修改后的开题报告

学 学校代码： 10128

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学 号： 20101211 开题报告 铝合金FSW接头组织与性能研究 杨春艳 材料科学与工程 材料加工 陈芙蓉 教授 博士 2011年10月12日 7050 20101211

1课题论证

1.1课题研究的目的与意义

7000系列的铝合金，由于其高的比强度、比模量、断裂韧度、疲劳强度和耐腐蚀性，在航空、航天、高速列车、高速舰船等工业领域得到了越来越广泛的应用。但同时作为时效强化型铝合金，由于合金中强化相的类型、分布及其在焊接过程中的溶解和析出行为，使得该类合金采用传统的熔化焊(目前主要为MIG焊)后焊缝中容易出现焊接变形和气孔，残余应力较大，且对应力腐蚀敏感，不能充分发挥材料的性能。因此，探索新的焊接方法在7000系铝合金构件材料中的应用，是非常必要和非常迫切的。

搅拌摩擦焊(friction stir welding，简称FSW)是由英国焊接研究所(The Welding Institute，简称TWI)于1991年提出的一种固态连接方法[2]，于1993年和1995年在世界许多国家申请了知识产权保护。此技术原理简单，控制参数少，易于自动化，可将焊接过程中的人为因素降到最低。搅拌摩擦焊技术与传统的熔焊相比，具有连接温度低、焊后残余应力小、接头性能高等一系列优点，在航空航天、造船、汽车等领域，尤其是高强铝合金的连接方面具有广阔的应用前景。可以说，搅拌摩擦焊的诞生从根本上解决了高强铝合金的难焊问题。

7050铝合金作为一种Al-Zn-Mg-Cu系高强铝合金，由于具有比强度高、韧性好以及抗应力腐蚀性能优良等优点，逐渐成为搅拌摩擦焊的重点研究对象。

随着对搅拌摩擦焊的进一步研究，其工艺参数对焊接质量影响的探究也越来越深入。当前，国外针对搅拌摩擦焊的研究主要集中在焊接机理、接头微观组织结构、力学性能及搅拌头磨损等方面的研究。铝合金搅拌摩擦焊接实验表明焊核区发生动态再结晶，由非常细小（5-10μm）的等轴晶组成，热机械影响区晶粒有明显被拉长迹象，且焊后热处理对焊缝机械性能影响不大，而热影响区晶粒相似于母材；焊接接头的力学性能与焊接工艺参数有关。国内对搅拌摩擦焊焊缝组织、性能方面的研究日益增多，并得到了一定的成就。尽管对搅拌摩擦焊技术做了大量的研究，然而对其基本原理及焊接机理仍未得到统一定论，焊接过程中金属材料的流动性、搅拌头的磨损、显微组织的稳定性、异种材料的焊接、焊接最佳工艺参数和焊接缺陷成因等方面还有待于进一步研究及完善。

本文对7050-T7451铝合金搅拌摩擦焊的组织和性能进行研究，着重对影响焊接接头组织和性能的因素和机制进行分析和探讨，以期为搅拌摩擦焊在我国飞机铝合金结构制造方面的应用提供理论和试验依据[3]。

1.2研究内容所属领域、研究范围

1.2.1铝合金材料的性质及特点

铝及铝合金由于具有优良的性质及特点，在各行业中得到广泛应用。现在，全世界铝的消耗量仅次于钢铁，是消耗量第二大的金属材料。

（1）物理属性

铝的外观呈银白色，密度小，小于除金属镁以外的其他金属的密度；纯铝的熔点为660℃，铝合金的熔点在482℃～660℃之间变化；铝及铝合金从常温加热到熔化状态时，没有颜色变化；铝电阻率小，导电性是钢铁的5倍，且不会受磁力的影响。

（2）化学属性

铝及铝合金的化学性质活泼，极易氧化；在液态下对氢原子有很大的可溶性，在凝固状态氢原子的可溶性比较低；铝与氧结合瞬间形成附着力强、难熔的（熔点2050℃）氧化膜（Al2O3），它可以阻止铝的继续氧化，保护金属不被破坏。因此铝具有很高的抗大气和抗海水腐蚀能力。但在碱、盐、稀硫酸、稀硝酸中，铝的抗蚀能力较差。

