攪拌摩擦焊接系統(tǒng)

第1章 緒論1

1.1 攪拌摩擦焊接原理1

1.2 攪拌摩擦焊接特點(diǎn)1

1.3 接頭形式及焊接材料3

1.4 攪拌摩擦焊接專利許可與授權(quán)6

1.5 攪拌摩擦焊接技術(shù)應(yīng)用8

1.5.1 攪拌摩擦焊接技術(shù)在造船業(yè)的應(yīng)用8

1.5.2 攪拌摩擦焊接技術(shù)在鐵道車輛制造上的應(yīng)用10

1.5.3 攪拌摩擦焊接技術(shù)在飛機(jī)制造業(yè)的應(yīng)用11

1.5.4 攪拌摩擦焊接技術(shù)在航天制造業(yè)的應(yīng)用14

1.5.5 攪拌摩擦焊接技術(shù)在其他工業(yè)方面的應(yīng)用17

1.6 攪拌摩擦焊接技術(shù)的常用術(shù)語(yǔ)18

1.7 小結(jié)19

第2章 攪拌頭與攪拌摩擦焊接設(shè)備20

2.1 攪拌頭的研制與開(kāi)發(fā)20

2.1.1 攪拌頭的構(gòu)成20

2.1.2 攪拌頭材料選擇21

2.1.3 攪拌頭形狀設(shè)計(jì)28

2.1.4 工程用常見(jiàn)攪拌頭37

2.1.5 攪拌頭的改進(jìn)措施39

2.2 攪拌摩擦焊接設(shè)備40

2.2.1 攪拌摩擦焊接設(shè)備分類40

2.2.2 攪拌摩擦焊接設(shè)備結(jié)構(gòu)43

2.2.3 常見(jiàn)攪拌摩擦焊接設(shè)備簡(jiǎn)介53

2.3 小結(jié)59

第3章 鋁合金攪拌摩擦焊接工藝60

3.1 焊接工藝參數(shù)60

3.1.1 攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度60

3.1.2 焊接速度67

3.1.3 焊接壓力77

3.1.4 焊接線能量78

3.1.5 焊接扭矩和焊接能量83

3.2 影響焊接接頭性能的工程因素86

3.2.1 焊接間隙87

3.2.2 板厚差88

3.2.3 板材表面處理狀態(tài)90

3.2.4 攪拌頭偏移量91

3.3 理想的參數(shù)規(guī)范93

3.3.1 旋轉(zhuǎn)速度與焊接速度參數(shù)范圍93

3.3.2 焊接裝配范圍98

3.3.3 鋁合金常用焊接規(guī)范102

3.4 小結(jié)103

第4章 鋁合金攪拌摩擦焊接接頭組織及力學(xué)性能104

4.1 攪拌摩擦焊接接頭組織104

4.1.1 焊縫外觀形貌104

4.1.2 攪拌摩擦焊接接頭宏觀組織104

4.1.3 攪拌摩擦焊接接頭微觀組織109

4.2 鋁合金攪拌摩擦焊接接頭力學(xué)性能117

4.2.1 鋁合金攪拌摩擦焊接接頭性能優(yōu)勢(shì)117

4.2.2 常見(jiàn)攪拌摩擦焊接接頭力學(xué)性能119

4.2.3 接頭力學(xué)性能各層異性123

4.3 接頭顯微硬度127

4.3.1 典型鋁合金攪拌摩擦焊接接頭顯微硬度127

4.3.2 焊接工藝參數(shù)對(duì)接頭顯微硬度的影響133

4.3.3 接頭顯微硬度的各層異性134

4.4 接頭斷口分析137

4.5 小結(jié)144

第5章 攪拌摩擦焊接缺陷定義及分類145

5.1 表面缺陷145

5.1.1 飛邊145

5.1.2 匙孔147

5.1.3 表面下凹147

5.1.4 毛刺148

5.1.5 起皮150

5.1.6 背部粘連151

5.1.7 表面犁溝152

5.1.8 背部間隙153

5.2 內(nèi)部缺陷154

5.2.1 未焊透缺陷155

5.2.2 弱結(jié)合缺陷156

5.2.3 孔洞型缺陷158

5.2.4 結(jié)合面氧化物殘留162

5.3 攪拌摩擦焊接接頭缺陷產(chǎn)生機(jī)理163

5.4 小結(jié)167

第6章 攪拌摩擦焊接接頭缺陷檢測(cè)技術(shù)168

6.1 剖切檢查169

6.2 X射線無(wú)損檢測(cè)169

6.2.1 X射線無(wú)損檢測(cè)原理169

6.2.2 X射線無(wú)損檢測(cè)特點(diǎn)171

6.2.3 X射線無(wú)損檢測(cè)實(shí)例172

6.3 超聲波反射法無(wú)損檢測(cè)173

6.3.1 常規(guī)超聲波檢測(cè)及實(shí)例173

6.3.2 變角度超聲波無(wú)損檢測(cè)及實(shí)例177

6.3.3 超聲波檢測(cè)特點(diǎn)181

6.4 相控陣超聲波無(wú)損檢測(cè)181

6.4.1 相控陣超聲波無(wú)損檢測(cè)與傳統(tǒng)超聲波檢測(cè)

技術(shù)的區(qū)別182

6.4.2 相控陣超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的基本原理183

6.4.3 相控陣超聲波聲束掃描模式184

6.4.4 相控陣超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)特點(diǎn)186

6.4.5 相控陣超聲波無(wú)損檢測(cè)設(shè)備187

6.4.6 相控陣超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用實(shí)例188

6.5 小結(jié)191

第7章 攪拌摩擦焊接接頭缺陷修補(bǔ)技術(shù)192

7.1 攪拌摩擦補(bǔ)焊192

7.2 摩擦塞補(bǔ)焊194

7.2.1 摩擦塞補(bǔ)焊原理194

7.2.2 摩擦塞補(bǔ)焊分類196

7.2.3 摩擦塞補(bǔ)焊工藝197

7.2.4 摩擦塞補(bǔ)焊接頭組織206

7.2.5 摩擦塞補(bǔ)焊在攪拌摩擦焊接接頭缺陷修補(bǔ)

