高熔点材料的搅拌摩擦焊接技术

收稿日期 : 2007 - 03 - 08 基金项目 : 哈尔滨工业大学优秀团队支持 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 资助项目 高熔点材料的搅拌摩擦焊接技术 刘会杰 , 　周　利 (哈尔滨工业大学 现代焊接生产技术国家重点实验室 , 哈尔滨 　150001) 摘 　要 : 通过焊具设计、接头微观组织与性能、焊接温度场和残余应力、热源辅助的搅 拌摩擦焊 (FSW)几个方面 ,全面介绍了高熔点材料搅拌摩擦焊技术的研究现状。结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明 ,合适的搅拌头材料为钨铼 (W - Re)合金和多晶立方氮化硼 (PCBN) ;采用合适的焊 具设计和工艺参数 ,可以得到具有良好微观组织、高强度的 FSW 接头 ;在模拟搅拌摩擦 焊温度场和接头残余应力时 ,应依据焊接过程实际进一步完善物理模型 ;引入辅助热源 有利于高熔点材料焊缝成形并提高焊具使用寿命。 关键词 : 高熔点材料 ; 搅拌摩擦焊 ; 焊具设计 ; 微观组织 ; 残余应力 ; 辅助热源 中图分类号 : TG453. 9 　　文献标识码 : A 　　文章编号 : 0253 - 360X(2007) 10 - 101 - 04 刘会杰 0 　序　　言 作为一种新型固相连接技术的搅拌摩擦焊[1 ] , 自问世以来就受到人们的关注 ,并已成功应用于铝、 镁等低熔点材料的焊接 ,引发了航空、航天、铁路、汽 车、造船等装备制造领域生产技术的变革 ,取得了显 著的经济效益和社会效益。为进一步发挥搅拌摩擦 焊的优点 ,扩大其应用范围 ,近年来开始探索钢、钛 等高熔点材料的搅拌摩擦焊技术[2 ,3 ] ,并取得了一 定的研究成果。 文中将从搅拌摩擦焊具设计、接头微观组织和 性能、焊接温度场和残余应力、热源辅助的搅拌摩擦 焊几个方面 ,对高熔点材料的搅拌摩擦焊技术进行 介绍和分析 ,以使中国焊接工作者能够及时了解和 掌握国际新技术发展的步伐。 1 　搅拌摩擦焊具的设计 焊具设计是搅拌摩擦焊技术的关键 ,它决定焊 接过程能否顺利进行并直接影响接头质量。对于 铝、镁等低熔点材料而言 ,目前已设计出多种形式的 焊具并用于实际生产。钢、钛等高熔点材料由于具 有较高的强度和硬度 ,显著增加了搅拌摩擦焊的难 度 ,因而对焊具设计提出了更高的要求 ,目前对高熔 点材料搅拌摩擦焊用焊具的设计尚处于尝试阶段 , 还需开展更为深入细致的工作。 1. 1 　焊具材料 搅拌摩擦焊接过程中焊具 (主要是搅拌头)与被 焊材料之间发生热机作用 ,搅拌头在此过程中承受 机械力载和摩擦热载 ,为完成焊接过程要求搅拌头 材料具有远高于被焊材料的熔点、强度及硬度。对 于钢、钛等高熔点材料来讲 ,满足要求的搅拌头材料 往往是难熔金属合金[4 ]或结构陶瓷[5 - 7 ] 。 Ikeda 等人[8 ]采用镍基合金作为搅拌头材料 ,借 助于水冷等措施对钛合金进行了搅拌摩擦焊接。采 用镍基合金制作搅拌头 ,可显著降低焊具的制造成 本 ,但其可行性有待进一步研究。 1. 2 　焊具结构 铝、镁等低熔点材料搅拌摩擦焊用焊具通常采 用整体式结构 ,此时焊具即指搅拌头。高熔点材料 搅拌摩擦焊时 ,焊具一般采用分体式结构。图 1 为 Nelson 等人[9 ]设计的分体式搅拌摩擦焊具 ,搅拌头 材料为 PCBN ,与搅拌摩擦焊机匹配的刀柄材料为硬 质合金 (WC) ,搅拌头与刀柄用高温合金紧固以传递 扭矩。 Lienert 等人[10 ]的研究表明 1018 低碳钢搅拌摩 擦焊过程中接头最高温度在 1 000 ℃以上 ,高强钢 及钛合金焊接时温度会更高。因此在焊具设计时需 要考虑对温度进行检测 ,Nelson 等人[9 ]通过在焊具 上引入热电偶对焊接过程中搅拌头温度进行实时监 测。高熔点材料搅拌摩擦焊过程中工件在高温下会 与空气反应而使接头性能变差并影响焊接过程 ,此 外焊具在高温下持续工作可能发生破坏 ,因此还需 第 28卷 第 1 0期 2 0 0 7 年 1 0 月 焊　接　学　报 TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION Vol. 28 　No. 10 October 　2 0 0 7 © 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 图 1 　PCBN 焊具示意图 Fig11 　Schematic illustration of PCBN tool design 设计水冷和气体保护装置以保证焊接过程顺利进 行。 高熔点材料搅拌摩擦焊用焊具的研究主要集中 在材料选择及结构设计上 ,研究的成果多以专利形 式出现 ,可供参考的文献资料较少。此外 ,关于焊具 磨损及破坏的报道也很少 ,应对焊具的磨损及破坏 机制进行深入研究 ,为焊具的优化设计提供依据。 2 　接头的微观组织和性能 2. 1 　微观组织 王文英等人[11 ]采用钼合金搅拌头对 3 mm 厚 Q235A 低碳钢板进行了 FSW ,分析了接头的组成及 其微观组织。在整个接头中 ,明显存在热影响区 (HAZ) 和焊核区 (NZ) ,而热力影响区 ( TMAZ) 不明 显。进一步分析发现 ,热影响区主要由等轴铁素体 和球化珠光体组成 ,而焊核区在焊接过程中因塑性 变形发生动态再结晶 ,抑制了晶粒长大 ,冷却后形成 了细小的先共析铁素体、铁素体和珠光体组织。 Park 等人[12 ]研究了 6 mm 厚 304 不锈钢 FSW接 头的微观组织 ,所用搅拌头采用 PCBN 制成 ,为防止 搅拌头在扎入过程中发生损坏 ,焊前在工件上加工 出引导孔 ,并采用较小的转速扎入。焊接过程中采 用氩气保护 ,所用焊接速度为 1. 3 mm/ s ,焊具倾角 为 3. 5°。