（3）力学性能

纯铝的抗拉强度相对较低，铝合金可明显提高其力学性能；铝及铝合金的加工成形性能好，易于进行切割、冲压、轧制、冷弯、成形和切削等各种形式的加工，适合做设备等的外壳；可挤压出大型宽幅薄壁型材，减少焊缝数和使设备结构合理化和轻量化。

1.2.2铝合金的焊接性

金属焊接性是指金属是否能适应焊接加工而形成完整的、具备一定使用性能的焊接接头的特性。也就是说，焊接性不仅包括结合性能，而且包括结合后的使用性能。铝及铝合金焊接接头包括焊缝区、熔合区及热影响区。焊缝区是母材与填充焊丝熔化后凝固结晶而成的铸造组织，该区域可能产生气孔或结晶裂纹缺陷；热影响区内可能产生再结晶或过时效；熔合区内可能发生过热、晶界熔化，还可能产生液化裂纹。铝及铝合金在熔化焊接过程中出现的这些焊接问题，取决于铝及铝合金本身所具有的独特焊接性。

（1）强的氧化能力

铝和氧的亲和力很大，极易与氧结合生成致密的氧化膜Al2O3；氧化膜会在熔化焊接过程中形成夹杂，影响焊缝处的良好连接，并且容易吸收空气中的水分，在焊缝中形成气孔缺陷，从而降低了焊接接头的机械性能。

（2）高的热导率和导电性

尽管铝及铝合金的熔点远比钢低，但是铝及铝合金的导热系数、比热容都很大，因此焊接铝及铝合金所消耗的热量比焊接钢的多。

（3）容易形成热裂纹

铝的线膨胀系数约比钢的大两倍，因此在焊接铝合金时，如果不保持适当的焊接间隙或不进行拘束，则将产生变形，而且结晶时，在焊缝金属和热影响区等部位会产生热裂纹。

（4）容易形成气孔

焊接接头中的气孔是铝及铝合金焊接时极易产生的缺陷，尤其是纯铝和防锈铝的焊接。氢在焊缝中未来得及析出而聚集使气孔产生。气孔使焊接接头的强度和抗腐蚀性能降低，因此必须特别注意防止产生气孔。

（5）焊接接头容易软化

焊接可热处理强化的铝合金时，由于焊接热的影响，焊接接头中的热影响区会出现软化，即强度降低。针对此问题要制定符合特定材料的焊接工艺。

（6）合金元素易损失

由于铝合金中含有的镁、锌等低沸点的合金元素，这些元素在熔化焊过程中极易蒸发及烧损，从而造成焊缝中合金元素损失，影响焊接接头的组织与性能。

（7）高温的强度和塑性低

在焊接过程中，受高温作用铝及铝合金的强度和塑性降低，在无垫板的情况下液态金属得不到良好的支撑，使焊缝成形不良，甚至造成塌陷或烧穿缺陷。

（8）无色泽变化

铝及铝合金在熔化过程中，没有明显的色泽变化，这样会给操作者带来一定困难。

1.2.3不同焊接方法焊接铝合金的特点

现在除了传统的熔焊、压力焊、钎焊之外，脉冲氩弧焊、等离子弧焊、真空电子束焊、扩散焊及搅拌摩擦焊等都可以应用于铝及铝合金的焊接。

（1）铝及铝合金的气焊

气焊是最早用来焊接铝及铝合金的方法之一。气焊设备简单，操作灵活，价格低廉，且焊接时无需电源。特别对于一些铝薄板的焊接，气焊是经济和实用的。气焊的缺点有：焊接热效率低，热量输入分散，工件受热面大，热影响区较宽，焊接过程中焊件变形较大，综合力学性能较差。焊接时需采用焊剂，焊后，残存的焊剂会形成潜

