铝铝基sic复合材料搭接微搅拌摩擦焊工艺特性

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1、第45卷第3期稀有金属材料与工程Vol.45,No.32016年3月RAREMETALMATERIALSANDENGINEERINGMarch2016铝/铝基SiC复合材料搭接微搅拌摩擦焊工艺特性张婧，封小松，黄珲，赵慧慧，张成聪,熊艳艳，董丰波，郭立杰(上海航天设备制造总厂，上海200245)摘要：对薄壁铝合金/铝基SiC复合材料搭接接头微搅拌摩擦焊接(μ-FSW)工艺特性、接头形貌特征及力学性能进行研究，并揭示搭接界面形成机制及接头失效机制。结果表明：在较宽的工艺参数窗口内均可得到成形良好的焊缝。由于μ-FSW所特有的金属流动特点，以及SiC颗粒难以流动的特性，搭接界面呈现出一种特殊

2、的“弯钩状”形貌。接头的断裂为界面迁移处“减薄”区域的拉伸断裂。接头力学性能与载荷方向直接相关，这是由不同的金属塑性流动行为所致。关键词：铝基SiC复合材料；微搅拌摩擦焊接；搭接；界面迁移中图法分类号：TG453文献标识码：A文章编号：1002-185X(2016)03-0720-07搅拌摩擦焊（FSW）作为一种新型的固相连接方采用0.5mm的6061铝合金薄板及SiC增强相体法，具有接头质量高、焊接变形小等优势，其应用逐积分数为15%的铝基复合材料（SiCp/Al6061）进行微[1]渐从最初的镁、铝等低熔点合金扩展到高熔点金属，搅拌摩擦焊接试验，2种材料的力学性能如表1所示。[2,3

3、]如钛、钢、铝基复合材料等。异种金属接头，特别试板尺寸分别为100mm×50mm×0.5mm及100是性能（熔点、热导率、线膨胀系数等）差异较大的mm×50mm×2mm。焊前板材用砂纸打磨除去氧化[4-10]异种金属的搅拌摩擦焊也成为研究热点之一。铝膜，并用丙酮清洗、烘干。基SiC复合材料因其具有高比强度、高比模量、耐高采用自主研发的微搅拌摩擦焊设备，主机头采用温、耐腐蚀、耐磨损、导电导热性能好、热膨胀系数高速电主轴，转速比传统搅拌摩擦焊高出1个数量级[11,12]小等优点，在许多领域有广泛地应用前景。但是（最高转速30000r/min）。为保证设备高速运转下的稳关于铝基SiC复合材料的

4、搅拌摩擦焊，特别是其与其定性，采用无倾角焊接。考虑到SiC增强相对搅拌头的它材料异种接头的搅拌摩擦焊，却鲜有报道。磨损，采用耐磨性能优异的高速工具钢W6Mo5Cr4V2搅拌摩擦焊技术通常针对壁厚2mm以上的材料进行搅拌工具的制造。经过前期工作中针对轴肩形状进行焊接。而微搅拌摩擦焊技术（μ-FSW）采用超高的初步优化，兼顾搅拌针耐磨性及轴肩内聚效果，选转速（常规搅拌摩擦焊主轴转速的10倍以上）和超小取圆台光针以及四流道渐开形式的轴肩花纹，如图1轴肩搅拌工具，主要针对连接厚度为1mm以下的材所示。其中，搅拌针长度为0.8mm，直径为1m，轴料，其焊接过程中材料产热、流动机制与常规搅拌摩肩直径

5、为4mm。[13]擦焊相比有其独特之处。但国内针对1mm以下构件焊接完成后，截取焊缝横截面制作金相试样，经的μ-FSW技术的相关研究却鲜有报道。英国焊接研究过镶嵌、打磨、抛光、腐蚀，在光学显微镜下观察焊[14]所已采用μ-FSW实现了厚度为0.3mm构件的焊接，缝宏观形貌。采用100kN电子万能材料试验机对接头但关于该技术的大规模实际工程应用仍未见报道。拉剪性能进行测试。采用ANSYS有限元分析软件对针对薄壁壳体的焊接封装问题，对0.5mm厚的接头受拉伸载荷时的应力分布进行分析，以考察接头6061铝合金薄板与铝基SiC复合材料异种材料搭接接头的μ-FSW工艺特性，包括焊接工艺、接头宏观形

6、表1铝合金及铝基SiC复合材料力学性能Table1Mechanicalpropertiesof6061AlalloyandSiC貌特征及接头力学性能进行研究。并在此基础上，揭reinforcedAlcomposite示搭接界面迁移特征形成机制及接头失效机制。MaterialE/GPaσb/MPaδ/%6061-Al6721831实验SiCp/Al60619241023收稿日期：2015-03-18作者简介：张婧，女，1982年生，博士，上海航天设备制造总厂，上海200245，电话：021-24187199，E-mail:desternymuyu@163.com第3期张婧等：铝/铝基SiC

7、复合材料搭接微搅拌摩擦焊工艺特性·721·0.430.420.410.400.39PenetrationDepth/mm0.381000015000200002500030000图1微搅拌摩擦焊工具-1RotationSpeed/r·minFig.1μ-FSWtool图3不同转速下对应良好焊缝表面成形所需的压入深度在拉伸过程中的局部力学及变形行为。Fig.3Penetrationdepthrequiredforvariousrota