研究结果表明 ,焊核区和热力影响区出现 再结晶与回复组织 ,在搅拌区的前进侧形成了具有 大量层错的σ相 ,它的形成与焊核区中奥氏体转变 为δ铁素体有关。 Ramirez 等人[13 ]研究了 6 mm 厚 Ti26Al24V 板材 FSW过程中的组织演变 ,被焊材料分为热轧退火 (M2A)和β态退火 (β2A)两种状态 ,搅拌头采用纯钨 制成。试验结果表明 ,焊核区的组织与其位置有关 , 焊核区中心的组织与母材相似 ,而与热力影响区毗 邻的焊核区边缘的组织明显不同。热力影响区的组 织与母材原始状态有很大关系 ,M2A 母材的热机影 响区中有针状α相从β基体中析出。 Juhas等人[14 ]也研究了 Ti26Al24V 的 FSW 接头 组织。结果表明 ,焊核区的微观组织是由等轴α相 晶粒和层片状 (α+β)相晶粒组成 ,但焊核区上部晶 粒比中部晶粒细小 ,而中部晶粒小于母材晶粒。这 是因为 ,焊核区中部冷速较慢 ,有更多的时间发生粗 化 ,而在上部会发生局部淬火 ,但无论中部还是上部 都发生了动态再结晶。值得注意的是 ,在未发生任 何变形的热影响区中 ,由于温度没有超过β相转变 温度 ,因而β相晶粒并未发生粗化。 2. 2 　力学性能 Konkol 等人[15 ]对船舶用 HSLA265 低合金高强 钢进行了 FSW ,其中 6. 4 mm 厚板材采用单面焊工 艺 ,而 12. 7 mm 厚板材采用双面焊工艺 ,并对不同参 数下获得的接头进行了拉伸、弯曲、断裂韧性和硬度 等性能测试。结果表明 ,在合适的焊接工艺参数下 , 接头能够达到母材的强度 ,并具有良好的塑性和韧 性 ,可以满足船舶的使用要求。 Sato 等人[6 ]研究了 SAF2507 双相不锈钢 FSW接 头的组织和性能 ,搅拌头采用 PCBN 制成。研究结 果表明 ,采用合适的工艺参数可以得到优质的接头。 由于焊核区中铁素体和奥氏体晶粒在搅拌摩擦焊接 过程中发生了明显的细化 ,从而提高了焊缝的力学 性能 ,使焊接接头具有与母材相同的抗拉强度与屈 服强度。 John 等人[16 ]对 Ti26Al24V 搅拌摩擦焊接接头疲 劳性能的研究结果表明 ,虽然搅拌摩擦焊缝的残余 应力较低 ,但其对焊缝的疲劳性能仍然有很大的影 响 ,而热影响区的残余应力对平行于焊缝方向的裂 纹扩展起决定性作用。对于微观组织一定的接头来 讲 ,采用低的应力比率循环时 ,疲劳极限与试样的几 何形态有关 ,试样的疲劳极限低于或高于母材 ;而采 用高的应力比率循环时 ,试样的几何形态对疲劳极 限没有影响。 目前已对碳钢、低合金高强钢、不锈钢、钛及钛 合金等高熔点材料的 FSW 接头组织和性能进行了 研究 ,结果表明采用合适的焊具设计和合理的工艺 参数 ,可以得到具有良好微观组织、高强度的 FSW 接头 ,但这方面的研究还只是初步的 ,还需开展更为 系统和深入的工作。 3 　焊接温度场和残余应力 高熔点材料 FSW 过程中产热是焊具设计中最 102　　 焊 　接 　学 　报 第 28 卷 © 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 为关键的问题之一 ,同时产热也决定了接头的残余 应力分布并直接影响接头性能。因此 ,有必要对焊 接温度场和残余应力进行模拟分析及测试 ,以便为 焊具设计和工艺优化提供依据。 Reynolds 等人[17 ]对 3. 2 mm厚 304L 不锈钢板进 行了搅拌摩擦焊接 ,采用热电偶测量了焊接温度场 的分布 ,并且采用中子衍射方法分析了接头中的残 余应力。结果表明 ,焊接工艺参数对给定点处的峰 值温度及其持续时间有较大影响 ,接头中的纵向残 余应力可达到母材屈服强度。 Zhu 等人[18 ] 采用自行开发的有限元软件 WELDSIM对 3. 2 mm 厚的 304L 不锈钢板搅拌摩擦 焊过程的暂稳态温度场和接头残余应力进行了有限 元分析 ,通过测定给定点处的温度 ,采用逆向分析法 分析了产热过程 ,并采用热机耦合方式获得了接头 的残余应力分布。结果表明焊缝中心及其附近区域 存在较大的残余拉应力 ,距焊缝中心越远 ,残余拉应 力越小。 Li 等人[19 ]对L80 高强钢进行了搅拌摩擦焊接 , 分别采用热电偶测量和有限元模拟研究了接头的温 度分布 ,对比结果如图 2 所示。焊缝中心的峰值温 度最高 ,达到 950 ℃以上 ,而热影响区的峰值温度也 达到了 600 ℃,但这并未影响接头的拉伸性能。同 时 ,由图 2 还可以看出 ,尽管实际测量结果和模拟分 析结果反映的温度分布趋势是一致的 ,但二者在数 值上还存在一定的差别。 搅拌摩擦焊接过程中的产热是一个非常复杂的 图 2 　L80 高强钢 FSW接头温度分布 Fig12 　Temperature distribution of L80 FSW joint 问题 ,使得对焊接温度场和残余应力进行准确分析 存在较大难度。目前已提出一些模型和分析方法 , 对指导焊接工艺起到了一定作用 ,但还需从搅拌摩 擦焊接过程的本质出发 ,使其更接近实际。 4 　热源辅助的搅拌摩擦焊 对高熔点材料的搅拌摩擦焊而言 ,为使待焊部 位发生塑性软化并实现连接 ,需要较高的摩擦产热。 若能够通过外加热源补充焊接所需的热量 ,则可以 降低焊接所需的摩擦热 ,同时也能降低焊接过程中 的作用力 ,减少焊具磨损 ,提高焊接生产效率。因 此 ,研究人员相继开发了一些热源辅助的搅拌摩擦 焊方法 ,并获得了初步应用。 从外加热源的种类来看 ,主要包括电阻热[20 ] 、 高频感应热[21 ] 、电弧[22 ]和激光[23 ]等。当然 ,这些热 源辅助的搅拌摩擦焊方法也可以用于铝、镁等低熔 点材料的连接中。例如 ,Liu 等人[22 ]在硬铝的搅拌 摩擦焊接中采用了微束等离子弧作为辅助热源 ,不 但提高了焊接效率 ,而且提高了焊接质量。再如 , Gabriel 等人[23 ]在铝合金薄板的搅拌摩擦焊接中采 用了激光作为辅助热源 ,降低了焊接过程中焊具所 承受的机械载荷 ,提高了焊接速度。 