在的腐蚀源和在多焊道中易形成焊接缺陷，所以必须仔细清除焊剂残渣。目前，气焊主要应用在少数或临时需要焊接的地方，比如一些焊接质量要求不高的铝薄件等。

（2）铝及铝合金的TIG焊

TIG焊是焊接铝及铝合金较完善的焊接方法，主要适用于铝及铝合金薄板的焊接；它的能量较为集中，热影响区小。TIG焊接头的质量比气焊高得多。铝及铝合金TIG焊的各种焊接缺陷，既有与其他电弧焊相同的，也有一些是其特有的；常见的缺陷有：气孔、未焊透、裂纹、咬边、焊缝夹钨、烧穿及熔池表面有严重氧化膜。由于铝及铝合金TIG焊焊接质量好，操作技术容易掌握，所以在目前铝及铝合金焊接当中被广泛应用。

（3）铝及铝合金的MIG焊

20世纪50年代初开始使用MIG焊来焊接铝及铝合金，MIG焊一直是铝及铝合金焊接的一种重要方法。铝及铝合金的MIG焊一般采用直流反接，焊接铝及铝合金时有良好的阴极雾化作用。用MIG焊接铝及铝合金时，焊缝金属熔敷率很高，通常大于95%，焊丝沿焊缝移动时，基本没有飞溅和氧化现象；而且焊出的焊缝质量优良，焊件变形小；焊前一般不用预热，厚板需预热。MIG焊一般可进行半自动焊和全自动焊，所以对焊工要求的技术操作水平不高。这种工艺方法的缺点有：MIG焊的设备成本相对较高，且焊缝也存在一些焊接缺陷，如：焊缝成形差、裂纹、气孔、烧穿、未焊透及夹杂等。

（4）铝及铝合金的等离子弧焊

等离子弧焊是在20世纪60年代出现的焊接方法，随着科学技术的发展，等离子弧焊已被广泛用于铝及铝合金的焊接。等离子弧焊和普通的TIG焊焊接铝及铝合金相比，具有许多工艺优点，它可使焊接生产效率提高，氩气流量降低，并能提高焊接接头的质量。目前，等离子弧焊工艺在铝合金结构上获得较为广泛的应用，一些典型的应用包括造船，航空航天和铝质耐压舱等行业。

（5）铝及铝合金的电阻焊

对于铝及铝合金来说，由于其物理化学性质特殊，凸焊及对焊的适用性受到限制；但闪光对焊较为适用，因为闪光对焊过程中可动态排除产生的氧化物。

（6）铝及铝合金的钎焊

用钎焊焊接铝及铝合金时，加热过程中易氧化，并且使母材易发生过时效软化及晶界液化，性能降低。铝及铝合金钎焊时可能出现的缺陷有：填缝不良、部分间隙未被填满、钎缝气孔、夹渣、钎缝开裂、母材熔蚀等。

（7）铝及铝合金的激光焊

在20世纪80年代初，铝及铝合金的激光焊接被认为是不可能实现的禁区；但经过多年的努力，铝及铝合金的激光深熔焊已突破了这个禁区，并迅速推广应用于海陆空交通工具的制造。

（8）铝及铝合金的搅拌摩擦焊

1991年英国焊接研究所发明了搅拌摩擦焊（Friction stir welding），它是一种新型的适合低熔点铝合金焊接的固相焊连接方法，并申请了专利。搅拌摩擦焊技术可以更好的保持铝及铝合金的力学性能，焊接变形小，残余应力低，并且能够减少或消除熔焊时产生的焊接缺陷。但是，FSW的应用超前于理论研究，许多焊接性问题正有待于进一步研究。

（9）其他焊接方法

除了以上方法外，还有其他一些焊接方法来连接铝及铝合金。超声波焊适用于焊接有高热导率及电导率的铝及铝合金制成的小型器件；扩散焊需要预先彻底清除铝材表面的氧化膜；目前，铝及铝合金的扩散焊技术仍在研究发展中。

1.2.4 7050铝合金的概述

在20世纪60年代，美国以7075为基础，增加了Zn、Cu含量和Cu/Mg比值来提高强度，用添加Zr代替Cr来克服了淬火敏感性问题和调整晶粒尺寸，开发出了强度、断裂韧性和抗应力腐蚀性能较高的7050合金，并于1971年在美国铝业协会登记注册。

