参考文献 39

第一章 绪论

1。1异种铝合金搅拌摩擦焊研究背景及意义

1。1。1铝合金搅拌摩擦焊背景

搅拌摩擦焊接（Friction Stir Welding，简称FSW）是由英国焊接研究所（The Welding Institule，简称TWI）针对焊接性差的铝合金、镁合金等轻质有色金属，在1991年开发的一种新型固相连接技术[1]。当然，搅拌摩擦焊有它独特的优点，比如，用较低的能耗得到高的效率、较高的接头质量、低于母材熔点的搅拌温度、接头残余应力小、小的焊接变形、环保健康的焊接环境等等。搅拌摩擦焊也是有色金属焊接时优先选择的焊接方法，还在在轨道交通运输、高标准船舶制造、航天、航空工程化应用、核能工业、石油化工等等领域有着非常广阔的应用前途。

铝合金密度小决定它质量轻，表面致密的氧化膜导致它耐腐蚀，还有较高的比强度。它还既容易成形又能拥有不错的力学性能，再加上无磁性，低温性，铝合金在工程建造、工业制造、石油化工、交通运输和电力电子等等领域有着广泛的应用。

传统熔焊方法对铝合金有较多方面的限制，比如，铝合金外表有一层致密的三氧化二铝氧化膜有较高的熔点，再加上铝较大的比热容，会浪费大量热输入。同时，铝有较好的热导率，导热速度又非常快，线膨胀系数更是金属中比较好的，这样环环累积，导致铝合金熔焊时焊接变形比较大，且会伴有大量的气孔缺陷。

1。1。2搅拌摩擦焊原理

1。1。2。1焊接过程与区域分布

搅拌摩擦焊是一种新型固相连接技术，是由搅拌头以一定速度旋转轧入待焊材料中，直到轴肩和待焊材料表面接触（焊接过程如图1所示）。待焊材料和搅拌头相互接触，搅拌头不断转动摩擦产生热量。这样越靠近搅拌区域的地方热输入就越大，会在搅拌头附近形成螺旋状的塑性层。搅拌摩擦焊接工具的主要组成的部分有加持作用的夹具、轴肩和搅拌针。当然，待焊板材得用夹具夹紧不能松动，焊接过程中禁止出现板材滑动或者偏离的现象。搅拌针直径通常为轴肩直径的三分之一，长度比板材的厚度稍稍短些。搅拌头和待焊材料之间有一定的角度，一般在2~5度之间，这样焊接材料与搅拌头之间的摩擦阻力就会减小，有利于焊接过程的顺利进行，也可以避免搅拌针由于过大的阻力折断在板材里。搅拌头附近的塑性层随着焊接过程从搅拌针的前部向着后面移动，搅拌针不断往前走，搅拌头后部的材料没有之前大量的热输入，就会冷却形成焊缝，实现固相连接。

图1-1 搅拌摩擦焊焊接过程示意图

搅拌摩擦焊接头一般分为四块区域，一是焊核区（Weld Nugget Zone，NZ）、热机械影响区（Thermal  Mechanical Affected Zone，TMAZ）、热影响区（Heat Affected Zone，HAZ）和母材（Base Metal，BZ）,具体如图1-2所示。

图1-2 搅拌摩擦焊接头区域分布示意图

由图中可以看出，搅拌针轴肩的下部区域，焊核的上部区域是一种形似鸡冠状区域。这块区域的特殊位置决定了搅拌轴肩的机械运动热作用是比搅拌头旋转搅拌作用更加强烈的。

搅拌摩擦焊的NZ区域的微观晶粒明显比TMAZ区和HAZ区的晶粒小，这是由于搅拌摩擦焊时NZ区的晶粒发生了更加细小、均匀的再结晶过程，如图1-3所示。材料的宏观性能由微观组织决定，而更加细小的晶粒能使材料的强度大大加强，同时更可以改善材料的塑性和韧性。当遇到外加力量时，细小的晶粒之间应变度的差距较小，形变程度相互差别也会相应减小，应力集中的现象会被大大减少，相应的材料出现裂纹的机会也会降低，同样材料的延展性也会增加。当然裂纹的出现率也会相应减小，需要的能量也越大，越不容易出现，宏观表现出来的性能就是材料的韧性和塑性好。所以焊核区得到细小的晶粒，是可以改善焊缝材料的力学性能的。论文网