中的應(yīng)用209

7.2.6 摩擦塞補(bǔ)焊缺陷與防止措施211

7.3 小結(jié)214

第8章 攪拌摩擦焊接溫度場(chǎng)215

8.1 攪拌摩擦焊接溫度場(chǎng)檢測(cè)216

8.1.1 焊接材料種類對(duì)溫度場(chǎng)的影響216

8.1.2 焊接材料厚度對(duì)溫度場(chǎng)的影響219

8.1.3 工藝參數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)的影響222

8.2 攪拌摩擦焊接過(guò)程溫度場(chǎng)數(shù)值模擬222

8.2.1 不考慮攪拌針產(chǎn)熱的熱源模型223

8.2.2 考慮攪拌針產(chǎn)熱的熱源模型226

8.3 小結(jié)240

第9章 攪拌摩擦焊縫金屬流動(dòng)試驗(yàn)及數(shù)值模擬241

9.1 焊縫金屬流動(dòng)試驗(yàn)241

9.1.1 異種材料焊接241

9.1.2 急停技術(shù)244

9.1.3 嵌入標(biāo)記材料245

9.1.4 典型鋁合金攪拌摩擦焊縫金屬流動(dòng)實(shí)例250

9.2 攪拌摩擦焊縫金屬流動(dòng)數(shù)值模擬258

9.2.1 數(shù)值模擬簡(jiǎn)介258

9.2.2 典型鋁合金攪拌摩擦焊縫金屬流動(dòng)數(shù)值模擬262

9.3 小結(jié)266

第10章 攪拌摩擦焊接技術(shù)的發(fā)展267

10.1 高熔點(diǎn)金屬的攪拌摩擦焊接技術(shù)267

10.1.1 攪拌頭材料選擇268

10.1.2 攪拌頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)272

10.1.3 焊接設(shè)備要求275

10.1.4 典型高熔點(diǎn)金屬攪拌摩擦焊接275

10.2 復(fù)合熱源攪拌摩擦焊接技術(shù)284

10.2.1 以激光為輔助熱源的復(fù)合攪拌摩擦焊接技術(shù)284

10.2.2 以等離子弧為輔助熱源的復(fù)合攪拌摩擦焊接技術(shù)286

10.3 攪拌摩擦點(diǎn)焊288

10.3.1 攪拌摩擦點(diǎn)焊的基本原理289

10.3.2 攪拌摩擦點(diǎn)焊特點(diǎn)292

10.3.3 攪拌摩擦點(diǎn)焊工藝294

10.3.4 攪拌摩擦點(diǎn)焊焊接設(shè)備306

10.3.5 攪拌摩擦點(diǎn)焊技術(shù)的應(yīng)用310

10.4 小結(jié)312

參考文獻(xiàn)313

攪拌摩擦焊接技術(shù)是英國(guó)焊接研究所于1991年發(fā)明的一種固相連接新技術(shù)，被稱為繼激光焊以來(lái)的一場(chǎng)焊接革命。與傳統(tǒng)熔化焊相比，攪拌摩擦焊接具有接頭缺陷少、質(zhì)量高、變形小，以及焊接過(guò)程綠色、無(wú)污染等顯著優(yōu)點(diǎn)，在航空、航天、船舶、核工業(yè)、交通運(yùn)輸?shù)裙I(yè)制造領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。國(guó)內(nèi)外都積極開(kāi)展了攪拌摩擦焊接技術(shù)研究工作，也獲得了一定的研究成果，這些研究成果主要以期刊論文、學(xué)術(shù)報(bào)告、會(huì)議文檔、內(nèi)部資料等形式存在， 還沒(méi)有有關(guān)攪拌摩擦焊接技術(shù)的專著問(wèn)世。隨著鋁合金攪拌摩擦焊接技術(shù)的快速發(fā)展，亟須將這些研究成果進(jìn)行歸納總結(jié)、梳理提煉， 形成較完整的鋁合金攪拌摩擦焊接技術(shù)體系，指導(dǎo)攪拌摩擦焊接技術(shù)的實(shí)際工程應(yīng)用。

