搅动摩擦焊的特点和应用

［摘要］　搅动摩擦焊是在摩擦焊基础上派生出来的。它不受焊件必须是旋转对称体的限制，适于焊铝合金等熔点较低材料，焊缝为固态组织，避免了普通熔焊可能产生的各种缺陷，是解决Al-Li合金、金属基复合材料焊接问题的好方法。
关键词　搅动摩擦焊　铝合金　铝锂合金　金属基复合材料

Feature and Application of Friction Stir Welding

Zhang Zheng
(Institute of Aeronautical Materials,Beijing)

［Abstract］　Friction stir welding releases the process from restriction to rotationally symmetrical bodies.A tool positioned above the center line of the joint is rotated fast enough to produce thermal plasticity and moved along the joint.Friction stir welding, unlike fusion welding, involves no melting and resolidification and therefore does not create the cast microstructure, comparatively lange HAZ potential distortion,and residual stress typical of fusion welds.The artical overviews the advantages and current status of friction stir welding.
Keywords　friction stir welding　aluminum alloys　Al-Li alloys　MMCs

1　前言
　　摩擦焊是利用焊件接触端面相对旋转运动中相互摩擦所产生的热，使端部达到热塑性状态，然后迅速顶锻，完成焊接的一种压焊方法，被公认为是一种快速而可靠的方法，在航空发动机压气机转子的制造中得到广泛应用。搅动摩擦焊是在传统摩擦焊的基础上派生出来的，并由英国人C.J.Dawes和W.M.Thomas获得发明专利。它是自激光束焊以来最为引人注目的新工艺,在航空航天界引起极大兴趣,以期用该工艺解决铝锂合金厚板的连接,继而解决金属基复合材料及不能焊的7075等7000系铝合金的焊接问题。

2　工作原理及工艺特性
　　搅动摩擦焊设备的关键是一个作高速旋转的台肩刀具，刀头由硬质合金制成，依焊件不同制成特定形状，其长度比焊缝深度略浅。焊前，首先将待焊母材固定在底板上，刀具的轴线对准焊缝。焊接开始后，刀具以一定的速度做圆周运动并插入到焊缝中，并沿焊缝方向移动。由于摩擦，母材局部温度升高到500℃左右，达到热塑性状态，另一方面，由于刀头的旋转，对母材也有搅动、碾压和锻造等作用，随着刀具的的移动，在其后形成一道焊缝^［1］。
　　搅动摩擦焊具有以下工艺特点：(1) 固相连接在合金中保持母材冶金性能，可焊金属基复合材料、快速凝固材料等采用熔焊会有不良反应的材料;(2) 对挤压型材进行焊接，可制成大型结构，如船板、框架、平台等;(3) 实现不同材料的连接，如铸件与挤压件;(4) 残余应力比熔焊低(即使是长焊缝);(5) 不需焊料;(6) 设备简单，能耗低，功效高(如单道12.5mm厚6000系铝合金总能耗3kW);(7) 操作人员不需受特殊训练;(8) 不需焊前除氧;(9) 适于自动化生产;(10) 不需开专门的坡口,可用于几种接头形式:对接,搭接和角焊;(11) 可焊热裂纹敏感的材料。

3　焊缝显微组织及力学性能
　　搅动摩擦焊整个过程是在固态下完成的，不会得到铸造组织，避免了采用熔焊时因熔化和凝固而形成的孔隙、微裂纹、变形和残余应力，也不会有任何元素丢失，且焊缝组织较母材更细密，接头强度一般不低于母材，且同时具有很好的弯曲韧性。如在焊缝根部受拉时，可将2014AT6合金弯曲180°，做拉伸试验时，断口出现在靠近母材一侧的热影响区；厚度分别为1.6mm、6.4mm，12.7mm的6082T6铝合金均可弯曲180°；5083 O状合金同样可弯曲180°，且拉伸断口在焊缝和热影响之外，具体试验结果见下表^［2］。

表 　O态6mm厚5083铝合金焊件拉伸试验结果
Table 　Tensile test data for weldsmade
in 6mm thick alloy 5083 in the O condition

试样取样位置试样尺寸/mmσ_0．2
/MPaσ_b
/MPaδ
/10^－2横截面标距1垂直于焊缝19.98×5.926213730224.02垂直于焊缝19.95×5.906214229824.03垂直于焊缝19.98×5.866214329721.04母材19.76×6.026214829823.54　应用现状和不足
　　铝锂合金因其具有高比强度、高比刚度,低密度等特性成为理想的航空航天用结构材料。限制其实际应用的障碍,除材料自身因素外,主要就是焊接问题,因为锂是活泼金属元素,在熔融状态极易挥发。采用普通熔焊方法，焊缝中的Li元素会全部挥发，而采用搅动摩擦焊，局部最高温度只有～500℃，即在中温表面上进行,可以阻止Li的挥发^［3］。
　　另外，采用熔焊方法焊接金属基复合材料时，在焊缝周围，增强材料的分布会发生变化。而采用搅动摩擦焊，就能解决SiC增强金属基复合材料的焊接问题^［3］。
　　搅动摩擦时也存在一定缺点：(1) 对板材进行单道连接时，焊接速度低于电弧焊(尽管18mm厚板材单道焊件采用摩擦搅动焊)；(2) 焊件的夹持要求较高；(3) 焊缝端头形成一个洞眼；(4) 难以对焊缝进行修补；(5) 刀头因磨损消耗太快。人们正尝试用更为耐磨的陶瓷材料替代目前使用的硬质合金，如钴基高温合金等。这一工作相当困难，因为陶瓷材料很难达到所需的韧性^［3］。
　　搅动摩擦搅动焊适于各种铝合金制件，包括铝锂合金、铝基复合材料制件的连接，为铝锂合金在航空航天中应用创造了条件。据估计,此法在工业上应用尚需一至两年时间。