摩擦焊接作为一种优质、精密、高效、节能和环保的固相连

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1、摩擦焊接作为一种优质、精密、高效、节能和环保的固相连接技术，在航空航天及一般工业领域都有着巨大的应用潜力，在轻量化、高可靠性及低成本的装备制造中具有独特的优势。比如，在国外工业强国，惯性摩擦焊（IFW）已成功用于航空发动机粉末盘与轴的连接，线性摩擦焊（LFW）已被应用到高推重比航空发动机整体叶盘的关键制造，搅拌摩擦焊（FSW）已用于飞机机舱等大型铝合金构件的制造。国内也将摩擦焊应用到了部分构件制造上。国内对摩擦焊的研究主要集中在对摩擦焊工艺及应用的研究。   而对摩擦焊基础研究较少，至今仍有一些基础科学问题有待阐明，如热源机制、接头塑性金属流动行

2、为等。正是由于国内基础研究的落后和国外技术的封锁，使得摩擦焊接头质量的稳定性与可靠性较低，因而制约了摩擦焊在国内重要构件上的大规模应用。   摩擦焊是一个涉及温度、力学、冶金及其相互作用的高度复杂过程，此过程中以摩擦界面处材料的塑性变形为主，界面处塑性金属流动的产生以及流动行为将会影响到热源的产生以及界面的扩散与动态回复再结晶，进而影响到焊接接头的质量。塑性金属层是否连续、完整和牢固地覆盖于摩擦界面，对能否形成无缺陷、优质的焊接接头具有重要影响。因此，研究摩擦焊接过程中塑性金属流动行为非常重要。通过对摩擦焊塑性流动的研究，建立焊接参数对塑性流动的

3、影响规律，对于确定焊接参数、优化焊接工艺、控制焊缝接头的组织和性能，进而提高焊接质量具有重要的实用价值。   旋转摩擦焊接头金属塑性流动   国外早期有关摩擦焊的研究主要集中在旋转摩擦焊接头形成过程中塑性流动与温度场的数值研究。1973年，Duffin与Bahrani对低碳钢管的连续驱动摩擦焊接过程进行了实验研究与分析，将工艺规范参数与试样的变形情况进行了相关分析。   1985年，Francis与Craine针对薄壁管件的连续驱动摩擦焊过程的摩擦阶段（不包括顶锻阶段）进行了分析，将变形层当做大粘性系数的牛顿流体，研究了变形层厚度、轴向缩短量与温

4、度的关系。一些文献采用解析法建立塑性区的分析模型对摩擦焊进行了定性研究。如Rich等采用工程应力解析法建立了塑性区的塑性变形模型，从理论上定性地描述了顶锻变形阶段塑性区的流动情况。1994年，Midling与Grong采用实验与解析方法研究了Al-Mg-Si合金与Al-SiC复合材料的摩擦焊接过程中的温度变化与塑性流动行为，预测了接头的应变场与温度场。1997年，Bendzsak等人通过解析的方法，对惯性摩擦焊接头的塑性金属流动行为进行了初步的阐述。以上文献摩擦热的处理都是以当量热流密度的形式从摩擦界面输入，模型简化过多，尽管部分计算结果与实验结

5、果吻合，摩擦焊条件下的塑性流动行为仍然没有被很好地阐明。   国内才荫先等于1984年采用了急停技术对45钢连续驱动摩擦焊接过程中变形层和高温区的扩展过程进行了研究。实验开展了摩擦压力和摩擦时间对变形层和高温区扩展过程规律的研究，并揭示了在摩擦加热开始时，变形层首先在距离圆心1/2~2/3半径处的摩擦表面上形成。变形层的厚度随摩擦压力的增大而增大。史弼采用解析法对摩擦焊接过程中的高温塑性变形区进行研究，定性地分析了焊接参数对塑性区宽度的影响。最近，张全忠基于弹塑性有限元理论，建立了GH4169环形件惯性摩擦焊接过程的热力耦合计算模型，并利用该模型

6、定量地分析了环形件摩擦焊接过程接头塑性区的分布、扩展规律以及塑性区金属塑性变形速率的分布和变化情况。   搅拌摩擦焊接过程塑性流动   在搅拌摩擦焊接过程中，工具形状、焊接参数和待焊材料直接影响焊缝金属的塑性流动，从而决定了焊核区、热机械影响区、热影响区的大小和性能。对搅拌摩擦焊过程中焊缝塑性金属流动的研究方法目前主要包括材料流动的可视化和计算机模拟2个方面。   1试验方法   试验方法是获得摩擦焊塑性流动可视化的有效手段，近年来国内外对搅拌摩擦焊接过程材料塑性流动行为进行了大量实验研究，所采用的方法主要有：异种合金/金属焊接、焊缝组织观察、标

7、记示踪技术等。涉及的主要技术有搅拌针冷冻技术和急停技术。   为可视化焊缝中复杂的塑性流动，Murr等研究了搅拌摩擦焊接2024Al和6061Al，铜和6061Al异种材料的连接。Ouyang等研究了FSW焊接2024Al和6061Al的材料流动行为，并将焊缝区域分为机械混合区、塑性流动区及由等轴晶组成的非混合区。异质金属的放置位置将影响焊缝组织和材料流动形态：放置于前进侧的软铝合金由于搅拌作用进入硬合金中时，其漩涡状流动形态较焊接同等硬度合金时更明显；   而当硬合金位于前进侧时，硬合金被搅入软金属时，硬金属几乎占据了横截面焊缝，但漩涡状流动形

8、态不明显。Krishnan采用不同的焊接参数研究了搅拌摩擦焊6061Al和7075Al合金“洋葱圆环”的形成过程。葱环形状是材料塑性流动