我国从60年代开始至今，也相继对超高强铝合金进行了深入研究，并开发和生产了适合我国国情的AI-Zn-Mg-Cu系合金，如与7075相近的7A04(原LC9)。但是，我国超高强铝合金研究有许多属于仿制性质，自行开发合金较少，只有加工工艺和部分热处理状态由于受专利保护，才具有真正自己的知识产权。我国曾经仿制研究的AI-Zn-Mg-Cu系合金有：7075、7022、7001、7175、7475、7050、7150、7055、B95、B96 、B96u-1、B96u-3等。我国超高强铝合金研究水平基本跟上了世界研究的步伐，许多研究成果达到了国外先进水平，并具备了批量生产能力。

7050是一种7XXX系列(Al-Zn-Mg-Cu系)高强度可热处理铝合金，具有高的比强度、高韧性以及优异的抗剥落腐蚀、抗应力腐蚀性能，合金中通常主要含有Al3Zr相，η系列时效相和各种夹杂相。常用于飞机结构件、中厚板挤压件、自由锻打件与模锻件。7050铝合金的主要化学成分及力学性能如表1、表2所示。其中7050-T7451为固溶处理后稳定化，为了消除固溶处理后的残余应力而进行拉伸

处理的高强度变形铝合金。

表1 7050-T7451铝合金的化学成分

Tab1 Chemical composition of aluminum

Alloy 7050-T7451 %(质量分数)

Si Fe Cu Mn Mg Zn Al

0.12 0.15 2.0~2.6 0.10 1.9~2.6 6.0 余量

表2 7050-T7451铝合金的力学性能

Tab2 Mechanical properties of aluminum alloy 7050-T7451

σb/MPa σ0.2/MPa δ/% HV 510 455 10 135

近年来，随着国内外飞机制造业突飞猛进的发展，减轻飞机自重，提高飞行速度，寻求代替钢铁部件的铝合金材料，已成为铝加工业和飞机制造业面临的重要课题。然而,由于该铝合金导热性好、流动性差，采用传统弧焊时焊缝易产生气孔、裂纹、咬边等缺陷，严重影响了7050铝合金构件性能及其在工业中的应用。

用高强铝合金制造的各种零部件主要是通过焊接成形的，因此焊接性能是其重要的工艺性能指标。高强铝合金采用MIG、TIG等熔焊方法时，在焊缝处形成铸态组织并易出现气孔和较大焊接变形，残余应力较大，抗冲击与抗应力腐蚀性能也较差，而且存在焊接裂纹倾向大和焊接接头软化区问题。此外，采用MIG、TIG焊接铝合金时，由于表面致密的氧化膜熔点很高，需要在焊前严格清除表面氧化膜后才可以进行焊接。

20世纪90年代初，英国焊接研究所发明了一种新型的固相焊接方法-搅拌摩擦焊(FSW)并得到了广泛的关注和应用。与传统熔焊相比，FSW的接头具有晶粒细小以及疲劳性能、拉伸性能和弯曲性能良好的优点，可以较好的解决铝合金熔化焊接的难点，避免其熔焊时的各种缺陷，焊缝成形较好，特别适用于铝合金的焊接。

搅拌摩擦焊以其高效、节能、焊缝缺陷率低以及焊接变形小等优点，已经广泛应用于多种铝合金的焊接,但在7xxx系列铝合金中的应用还相对有限。利用搅拌摩擦[1]焊接方法对7050-T7451铝合金进行了焊接,重点研究了焊接参数对接头微观组织和力学性能的影响，为7050-T7451铝合金搅拌摩擦焊接技术的实际应用奠定基础。

