铝∕铜异种金属搭接无倾角微搅拌摩擦焊接工艺特性.pdf

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1、摩擦焊接工艺特性米李颖，赵慧慧，张聃，徐奎，尹玉环(上海航天设备制造总厂，上海2011245)【摘要】以0．5mm厚6061铝合金和2mm厚T2紫铜搭接接头为研究对象，开展了无倾角微搅拌摩擦焊接试验，通过对搅拌工具材料选择、焊缝成形、接头性能分析，研究了其焊接工艺特性：试验结果表明，相比热作模具钢，采用高速工具铜制成的搅拌工具有更长的使用寿命：对于铝／铜搭接接头，无倾角微搅拌摩擦焊接能获得成形良好的焊缝，并且其工艺窗口宽泛，接头的力学性能良好，其承载能力能够达到铝合金母材的95％以上，但是当焊接速度为200mm／min时，主轴转速一旦超过2500

2、0r／min，焊缝表面将会出现沟槽缺陷。关键词：异种合金；无倾角；微搅拌摩擦焊接DoI：10．16080巧．issnl671．833x．2017．12．053李颖哈尔滨工业大学工学硕士、工程师，主要研究方向为搅拌摩擦焊、电弧焊、激光焊等。发表论文6篇。申请专利4项。+基金项目：上海市科技人才计划项目(17XDl420900)j铝合金和铜合金性能差异较大，使用传统的熔焊，焊缝中极易生成低熔共晶相和脆性金属间化合物，并且由于铝、铜的线膨胀系数差异较大，受热时二者的内应力和变形不一致，从而加剧了接头的裂纹倾向。此外，在熔焊过程中还存在气孑L、氧化等问题

3、[1-3]。搅拌摩擦焊接技术(FSW)是由英国焊接研究所(TwI)发明的一种新型固相连接方法f4】，具有热输入低、焊接变形小、焊接缺陷少、力学性能好、无需焊接填充材料等优点{5-6]。飞机机翼结构、机身结构、舱门结构、裙翼结构、货物装卸结构等结构【”在国内外航空制造领域已得到广泛应用。传统的搅拌摩擦焊接顶锻力较大，焊缝宽度大，并且在焊接过程中，搅拌工具时刻需要与工件表面法向保持2-5。倾角，因此传统搅拌摩擦焊接主要针对2mm以上的材料进行连接。无倾角微搅拌摩擦焊接技术(“一FSW)是在传统搅拌摩擦焊接技术上发展起来的，具有转速高、焊缝窄等特点，其

4、材料产热、流动机制与传统搅拌摩擦焊技术有显著区别，主要适用于lmm以下薄板材料连接。本研究以0．5mm厚6061铝合金和2mm厚T2紫铜搭接接头为对象，开展了无倾角微搅拌摩擦焊接试验，对搅拌工具选材、焊缝的成形、接头的性能进行了研究。试验条件试验过程中采用上海航天设备制造总厂自行研发并制造的HT—MFSW—01型无倾角微搅拌摩擦焊接设备，如图1所示，主机头采用高速电主轴，最高转速36000r／min。焊接过程中，搅拌工具以高转速CO进行自转，并且与试板表面垂直，同时沿着焊接线以一定的焊接速度前进(见图2)。6061铝合金和T2紫铜的主要化学成分如

5、表l、2所示。2017年第12期·航空制造技术53：乡论坛，-—／卅院勃‘试验结果与讨论1搅拌工具材料选择在微搅拌摩擦焊接过程中，主要依靠轴肩和搅拌针的产热使材料软化，然后利用轴肩和搅拌针的搅拌作用使得材料聚集从而形成焊缝，因此搅拌工具所选用的材料必须在高温下具有较好的红硬性和耐磨性。选取热作模具钢和高速工具钢两种材料分别制作成外形尺寸一致的搅拌工具，轴肩直径4ram，在轴肩上加工有四流道渐开形式的花纹，利用两种搅拌工具分别进行铝／铜搭接微搅拌摩擦焊接试验，焊接完成之后观察搅拌工具端部的磨损情况，如图3所示。在焊接完相同长度的焊缝之后，热作模具钢

6、搅拌头端部出现了明显的磨损，搅拌针长度几乎为图1微搅拌焊接设备Fig．1MicroFSWequipment一￡图2无倾角微搅拌摩擦焊接过程Fig．2SketchofmicroFSWwithzerotileangle零，而对于高速工具钢搅拌头，虽然端部附着了少量铝屑，但通过测量发现搅拌针的长度与焊接之前差别不大。相比铝合金搅拌摩擦焊接，在涉及到铜合金的搅拌摩擦焊接过程中，由于铜合金的塑性温度区间较铝合金要高，因此搅拌工具需要在更高的温度区间内具有足够的红硬性和耐磨性，高速丁具钢在600。C时仍然具有较高的硬度和耐磨性能，因此相比热作模具钢，其更加适

7、合铝／铜搭接接头微搅拌焊接。2焊缝成形分析针对无倾角微搅拌摩擦焊接过程中，主轴转速和焊接速度两个最重要的工艺参数进行工艺试验，并对焊缝的成形情况进行分析，如表3所示。(I，)l：’S逑I：具钢图3两种搅拌头比较Fig．3Comparisonoftwoweldingtools表2T2紫铜主要成分AsFPSPbBjZn()．0020．005()．0050．0050(】()l(】二54肮审制造技术·2017年第12聊Cu+Ag99．9当主轴转速设定为20000r／min时，焊接速度在150～300mm／min范围内变化，所获得的焊缝成形无明显差别，焊缝

8、表面光滑、无缺陷，几乎不存在飞边现象，这表明此时焊接的工艺参数窗口较为宽泛，典型的焊缝如图4(a)所示。当焊接速度设定为200mm／mi