动态控制搅拌摩擦焊低应力无变形焊接技术.pdfVIP

动态控制低应力无变形搅拌摩擦焊技术 李光 李从卿 董春林 栾国红 （北京航空制造工程研究所，北京 100024 ） 摘要：基于动态低应力无变形技术的原理，设计开发了用于 FSW 的阵列式射流冲击热沉系统，结果表明，采用 该热沉系统的动态低应力无变形焊接技术可以有效减小搅拌摩擦焊接头残余应力，焊后试件基本无变形。动态 低应力无变形搅拌摩擦焊接头残余应力分布规律与常规搅拌摩擦焊类似，但应力峰值明显降低，约为常规 FSW 接头应力峰值的 45% ，可以实现FSW 薄壁结构的低应力无变形焊接。该项技术可以提高一些铝合金材料 FSW接 头性能，与搅拌摩擦焊工艺适用性好，具有较好的技术经济价值。 关键词：搅拌摩擦焊 动态低应力无变形技术 阵列式射流冲击热沉 0 序言 英国焊接研究所（TWI ）于 1991 年发明的搅拌 了动态低应力无变形搅拌摩擦焊接头残余应力分布 摩擦焊（Friction Stir Welding ， 简称 FSW ）是一 与宏观变形。 种创新的、极具前景的固相连接技术，适于连接同 1 动态控制低应力无变形焊接法原理 质或异质的宇航结构材料，尤其适于连接常规熔焊 焊接过程中由于焊接热源的局部加热，焊件内 工艺难于连接的高强铝合金，即使熔焊方法易于焊 的温度分布是不均匀的，并随着焊接过程的进行发 接的材料使用搅拌摩擦焊也可以显著提高接头性能 生变化，因此，在焊缝及母材区域产生复杂的应力 [1-3] 。 和变形。焊缝及其附近产生过较大不协调应变的区 FSW 过程中，搅拌头与工件之间的摩擦热使金 域内产生了残余拉应力，而在远离焊缝区则产生了 属处于热塑性状态，必然产生焊接残余应力，同时 与之相平衡的残余压应力。对于薄壁结构，如果该 由于搅拌头的机械挤压作用，使焊接应力变形表现 残余压应力超过构件失稳的临界应力，就会产生失 出更为复杂的规律。随着搅拌摩擦焊技术的工程推 稳压曲变形。 广应用，薄壁铝合金结构搅拌摩擦焊的应力与变形 动态低应力无变形焊接法采用能够对焊缝局部 越来越引起人们的重视。在搅拌摩擦焊残余应力变 产生急冷作用的热沉，与焊接热源构成一个多源（热 形控制方面，德国 P.Staron[4]等采用机械预拉伸法降 源-热沉）系统，形成一个畸变的温度场。热沉的急 低 6.3mm 厚和3.2mm 厚AA2024 铝合金接头拉伸残 冷作用一方面使高温区范围变窄，控制了塑性应变 余应力，用以改善搅拌摩擦焊接头抗腐蚀能力，预 区的扩展；另一方面，热沉部位的焊缝受冷急剧收 拉伸应力为母材屈服强度的 70% ；日本 Hiroyasu 缩，产生很强的拉伸作用，使得处于“力学熔化”状 Nishikawa[5]通过采用与搅拌头同时移动的两个 TIG 态的高温金属产生较大的拉伸塑性应变，极大程度 热源加热焊缝两侧来控制型材搅拌摩擦焊接中的张 的补偿已经产生的缩短的塑性应变，使得最终的不 开变形。 协调应变减小。从而在焊接完成后，残余拉应力区 关 桥 等 发 明 的 动 态 控 制 低 应 力 无 变 形 和残余拉应力峰值都得到控制，相应远离焊缝两侧 （DC-LSND ，Dynamical Control-Low Stress No 的残余压应力也降到很低的水平，控制了薄壁构件 [1.6] 的翘曲失稳变形，达到低应力无变形的焊接效果。 Distortion ）焊接技术 ，基于局域热拉伸效应，在 焊接区产生局部可控的准定常状态温度场和相应的 2 试验方法与试验结果 准定常状态热弹塑性应力-应变场，达到薄壁结构动