1.2.5 搅拌摩擦焊的介绍

1）搅拌摩擦焊的原理

搅拌摩擦焊方法与常规摩擦焊一样。搅拌摩擦焊也是利用摩擦热作为焊接热源。不同之处在于：搅拌摩擦焊焊接过程是由一个圆柱体形状的焊头伸入工件的接缝处，通过焊头的高速旋转，使其与焊接工件材料摩擦，从而使连接部位的材料温度升高软化。同时对材料进行搅拌摩擦来完成焊接的。在焊接过程中工件要刚性固定在背垫上，焊头边高速旋转。边沿工件的接缝与工件相对移动。焊头的突出段伸进材料内部进行摩擦和搅拌，焊头的肩部与工件表面摩擦生热，并用于防止塑性状态材料的溢出，同时可以起到清除表面氧化膜的作用。

图1 搅拌摩擦焊工作原理图

在焊接过程中，焊头在旋转的同时伸入工件的接缝中，旋转焊头与工件之间的摩擦热，使焊头前面的材料发生强烈塑性变形，然后随着焊头的移动，高度塑性变形的材料流向焊头的背后，从而形成搅拌摩擦焊焊缝。搅拌摩擦焊对设备的要求并不高，最基本的要求是焊头的旋转运动和工件的相对运动，即使一台铣床也可简单地达到小型平板对接焊的要求。但焊接设备及夹具的刚性是极端重要的。焊头一般采用工具钢制成，焊头的长度一般比要求焊接的深度稍短。应该指出，搅拌摩擦焊缝结束时在终端留下个匙孔，通常这个匙孔可以切除掉，也可以用其它焊接方法封焊住。

2）搅拌摩擦焊的特点

作为一种固相连接手段，搅拌摩擦焊除了可以焊接用普通熔焊方法难以焊接的材料外(例如可以实现用熔焊难以保证质量的裂纹敏感性强的7000、2000系列铝合金的高质量连接)，FSW[14]还具有以下优点:

(1)能保持母材的冶金性能，焊接接头的力学性能好。铝合金具有密度低、比强度高、比刚度高等优点，但是铝合金熔点较低、导热系数大、比热容大线膨胀系数大，

在采用熔化焊进行焊接时，易产生裂纹、气孔、变形等焊接缺陷。同时，由于焊接温

度较高，其性能会降低，因而限制了铝合金的广泛应用。由于FSW是一种固相焊接方法，在焊接铝合金时不会产生与熔化焊有关的焊接缺陷，也不会降低焊接接头的性能，而且，焊缝金属的晶粒组织比母材金属的更细小，强度超过热影响区的强度，没有焊缝金属蒸发产生的合金元素损失，不改变合金的成分，因此接头的力学性能好。

(2)焊后工件变形小，残余应力小。由于FSW的焊接温度较低，焊接后工件的变形量和残余应力比熔化焊的小的多。同时，由于不存在熔焊过程中接头部位大范围的热塑性变形过程，焊后接头的内应力小、变形小，基本上可实现板件的低应力无变形焊接。

(3)焊接成本低，效率高。FSW所需设备简单，操作方便，能量利用率高(可以用总功率3kw的设备焊接12.5mm深单焊道焊缝的铝合金)，由于FSW仅仅是靠焊头旋转并移动，逐步实现整条焊缝的焊接，所以比熔化焊甚至常规焊更节省能源。并且在焊前和焊接过程中对环境的污染小，焊前工件无需进行严格的表面清洁准备，焊接过程中的摩擦和搅拌可以去除焊接表面的氧化膜，焊接过程中也无烟尘和飞溅。还可以在磁场下进行焊接，并适合自动化焊接。

(4)适用范围广。由于FSW消除了熔化焊所形成的裂纹，如液化裂纹和结晶裂纹，因此，可以焊接热裂纹敏感的材料。通过对挤压型材进行焊接，可制成大型结构件，如船板、框架、平台等。FSW能实现不同材料的焊接，如铝和银的焊接。还可实现从仰焊到俯焊的各种位置的焊接，并可实现多种形式的焊接接头，如搭结、对接、角接接头，甚至厚度变化的结构件和多层材料的焊接。

