5A06鋁合金厚板攪拌摩擦焊工藝

中航工業(yè)北京賽福斯特技術有限公司（中國攪拌摩擦焊中心）是中國攪拌摩擦焊技術先鋒和開拓者,秉持“航空報國、強軍富民”的主體理念,已成功實現(xiàn)我國大型飛機機身結(jié)構、油箱、口蓋、地板結(jié)構、新型戰(zhàn)斗機艙體、機翼結(jié)構和雷達冷板等部件的攪拌摩擦焊接,大幅提升了我國武器裝備的制造技術水平。

中航工業(yè)北京賽福斯特技術有限公司（中國攪拌摩擦焊中心）是中國攪拌摩擦焊技術先鋒和開拓者,秉持“航空報國、強軍富民”的主體理念,已成功實現(xiàn)我國大型飛機機身結(jié)構、油箱、口蓋、地板結(jié)構、新型戰(zhàn)斗機艙體、機翼結(jié)構和雷達冷板等部件的攪拌摩擦焊接,大幅提升了我國武器裝備的制造技術水平。

采用熱塑性塑料abs作為焊接材料,研究了攪拌摩擦焊工藝參數(shù)對其焊接接頭力學性能的影響。結(jié)果表明,工藝參數(shù)與性能之間有明顯的關聯(lián)性,采用1300r/min轉(zhuǎn)速、0.05mm下壓量、20mm/min焊接速度,接頭宏觀表面成型良好,且焊接后板材整體基本無翹曲,可以實現(xiàn)有效連接。斷面分析表明,在不同焊接參數(shù)下接頭斷裂方式不同,斷面出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象。

攪拌摩擦焊具有熔化焊接無法比擬的優(yōu)點，因此鋁合金攪拌摩擦焊引起國內(nèi)外學者的廣泛關注。本文主要介紹了攪拌摩擦焊的工作原理和接頭性能影響因素．詳細介紹了國內(nèi)外鋁合金攪拌摩擦焊接頭微觀組織、接頭力學性能和塑性流動機理以及攪拌摩擦焊焊接缺陷修補技術，指出了在塑型金屬流動方面存在的不足，還需要進一步研究焊接接頭質(zhì)量的評定方法和攪拌摩擦焊接頭缺陷的修補技術。

攪拌摩擦焊具有熔化焊接無法比擬的優(yōu)點,因此鋁合金攪拌摩擦焊引起國內(nèi)外學者的廣泛關注。本文主要介紹了攪拌摩擦焊的工作原理和接頭性能影響因素,詳細介紹了國內(nèi)外鋁合金攪拌摩擦焊接頭微觀組織、接頭力學性能和塑性流動機理以及攪拌摩擦焊焊接缺陷修補技術,指出了在塑型金屬流動方面存在的不足,還需要進一步研究焊接接頭質(zhì)量的評定方法和攪拌摩擦焊接頭缺陷的修補技術。

國內(nèi)對攪拌摩擦焊焊接參數(shù)(如進給速度、旋轉(zhuǎn)速度)的研究比較多,但對工藝傾角的研究很少。本文采用攪拌摩擦焊方法對2519鋁合金進行了焊接試驗,結(jié)果表明,工藝傾角也是影響焊縫質(zhì)量的關鍵性因素,工藝傾角在3°~5°區(qū)間時,呈現(xiàn)出較好的焊縫性能,小于3°或大小5°,焊縫性能較差。

介紹了攪拌摩擦焊的原理、研究現(xiàn)狀及應用,并對該焊接方法的應用前景進行了展望。

采用伸縮式攪拌頭對25mm板厚2219-t6鋁合金進行攪拌摩擦焊,在多道補焊時避免攪拌頭軸肩的二次下壓量造成的底部焊穿。對25mm板厚2219-t6攪拌摩擦焊焊縫的微觀組織、材料缺失型缺陷及弱連接型缺陷進行觀察。結(jié)果表明:焊縫沿厚度方向分為軸肩影響區(qū)和攪拌針影響區(qū),焊接參數(shù)的變化與這兩區(qū)域中缺陷的產(chǎn)生存在一定關系,焊縫中的材料缺失型缺陷遵循一定的體積守恒關系。利用伸縮式攪拌頭制備不同尺寸的焊縫根部未焊透缺陷,發(fā)現(xiàn)未焊透的深度與焊縫抗拉強度呈非線性關系。在統(tǒng)一的焊接參數(shù)規(guī)范下,調(diào)整攪拌針伸出長度進行多道焊,研究多道補焊工藝對焊縫組織性能的影響。

采用攪拌摩擦焊(fsw)技術對1mm厚6061-t6鋁合金薄板進行了對接.研究了焊接工藝參數(shù)的范圍,實驗測試了焊接接頭的強度、硬度和延伸率,利用金相顯微鏡、掃描電鏡和透射電鏡分析了接頭的微觀組織.結(jié)果表明:對于1mm厚度6061-t6鋁合金,fsw的最優(yōu)工藝參數(shù)為旋轉(zhuǎn)速度1800r.min-1,焊接速度1000mm.min-1;在此參數(shù)下,接頭的硬度值達到母材的80%左右,抗拉強度達到母材的103%,延伸率達到母材的54%;接頭的力學性能與微觀結(jié)構相符.

