填充式攪拌摩擦焊

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1、第33卷第3期焊接學(xué)報Vol．33No．32012年3月TRANSACTIONSOFTHECHINAWELDINGINSTITUTIONMarch2012基于固態(tài)連接原理的填充式攪拌摩擦焊匙孔修復(fù)技術(shù)111123黃永憲，韓冰，呂世雄，馮吉才，冷勁松，陳曉波(1．哈爾濱工業(yè)大學(xué)先進(jìn)焊接與連接國家重點實驗室，哈爾濱150001;2．哈爾濱工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)研究所，哈爾濱150001;3．廣州阿比泰克焊接技術(shù)有限公司，廣州510530)摘要:基于固態(tài)連接原理提出了填充式攪拌摩擦焊匙孔修復(fù)技術(shù)，設(shè)計了攪拌針為可消耗式

2、的分體式焊具．在填充式攪拌摩擦焊過程中，利用與被焊結(jié)構(gòu)同質(zhì)的鋁合金攪拌針的塑性變形和流動，實現(xiàn)了對焊縫匙孔的固態(tài)補(bǔ)焊．?dāng)嚢栳樑c匙孔界面結(jié)合良好，界面處材料發(fā)生了塑性變形和連續(xù)的材料流動，補(bǔ)焊接頭處存在填充區(qū)、焊核區(qū)、準(zhǔn)焊核區(qū)、熱力影響區(qū)和熱影響區(qū)．結(jié)果表明，匙孔補(bǔ)焊接頭的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率均達(dá)到無缺陷原始焊縫的90%，實現(xiàn)了對焊縫匙孔的準(zhǔn)等強(qiáng)修復(fù)，該技術(shù)為攪拌摩擦焊焊縫缺陷的修復(fù)和無匙孔攪拌摩擦焊提供了技術(shù)支撐．關(guān)鍵詞:填充式攪拌摩擦焊;匙孔;分體式焊具;修復(fù)中圖分類號:TG453文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:025

3、3－360X(2012)03－0005－04黃永憲0序言1試驗方法自英國焊接研究所(TheWeldingInstitute，TWI)以7．8mm厚2219-T6鋁合金攪拌摩擦焊縫匙于1991年發(fā)明攪拌摩擦焊技術(shù)(frictionstirweld-孔為分析對象，展開對填充式攪拌摩擦焊匙孔修復(fù)ing，F(xiàn)SW)以來，該技術(shù)因其在輕合金連接領(lǐng)域與傳技術(shù)的分析．首先針對該技術(shù)設(shè)計了一種分體式焊統(tǒng)的熔化焊接方法相比具有諸多優(yōu)點，如接頭疲勞具，如圖1所示，不同于傳統(tǒng)攪拌摩擦焊具，該分體性能、拉伸和彎曲性能良好，焊接時無噴濺、不

4、需使式焊具由可消耗式攪拌針、非消耗式軸肩、夾持體和用保護(hù)氣體，焊后接頭殘余應(yīng)力和變形小等特點，受緊固螺釘構(gòu)成．其中攪拌針由與被焊結(jié)構(gòu)同質(zhì)的到各國科研機(jī)構(gòu)特別是宇航制造業(yè)的密切關(guān)注和支2219-T6鋁合金材料制成，軸肩由經(jīng)淬火處理的高［1－4］持，并于1996年將其成功應(yīng)用到宇航領(lǐng)域．盡速鋼材料制成．管利用攪拌摩擦焊技術(shù)能夠獲得高質(zhì)量的焊接接頭，避免了傳統(tǒng)熔化焊方法容易出現(xiàn)的裂紋、氣孔等焊接缺陷，但在工藝參數(shù)或條件不適當(dāng)?shù)那闆r下易［5－7］出現(xiàn)填充不完全、未焊透和根部不連續(xù)等缺陷，［8，9］從而降低焊縫性能．此外焊

5、接結(jié)束后遺留下來的匙孔更是難以避免，將會對焊接結(jié)構(gòu)造成“木桶效應(yīng)”．文中基于固態(tài)連接原理提出了填充式攪拌摩擦圖1分體式焊具實物［10］Fig.1ViewofcombinedtoolforFFSW焊技術(shù)(fillingfrictionstirwelding，F(xiàn)FSW)，利用可消耗式鋁合金攪拌針實現(xiàn)了匙孔的修復(fù)，并對補(bǔ)對2219-T6鋁合金攪拌針形狀尺寸進(jìn)行設(shè)計．焊接頭的宏微觀形貌及力學(xué)性能進(jìn)行了分析．?dāng)嚢栳樀男螤畛叽鐚⒅苯佑绊懷a(bǔ)焊接頭的質(zhì)量．因此攪拌針的形狀尺寸根據(jù)匙孔的實測尺寸而具體設(shè)收稿日期:2011－07－1

6、8基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(50904020，50974046);哈爾計．為保證在補(bǔ)焊過程中攪拌針能夠順利地嵌入待濱市青年科技創(chuàng)新人才基金資助項目(2009RFQXG050);焊匙孔內(nèi)，不會在扎入過程中出現(xiàn)攪拌針過早斷裂中央高?；A(chǔ)科研業(yè)務(wù)費專項資金資助項目(HIT．破損的現(xiàn)象;填充材料是充足的，不會因填充材料的NSRIF．2012007);國家博士后科學(xué)基金資助項目(20090-460883，201003419)不足而導(dǎo)致弱焊、孔洞等焊接缺陷的產(chǎn)生，所設(shè)計攪6焊接學(xué)報第33卷拌針的長度和錐度均應(yīng)適當(dāng)大

7、于匙孔的實測尺寸．該技術(shù)屬于固態(tài)連接技術(shù)，焊接過程中未出現(xiàn)如圖2所示，根據(jù)所得匙孔形狀尺寸的實測結(jié)果，共金屬的熔化及過熱現(xiàn)象，金屬始終處于塑性狀態(tài)，焊設(shè)計了6種不同尺寸規(guī)格的2219-T6鋁合金攪拌接熱輸入低于傳統(tǒng)熔化焊方法．利用焊具軸肩的摩針，具體尺寸:針長10mm，針錐度11°，12°;針長11擦攪拌作用，促進(jìn)了材料的流動及缺陷的愈合．mm，針錐度11°，12°和針長12mm，針錐度11°，12°．3試驗結(jié)果與討論圖4a為補(bǔ)焊前匙孔的宏觀形貌．補(bǔ)焊過程中，利用攪拌針的塑性變形和材料流動并在扭矩剪切力的作用下將

8、其填充于匙孔內(nèi)，實現(xiàn)對焊縫匙孔的填充補(bǔ)焊，補(bǔ)焊接頭宏觀成形良好，如圖4b所示．圖2攪拌針實物Fig.2Viewof2219-T6bits試驗所采用的焊接設(shè)備為FSW-3LM-003型龍門式數(shù)控攪拌摩擦焊機(jī)，最大功率為15kW，最高旋轉(zhuǎn)頻率為3000r/min．首先在攪拌摩擦焊過程中，選定攪拌頭旋轉(zhuǎn)頻率為800r/min，焊接速度為500mm/min，壓入量為0．2mm，對