(5)搅拌头属于非消耗性材料，一个搅拌头已经证明可以焊接6000系列铝合金I000m，而不需要更换新的搅拌头。无需填丝、保护气体，节省能源。

(6)搅拌摩擦焊设备可以经过现有的机床改造而成，设备简单，易于实现自动焊接和机器人焊接。

随着研究的深入和发展，搅拌摩擦焊的缺点正在被逐渐改进。现在搅拌摩擦焊的不足之处主要有:

(1)相对于熔焊，搅拌摩擦焊的焊接速度不是很高。

(2)被焊工件必须在垫板上被夹紧固定，以防止被焊穿。

(3)焊针退出会在焊缝末端留下一个小孔，在大多数情况下，只能用其他焊接方法填充小孔。

(4)受工件需要加紧和焊缝方向的限制，在需要使用手提焊机的情况下，不适合采用FSW。为了克服上述的缺点，近期发明了很多新搅拌焊接方法，如激光辅助FSW、

无匙孔焊接、复合FSW等。

3）搅拌摩擦焊技术的应用

搅拌摩擦焊是固相连接技术，可焊金属范围广，接头力学性能优良,不需要填充材料，没有焊接烟尘和飞溅,焊前准备少和焊接变形小。特别是搅拌摩擦焊可焊接各种铝镁合金材料，如Al-Cu、Al-Mg、Al-Mg-Si、Al-Zn、Al-Li高强铝合金，同时也能得到优质的连接。因此搅拌摩擦焊具有广泛的应用前景，已经在航空、航天、船舶、建筑、交通等行业获得了广泛的应用。

(1)船舶制造和海洋工业中的应用。

船舶制造和海洋工业是搅拌摩擦焊首先得到商业应用的工业领域，主要应用于甲板、侧板、船头、防水壁板和地板、铝合金型材、船体外壳和主体结构件、直升机降落平台、离岸水上观测站、海洋运输结构件、帆船的桅杆及结构件、船用冷冻器中空平板等船舶零部件。

(2)宇航制造中的应用。

应用范围主要为：机翼、机身、尾翼、飞机油箱、外挂燃料箱运载火箭、航天飞机的低温燃料筒、军用和科学研究火箭和导弹等。

(3)铁路工业的应用。

应用为：高速列车、轨道货车、地铁车厢和有轨电车、轨道油轮和货仓、集装箱体等。

(4)陆路交通中的应用。

搅拌摩擦焊在陆路交通工业中的应用主要为:发动机引擎、汽车底盘车身支架、汽车轮毂、液压成型管附件、汽车车门预成型件、轿车车体空间构架、卡车车体、载货车的尾部升降平台、汽车起重器、装甲车的防护甲板、汽车燃料箱等。

(5)建筑工业中的应用。

应用范围:铝合金桥梁、铝合金、铜合金、镁合金装饰板、门窗框架、铝合金管线、电厂和化学工厂的铝合金反应器、热交换器、中央空调、管状结构件等。

(6)电子工业中的应用。

主要应用于发动机壳体、电器连接件、电器封装等。

(7)其他工业领域的应用。

主要应用范围为：冰箱冷却板、厨房电器和设备、“白色”家用物品和工具、天然气和液化气储箱等。

1.3文献综述（相关课题国内外研究的现状）

1.3.1 7050铝合金FSW的焊接接头组织的研究

7050-T7451铝合金FSW后，HAZ、TMAZ以及焊核区各区经历的热循环不同，各个区域的位错密度发生变化，从母材开始依次经HAZ、TMAZ以及焊核区，位错密度呈降低趋势，焊核区位错密度很低。HAZ在摩擦热的作用下晶界上析出相粗化且呈连续分布，粒子贫乏区加宽，晶内的析出相由母材区的针状转变为柱状；TMAZ析出相呈细小圆盘状；焊核区主要为热循环过程中未溶解的高温稳定相及破碎的基体材料颗粒。各区析出相的成核机制[11]不同，HAZ温度低于强化相的析出温度，没有新相的析出；TMAZ析出相主要在位错析出，颗粒细小；焊核区出现大颗粒上析出第二相的现象。