正是基于辅助热源在铝合金搅拌摩擦焊中应用 所取得的较好结果 ,一些研究人员提出在高熔点材 料搅拌摩擦焊中引入辅助热源的构想。这样不但有 利于焊缝成形 ,而且能显著降低焊具的磨损 ,提高焊 具的使用寿命。可以预见 ,随着研究的不断深入 ,热 源辅助的搅拌摩擦焊接技术必将在高熔点材料的连 接中获得应用。 5 　结　　论 (1) 高熔点材料搅拌摩擦焊用焊具的研究主要 集中在材料选择及结构设计上 ,合适的焊具材料主 要有 W2Re 合金和 PCBN ,焊具结构以分体式为主。 对焊具的磨损及破坏机制应进行深入研究 ,以期优 化焊具结构及尺寸 ,提高焊具使用寿命。 (2) 针对碳钢、低合金钢、不锈钢、钛及钛合金 等高熔点材料进行 FSW 接头组织和性能的研究表 明 ,采用合适的焊具和合理的工艺参数 ,可以得到具 有良好微观组织的、高强度的 FSW 接头。但在这方 面的研究还只是初步的 ,尚需开展更为系统和深入 的研究工作。 (3) 为确定搅拌摩擦焊接温度场和接头的残余 应力 ,一些学者从不同的角度提出了有益的模型和 第 10 期 刘会杰 ,等 :高熔点材料的搅拌摩擦焊接技术 103　　 © 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 分析方法 ,对指导焊接工艺起到了重要作用 ,但尚需 从搅拌摩擦焊接过程的本质出发 ,进一步完善模型 , 使其更接近于实际。 (4) 在高熔点材料搅拌摩擦焊中引入辅助热 源 ,不但有利于焊缝成形 ,而且能降低焊具磨损 ,提 高焊具使用寿命。可以预见 ,随着研究的不断深入 , 热源辅助的搅拌摩擦焊接技术必将在高熔点材料的 连接中获得应用。 参考文献 : [1 ] 　Thomas W M , Nicholas E D , Needham J C. Friction stir welding : UK,PCT/ GB92/ 02203[ P] . 1991 - 10 - 06. [2 ] 　Thomas W M. Friction stir welding of ferrous materials :a feasibility study [ C] ∥1st International Symposium on Friction Stir Welding. California , USA , 1991 : 1 - 11. [3 ] 　栾国红 , 柴　鹏 , 孙成斌. 钛合金的搅拌摩擦焊探索[J ] . 焊 接学报 , 2005 , 26 (11) : 83 - 88. [4 ] 　Loftus Z , Takeshita J , Reynolds A , et al . An overview of friction stir welding TIMETAL 21S beta titanium[ C] ∥5th International Sym2 posium on Friction Stir Welding. Metz , France , 2004 : 1 - 9. [5 ] 　Sorensen C D , Nelson T W , Packer S M. Tool material testing for FSW of high temperature alloys[ C] ∥3rd International Symposium on Friction Stir Welding. Kobe , Japan , 2001 : 1 - 7. 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This result is help2 ful to improve the thermal fatigue reliability of plastic ball grid array components. Key words :　plastic ball grid array ; solded joint ; thermal fa2 tigue ; finite element method Effect of cladding material on LY12CZ aluminium alloy by Laser Cladding 　　SUN Fujuan , HU Fangyou , HUANG Xuren , TANG Yuanheng (Qingdao Branch , Naval Aeronautical Engineering Academy , Qingdao 266041 , China) . p93 - 96 Abstract :　Through controlling process parameters of impulse laser , current , pulse width , frequency , spot diameter and scanning velocity , laser cladding LY12 and Al2Ywas used to repair corrosion damage of aluminum alloys. After cladding , fatigue test , fracture and microstructure of the specimens were studied. The result indicat2 ed that the life of the specimen cladded by Al2Y was 402 % of that by LY12. There was no large pore and crack in the Al2Ylayer which joined with the substrate firmly. There was much impurity in the cladding layer of LY12. Key words : 　aluminum alloys ; laser cladding ; fatigue life ; fatigue fracture ; microstrcture Comparison of stress relief by PWHT and VSR in large2dimen2 sion straight welded pipe 　　ZHANG Chao , LU Qinghua , XU Ji2 jin , CHEN Ligong ( School of Materials Science and Engineering , Shanghai Jiaotong University , Shanghai 200030 , China) . p97 - 100 Abstract : 　Post2weld heat treatment ( PWHT) and vibratory stress relieving (VSR) were used to control the residual stress in large2dimension welded pipes. The results show that both PWHT and VSR are able to relieve the residual stress effectively in large2dimen2 sion straight welded pipe and make the distribution of residual stress more uniform. Their effect in weld zone is more obvious than these in base metal. The results of stress relieving of VSR of as2cast mi2 crostracture are qualified but not acceptable in cold plastic deforma2 tion zone. The effect of PWHT on the stress relieving and stress uni2 form ability is better than that of VSR. However , considered of e2 conomy factor and technique convenience , VSR is confirmed as stress relieving technique to control the residual stress in large2di2 mension straight welded pipe. Key words : 　vibratory stress relieving ; post2weld heat treat2 ment ; residual stress Progress in friction stir welding of high melting point materials 　　LIU Huijie , ZHOU Li ( State Key Laboratory of Advanced Welding Production Technology , Harbin Institute of Technology , Harbin 150001 , China) . p101 - 104 Abstract :　The research status of friction stir welding(FSW) of high melting point materials was introduced from the aspects of FSW tool design , microstructural characteristics and mechanical properties of the joints , welding temperature distribution and residual stress and FSW assisted by hybrid heating sources. It indicates that the W2Re alloy and polycrystalline cubic boron nitride are suitable FSW tool materials. The FSW joints with high strength and fine mi2 crostructure can be produced when the proper tool geometry and welding parameters were used. For simulation of temperature distri2 bution and residual stress in the FSW joints , physical models should be improved according to the real FSW process. The utilization of hybrid heating source is benefit to weld formation and tool life. Key words :　high melting point materials ; friction stir weld2 ing ; tool design ; microstructural characteristics ; residual stress ; hy2 brid heating source Review of X100 pipeline steel and its field weldability 　　YAN Chunyan1 , LI