從2001年開(kāi)始，作者所在的攪拌摩擦焊接團(tuán)隊(duì)就緊密跟蹤國(guó)際技術(shù)前沿，在國(guó)內(nèi)開(kāi)展了攪拌摩擦焊接技術(shù)研究及應(yīng)用工作，先后完成了多項(xiàng)國(guó)家、中國(guó)航天科技集團(tuán)公司以及本單位的相關(guān)研究課題，在攪拌摩擦焊接技術(shù)及工藝工程化應(yīng)用方面取得了豐碩成果， 曾獲得國(guó)防科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng)2項(xiàng)，申報(bào)國(guó)家、國(guó)防發(fā)明專利12項(xiàng)，完成5項(xiàng)航天行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的編制，形成了相對(duì)完整的攪拌摩擦焊接技術(shù)體系。完成編制的航天行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)包括系列化工程用攪拌頭、攪拌摩擦焊接技術(shù)、接頭檢測(cè)技術(shù)、缺陷修補(bǔ)技術(shù)，以及指導(dǎo)焊接生產(chǎn)的相關(guān)工藝規(guī)范(《鋁合金攪拌摩擦焊工藝規(guī)范》、《鋁合金攪拌摩擦焊相控陣超聲波檢測(cè)方法》、《鋁合金摩擦塞補(bǔ)焊工藝規(guī)范》)和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)(《鋁合金攪拌摩擦焊技術(shù)條件》、《鋁合金摩擦塞補(bǔ)焊技術(shù)條件》)。

本書就是在總結(jié)和提煉上述課題研究成果和實(shí)際工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，參考國(guó)內(nèi)外鋁合金攪拌摩擦焊接技術(shù)的最新研究進(jìn)展， 結(jié)合攪拌摩擦焊接技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)而編著的一部專用于鋁合金攪拌摩擦焊接的著作。全書以鋁合金的攪拌摩擦焊接工藝技術(shù)為主線，圍繞技術(shù)實(shí)際工程應(yīng)用，較為系統(tǒng)地分析了攪拌摩擦焊接技術(shù)的特點(diǎn) 以及該技術(shù)在國(guó)內(nèi)外各領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，闡述了攪拌頭的研制與開(kāi)發(fā)，攪拌摩擦焊接頭組織和力學(xué)性能，接頭缺陷種類、定義、產(chǎn)生原因及缺陷檢測(cè)手段、缺陷修補(bǔ)技術(shù)等內(nèi)容，并且針對(duì)攪拌摩擦焊接機(jī)理，較為詳細(xì)地論述了通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值模擬兩種手段分析攪拌摩擦焊接接頭溫度場(chǎng)以及焊縫內(nèi)部塑性金屬流動(dòng)的方法，最后簡(jiǎn)要概述了攪拌摩擦焊接技術(shù)的最新發(fā)展?fàn)顩r，包括復(fù)合攪拌摩擦焊、攪拌摩擦點(diǎn)焊等最新焊接技術(shù)。