孙桂苹[9]对7050铝合金搅拌摩擦焊接头组织性能也进行了研究。

通过金相实验发现，接头焊核区面积与焊核区晶粒度都随着焊接速度的增加而减小，热机影响区晶粒变形程度随着焊接速度的增加而降低，前进侧热机影响区与焊核区的交界较后退侧明显，后退侧热机影响区的晶粒出现了不同程度的长大现象。在接头的焊缝区出现“洋葱环”现象，“洋葱环”（如图3所示)的形成来源于几何效应，环距在中心较宽，随着轴肩边缘越近，环距越窄。图2是7050-T7451铝合金在搅拌头旋转速度为400r/min，焊接速度为40mm/min下搅拌摩擦焊接头的宏观组织形貌。 （a）

图2 7050铝合金搅拌摩擦焊接头宏观形貌组织分区

A—母材区，B—热影响区，C—热机影响区，D—焊核区 在焊核区实现了晶粒在搅拌摩擦焊接过程中重结晶和沉淀强化相的再分配，最终得到了细小的等轴晶粒结构。

图3 “洋葱环”结构特征

丁成钢等人[5]对7050铝合金搅拌摩擦焊焊接接头的组织与冲击韧性进行了研究。用优选后的工艺参数对6.3mmm厚7050铝合金板进行搅拌摩擦焊对接焊接，分析了接头的组织与冲击韧性。结果表明：7050铝合金FSW焊接接头中焊核区和轴肩影响区发生了动态再结晶，为细小、较为均匀的等轴晶组织；前进侧热机影响区在搅拌头的热机作用下发生了较大程度的弯曲变形，后退侧热机影响区晶粒变形程度较小，热影响区组织局部粗化。

付春坤等人[6]对7050-T7451铝合金搅拌摩擦焊组织及性能也进行了分析。

在不同的焊接工艺参数下对8mm厚的7050-T7451铝合金板进行了搅拌摩擦焊接实验。通过对焊接接头组织的分析，发现焊核区发生连续动态再结晶形成细小的等轴晶；热机影响区晶粒沿流线方向拉长且有细小沉淀相在晶界上析出。因此，热机影响区在机械力和热循环的作用下呈条弧状组织。

王廷等人[4]对7050铝合金搅拌摩擦焊接头组织与性能进行了研究。

焊核区发生了动态再结晶，由细小的等轴晶组成，包含较高的位错密度，沉淀相溶解。热机影响区晶粒弯曲变形，并发生了动态回复与部分再结晶，位错密度也较高，沉淀相部分溶解。热影响区没有发生明显的长大，位错密度较低，沉淀相发生粗化，晶间无沉淀带随热输入增大而加宽。焊核区的主要强化方式为细晶强化与位错强化，热机影响区中细晶强化、位错强化以及沉淀强化都起一定强化作用，而在热影响区则主要为沉淀强化，沉淀相的粗化以及晶间无沉淀带的变宽是热影响区软化的主要原因。

王廷、朱丹阳等人[4]对7050-T7451铝合金的搅拌摩擦焊接试验进行了分析。结果表明，焊核区发生了动态再结晶和沉淀相溶解；热影响区发生了沉淀相粗化，晶间无沉淀带加宽，热输入越高，沉淀相尺寸越大，晶间无沉淀带越宽。

1.3.2 7050铝合金FSW接头力学性能的分析

接头性能是国内外研究者最为关心的问题，相关的研究报道也较多，

研究范围主

要集中在接头抗拉强度、疲劳性能，另外接头的耐蚀性能、残余应力等也有相关的研究报道。

根据FSW接头焊缝区组织变化的特点，在合适的焊接工艺参数条件下，焊缝各区所表现的的性能也差异很大。焊核区晶粒经过搅拌头的搅拌发生再结晶，区内性能得到很大的提高；热影响区受到热循环的影响，该区晶粒粗大、残余应力集中，接头性能相对较差；焊核区与热机械影响区的过渡区(简称过渡区)存在机械混合组织，成为接头的弱连接区，接头性能不佳。众多研究表明，拉伸、疲劳试验中接头断裂的位置主要集中在热影响区和过渡区。