Wushen1 , FENGLingzhi1 , XUE Zhenkui2 , BAI Shi2 wu 2 , LIU Fangming2 (1. School of Materials Science and Engineer2 ing , Tianjin University , Tianjin 300072 , China ; 2. Petroleum2Gas Pipeline Research Institute of China , Langfang 065000 , Hebei , Chi2 na) . p105 - 108 Abstract :　In view of the ever2increasing pipeline length and operating pressure , development of high2strength linepipes has be2 come increasingly attractive and needed. The current knowledge of X100 pipeline steel about research and development status , metallur2 gical principles , mechanical properties , field weldability , and so on were presented. Production of grade X100 steel requires combination of super2clean refining , thermo2mechanical controlled process , prop2 er metallurgical design and some other advanced techniques. Excel2 lent mechanical properties and satisfying weldability are possessed for grade X100 steel. Yield strength of X100 grade steel generally ex2 ceeds 690 MPa. High strength2toughness welded joint can be ob2 tained through proper welding procedures. Further work is required to improve the production of X100 pipeline steel and to establish ap2 propriate material standards. Key words : 　X100 pipeline steel ; microstructure ; ductile fracture arrest ; girth welding ; weldability General rules of writing scientific and technical papers 　　 WANG Ya (Harbin Welding Institute , China Academy of Machinery Science and Technology , Harbin 150080 ,China) . p109 - 112 Abstract :　In order to help scientific and technical workers to know the basic requirements of writing academic papers , master its general methods and improve their rules , common problems in the submitted original manuscripts were analyzed and the methods to re2 solve these problems were given , based on the features of academic papers and combined with the experiences of the author on editing a2 cademic papers for many years. The basic structures of academic pa2 pers , requirements on writing and some problems needing in atten2 tion were also stated. According to some national and professional standards , standardized uses of professional terms and phases , sym2 bols of physical quantity and measurement units , the requirements on figures and tables and regulations of references literature in papers were briefly explained. Key words : 　scientific and technical papers ; writing ; stan2 dardization Ⅵ　　　　　　　　　　　　　　MAIN TOPICS ,ABSTRACTS & KEY WORDS　　　 　　　2007 ,Vol . 28 ,No. 10　　　　　 © 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net