影响规律。实验分析表明,将强度较高的3A21 铝合金放置于前向边可以获得质量较好的接头。


王希靖研究了铝/铜异种材料的FSW 焊接工艺。结果表明,当铜板放置在后向边、铝合金板材放置在前向边时,可以实现铝/铜异种金属的有效连接。另外,探针相对焊接接缝的偏移量也会影响焊接接头的质量。FSW 焊接过程中,一般搅拌针偏向熔点较小的材料一侧。如在铝钢FSW 焊接过程中,搅拌针中心线位置偏向铝合金一侧。王磊等人认为5A06-H112铝合金和304L不锈钢熔点相差较大,搅拌针中心线若设置在偏向304L 不锈钢一侧,会造成其摩擦热输入过高而熔化5A06-H112铝合金,无法形成焊接接头。董丰波[4]等人研究认为搅拌针相对配合面的偏移量对接头的宏观形貌有一定影响,合适的偏移能解决异种金属中搅拌针粘连问题。


1.2、搭接接头

对FSW 搭接接头方式,一般将低熔点、低硬度材料置于上方,而高熔点、高硬度材料置于下方。搅拌针插入深度也会对焊缝产生重要影响。Ahmed[5]等人进行了1100 纯铝和镀锌低碳钢的FSW搭接焊试验。结果表明,当搅拌针没有触到钢底板表面时,焊后接头的抗拉强度很低;当搅拌针的熔深位于钢底板表面以下约0.1 mm时,所得焊后接头的强度明显提高。



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结论

异种材料连接结构的应用前景不断扩大,而对于搅拌摩擦焊有色金属材料(如铝-镁、铝-铜、铝-钢等)的连接具有独特优势。

异种材料搅拌摩擦焊除有同种材料FSW 的工艺参数外,还有对接接头方式中焊材的相对位置、探针相对焊接接缝的偏移量、以及搭接方式中的焊材上下位置、搅拌针插入深度等。

异种材料的搅拌摩擦焊技术存在的难题是接头中金属间化合物的生成会不利于其力学性能。解决措施为:对异种材料FSW 过程进行数值模拟,深入研究焊接机理(温度场,材料流动等);保证塑性流动的情况下,控制接头温度使其低于两金属的共晶反应点;合理调整焊接参数(包括焊前板材的放置位置、搅拌针的偏移量、插入位置等),控制金属间化合物的生成;在待焊金属表面镀层;引入辅助热源,预热软化材料,提高金属塑性流动能力等。

引入新热源,偏置于熔点较高的材料一侧,提高其软化程度,同时避免熔点较低的材料过热,从而提高整体材料流动能力,最终提高焊接接头质量。


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本文来源于《电焊机》杂志 2016 年第 11 期,作者:段珍珍,王毅,贾坤宁(长春工程学院),转载请注明。

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