本書的特點(diǎn)主要有兩個(gè)。1)學(xué)術(shù)性。本書采用了前期課題研究所獲得的大量成果，書中論述的鋁合金攪拌摩擦焊接頭組織特征、缺陷成因與預(yù)防、焊接過(guò)程機(jī)理分析等內(nèi)容都是在課題研究成果的基礎(chǔ)上總結(jié)提煉的，具有一定的學(xué)術(shù)水平和理論價(jià)值;2)實(shí)用性。本書所采用的大量數(shù)據(jù)都是作者所屬團(tuán)隊(duì)在實(shí)際攪拌摩擦焊接技術(shù)推廣應(yīng)用過(guò)程中，通過(guò)大量試驗(yàn)研究獲得的，并經(jīng)過(guò)實(shí)際產(chǎn)品的驗(yàn)證，如焊接工程影響因素分析、焊接工藝參數(shù)優(yōu)化范圍、缺陷影響因素等。這些工程數(shù)據(jù)不同于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)數(shù)據(jù)，它們?nèi)∽怨こ虘?yīng)用一線，考慮了實(shí)際應(yīng)用中的各種狀況，真實(shí)反映了攪拌摩擦焊工程化應(yīng)用情況，并且已形成相應(yīng)的攪拌摩擦焊接標(biāo)準(zhǔn)，這些數(shù)據(jù)可直接用于攪拌摩擦焊接工藝工程化應(yīng)用推廣，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

本書的完成是作者所在的研究團(tuán)隊(duì)集體智慧的結(jié)晶，除作者之外，團(tuán)隊(duì)中的杜巖峰、劉景鐸、張麗娜等同志在課題研究過(guò)程中做了大量的工作，在鋁合金攪拌摩擦焊接工藝優(yōu)化、攪拌頭和攪拌摩擦焊接設(shè)備研制、焊接接頭缺陷研究及缺陷修補(bǔ)等方面作出了重要貢獻(xiàn)，為本書提供了大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù);張引、劉偉、李華強(qiáng)等同志為本書攪拌摩擦焊接缺陷檢測(cè)技術(shù)研究提供了相控陣超聲波檢測(cè)方面的資料。北京科技大學(xué)的張華老師參與了本書第8章"攪拌摩擦焊接溫度場(chǎng)"的編寫工作。在課題研究過(guò)程中得到了首都航天機(jī)械公司孟凡新、劉憲力、孫忠紹、白景彬、周世杰、郝文龍、劉琦、佟琦等各位領(lǐng)導(dǎo)的大力支持和幫助，在此一并表示感謝。同時(shí)還要感謝哈爾濱工業(yè)大學(xué)的吳林教授、林三寶副教授，北京航空航天大學(xué)的張彥華教授，他們對(duì)本書的編寫工作也給予了大力支持。此外， 本書的完成，參考了國(guó)內(nèi)外最新研究成果，在此向相關(guān)的作者表示衷心的感謝，特別是某些文獻(xiàn)未找到原始出處，在此也向相關(guān)作者表示誠(chéng)摯的謝意。

本書匯集了前期大量課題研究成果，在此向提供課題資金資助的相關(guān)單位領(lǐng)導(dǎo)表示感謝。

本書作為國(guó)內(nèi)第一部介紹攪拌摩擦焊接技術(shù)的專業(yè)著作，可供從事鋁合金攪拌摩擦焊接技術(shù)科研和生產(chǎn)的相關(guān)人員參考，也可作為高等院校焊接及相關(guān)專業(yè)的研究生和本科高年級(jí)學(xué)生的輔助教材。

希望本書能在完善攪拌摩擦焊接技術(shù)的理論體系，進(jìn)一步推進(jìn)攪拌摩擦焊接技術(shù)發(fā)展，以及推廣工程化應(yīng)用等方面作出一定的貢獻(xiàn)。限于作者的學(xué)識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，書中的缺點(diǎn)錯(cuò)誤在所難免，殷切希望讀者批評(píng)指正。