用攪拌摩擦焊方法成功焊接了10mm厚的紫銅與低碳鋼板,得到了內(nèi)部無缺陷、外觀成形良好的接頭.紫銅位于攪拌摩擦焊返回邊時,能使焊縫形成良好接頭.反之,位于前進邊時則有溝槽和未焊合等缺陷.右旋螺紋攪拌針會使焊縫材料向上作螺旋形運動,接頭有明顯的軸肩影響區(qū),缺陷容易在焊縫底部出現(xiàn).左旋螺紋攪拌針使攪拌針周圍的塑化金屬向下遷移,在焊縫下部形成明顯的呈"洋蔥環(huán)"形焊核區(qū),缺陷容易在焊縫上部出現(xiàn).攪拌針偏移量對焊縫形貌有較大影響.接頭抗拉強度達233mpa,為銅母材強度的95%,斷裂位置在銅側(cè)熱影響區(qū).焊核區(qū)抗拉強度達296mpa,遠超過紫銅母材的強度.

分別采用攪拌摩擦焊(fsw)和熔化極氬弧焊(mig)對20mm厚的5a06鋁合金進行了焊接試驗,對兩種焊接方式的焊縫接頭進行了機械性能測試、顯微組織的觀察以及表面殘余應力的檢測。結(jié)果表明,攪拌摩擦焊縫接頭的抗拉強度比熔化極氬弧焊縫接頭的高,攪拌摩擦焊縫接頭往往斷裂于前進側(cè)的熔合過渡區(qū),熔化極氬弧焊縫接頭斷裂于熱影響區(qū);相比熔化極氬弧焊,攪拌摩擦焊接頭晶粒明顯細化,焊縫中mg、mn等合金元素燒損明顯減少,焊縫表面的殘余應力水平也較低。

材料為5a06鋁合金的貯箱組件存在壁薄、結(jié)構復雜、尺寸大且容易變形,在試驗中多次出現(xiàn)低壓力爆破現(xiàn)象。為提高焊縫強度,滿足產(chǎn)品焊接質(zhì)量要求,對焊接工藝過程中焊接線能量對強度的影響進行了分析,對比了變極性手工tig與自動tig焊接方法,并改進了焊接結(jié)構。試驗采取的措施有效地提高了產(chǎn)品的焊縫強度,滿足了產(chǎn)品焊接質(zhì)量要求。

利用自行研制的攪拌摩擦焊機采用一種攪拌摩擦焊外側(cè)角接的新方法對厚度為22mm的2519鋁合金進行了角接焊接試驗,并對焊縫的微觀組織、硬度等進行了分析.分析了攪拌針斷裂原因及得出其斷裂方式為剪切斷裂.結(jié)果表明,攪拌摩擦焊外側(cè)角接焊接的方法能夠有效地進行角接焊接;合理的焊接工藝和攪拌針形狀是焊接的關鍵;旋轉(zhuǎn)頻率在30～40rad/s,焊接速度在90～120mm/min的范圍內(nèi)都可以獲得良好的接頭外觀.

主要對塑料板的攪拌摩擦焊工藝進行了探索,研究了主要的工藝參數(shù)(包括攪拌頭的形狀、攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度、軸肩下壓量和主軸傾角)對塑料焊縫成形的影響,并對焊后成形較好的試樣進行了力學性能試驗和焊縫橫截面的宏觀分析。結(jié)果表明,當工藝參數(shù)選擇合適時,可以得到光滑、美觀和無缺陷的焊縫,接頭的抗拉強度可達到母材的90%以上。

采用攪拌摩擦焊接方法對厚度為25mm的t2紫銅厚板進行了單道對接焊試驗,并對焊縫的微觀組織、力學性能、導電特性及焊縫能譜進行了分析.結(jié)果表明,用攪拌摩擦焊方法焊接25mm厚的t2紫銅板,可得到成形美觀、內(nèi)部無缺陷的平板對接接頭.在旋轉(zhuǎn)速度為960r/min、焊接速度為70mm/min時,攪拌摩擦焊的焊接接頭的抗拉強度可達到186.6mpa,攪拌摩擦焊接頭的電阻率與母材基本相當.

采用攪拌摩擦焊方法對厚度為1.8mm2024-t4鋁合金薄板進行焊接實驗,通過高壓水冷裝置來控制由殘余應力產(chǎn)生的失穩(wěn)翹曲變形,并對焊縫的微觀組織與力學性能進行了分析。結(jié)果表明:用攪拌摩擦焊方法焊接1.8mm厚的2024-t4鋁合金薄板可得到外表成形美觀、內(nèi)部無缺陷的平板對接接頭。在冷卻水壓為0.4mpa、攪拌針旋轉(zhuǎn)速度為2100r/min、焊接速度為120mm/min時,攪拌摩擦焊的焊接接頭強度可達到377.9mpa,達到母材強度的80.39%。

攪拌摩擦焊是一種新型固相塑性連接方法,它的出現(xiàn)為銅的焊接提供了一種新的工藝.對紫銅的攪拌摩擦焊工藝進行了研究,通過工藝試驗,對其焊縫成形、接頭組織形態(tài)及其力學性能進行了分析.研究結(jié)果表明,攪拌摩擦焊接紫銅時應選用攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度在400~700r/min,焊接速度為35~60mm/min;從顯微組織角度,由于接頭主要發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶,焊接接頭沒有熱力影響區(qū),而是三個區(qū),即焊核區(qū)、熱影響區(qū)、母材區(qū).研究還發(fā)現(xiàn)用攪拌摩擦焊得到的銅接頭出現(xiàn)了明顯的軟化現(xiàn)象,接頭的機械性能比母材低,但比熔化焊得到的接頭性能要高,其平均抗拉強度可達到母材的80%.

為了保證軌道車輛在其制造階段中,鋁合金材質(zhì)側(cè)墻結(jié)構攪拌摩擦焊接操作中所使用的工裝能在利用率、操控質(zhì)量、焊接便捷性等方面有所提升,目前出現(xiàn)了柔性類型的工裝結(jié)構,并通過這一結(jié)構的使用大大的強化了焊接操作中工裝的各方面性能.本文就軌道車輛在其制造階段中鋁合金材質(zhì)側(cè)墻結(jié)構攪拌摩擦焊接操作中所使用的柔性工裝進行了分析.

攪拌摩擦焊(frictionstirwelding.簡稱fsw)是一種利用高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭與工件磨擦產(chǎn)生的熱量使被焊材料局部塑化的新型固相連接工藝。它可以對多種熔化焊接性差的有色金屬等材料進行可靠的連接,而且連接工藝簡單,有較好的工藝適應性。本文在總結(jié)攪拌摩擦焊研究成果的基礎上,論述了攪拌摩擦焊的基本原理和特點,闡述了近年來國內(nèi)外攪拌摩擦焊工藝參數(shù)、接頭微觀組織、焊接成形機理等方面的研究現(xiàn)狀,并展望fsw的應用前景。

將一塊厚4mm的lf5鋁板與兩塊厚2mm的6063鋁板組成異種鋁合金對搭接復合接頭,進行攪拌摩擦焊工藝試驗并優(yōu)化焊接參數(shù),獲得優(yōu)質(zhì)焊縫。重點研究攪拌頭轉(zhuǎn)速、攪拌針偏移量對復合接頭抗拉強度的影響,并對焊縫表面及橫截面宏觀形貌、焊縫"洋蔥環(huán)"組織形貌、焊縫缺陷等進行觀察。分析在攪拌針選取不同偏移量的條件下,雙層板一側(cè)的搭接界面遷移行為的變化,及其影響焊縫抗拉強度的原因。在優(yōu)化后的攪拌摩擦焊工藝參數(shù)下,實驗獲得的復合接頭最高強度系數(shù)可達到6063鋁合金母材的72%。

采用半自動mig焊完成了厚度為12mm的6005a-t6鋁合金板材的連接,通過正交試驗研究了焊接工藝參數(shù)對焊接接頭抗拉強度及焊縫表面質(zhì)量的影響.結(jié)果表明,各工藝參數(shù)對焊接接頭抗拉強度影響顯著性從大到小依次為:焊接電流,焊接電壓,焊接速度和預熱溫度.考慮焊縫表面質(zhì)量因素,各工藝參數(shù)影響顯著性從大到小依次為焊接速度、預熱溫度和焊接電流.本研究條件下最佳mig焊接6005a-t6板材的工藝參數(shù)為:預熱溫度200℃,焊接電流180a,焊接電壓18.0v,焊接速度12mm/s.焊接后試樣接頭熱影響區(qū)內(nèi)晶粒平均尺寸小于5μm,且無過分長大現(xiàn)象.焊接后板材拉斷時為韌性斷裂.

在車鉤座組成自動焊焊接過程中,射線探傷多次發(fā)現(xiàn)線性顯示,通過宏觀金相分析確認缺陷為焊縫側(cè)壁未熔合,多次返修嚴重影響了工件的焊接質(zhì)量及生產(chǎn)進度。本文結(jié)合常見的未熔合產(chǎn)生原因,同時將車鉤座組成與車鉤面板自動焊工藝進行對比,并進行了一系列的試驗及分析,對車鉤座自動焊工藝進行優(yōu)化,最終通過優(yōu)化車鉤座自動焊焊縫填充分布和焊接參數(shù)等措施,基本上解決了車鉤座自動焊的未熔合問題,射線探傷一次合格率提高到90%以上,提高了生產(chǎn)效率。