丁成钢等人的研究结果为：7050铝合金FSW焊接接头的显微硬度曲线呈典型的“W”形分布（如图4所示），热影响区和热机影响区的硬度较低，母材和焊核区的硬度较高，焊核区的硬度从底部到顶部依次增大。焊核区和热影响区的冲击韧性均高于母材的，因此接头的冲击韧性优于母材的；焊核区和热影响区的冲击试样断口具有典型的韧性断裂特征（如图5所示），焊接接头的组织对接头的冲击韧性影响较大。

图4 7050铝合金FSW焊接接头的显微硬度分布

图5 7050铝合金FSW焊接接头缺口开在不同位置处冲击试样断口的SEM形貌

焊接热输入较高时，接头的拉伸断裂出现在热影响区，而热输入较低时，焊缝底

部出现未焊合，接头从此处首先发生开裂。

王廷对5mm厚7050-T7451铝合金进行了搅拌摩擦焊接试验，通过拉伸试验以及硬度试验对接头力学性能进行了评定。结果表明：接头抗拉强度随焊具旋转速度的提高或焊接速度的降低先增后减。去除未焊合缺陷后,接头抗拉强度随焊接热输入增大而降低。

孙桂苹等人对接头进行力学性能测试发现，几乎所有试样被拉断时均断裂在前进侧的热机影响区，宏观拉伸断口处无明显的塑性变形，但其断口的微观形貌表现为具有强化相的韧窝特征。断口出现了分层现象，且断口平坦区里存在着个别大的韧窝，在局部区域呈现韧性断裂，但大部分都是平坦区，呈脆性断裂。在剪切唇附近区域，存在大量的韧窝。

1.3.3工艺参数的影响

大量试验研究表明，搅拌摩擦焊过程中的发热量和焊缝材料的塑性流动形态是影响焊缝成形质量的主要因素，它与搅拌头形状和焊接工艺参数等有关。影响搅拌摩擦焊接头质量的工艺参数有：轴肩直径、搅拌针直径、旋转速度、焊接速度、轴向压力搅拌头的倾角等。其中轴向压力、焊接速度以及旋转速度在焊接过程中容易变化，其他参数则相对稳定。

王廷、朱丹阳等人认为焊接工艺参数通过影响接头微观组织和焊接缺陷来影响接头的力学性能，在转速800r/min和焊速200mm/min的情况下，接头的抗拉强度最高达到450MPa，为母材强度的88%。结果表明,焊接参数不当,焊缝会出现飞边、表面沟槽、孔洞以及未焊合缺陷。有缺陷存在时缺陷处为接头的薄弱区域，断裂一般位于缺陷处,无缺陷存在时,后退侧热影响区为接头的薄弱环节，断裂在该部位发生。焊接热输入较高时，接头的拉伸断裂出现在热影响区，具有明显的韧窝状断裂特征；而热输入较低时，焊缝底部出现未焊合，接头从此处首先发生开裂。

图6 焊接参数对接头拉伸性能的影响

付春坤等人在不同的焊接工艺参数下对8mm厚的7050-T7451铝合金板进行了搅拌摩擦焊接实验。实验结果表明：随着搅拌头转速的升高,接头抗拉强度降低,但伸长率呈上升趋势(图7)；当转速为375r/min、焊速为100mm/min时,接头抗拉强度高达452MPa,为母材的88.6%,接头断后伸长率为3.6%,达到母材的33%。

图7 焊接参数对接头拉伸性能的影响

罗贤道等人[7]对搅拌头及工艺参数对厚板7050铝合金搅拌摩擦焊成形的影响进行了研究。采用带螺纹及轴肩尺寸恰当的搅拌头可以获得焊缝成形较好、表面光滑的焊缝。轴肩尺寸过大是导致焊缝出现隧道型孔洞的主要原因。工艺规范过强时，焊缝易产生飞边和隧道型孔洞等缺陷；保持其他条件不变，转速较小时焊缝表面较光滑且隧道型孔洞有闭合趋势。通过试验分析可知，旋转速度控制在300rpm～600rpm之间，焊接速度在30mm/min～100mm/min之间，可以获得成形较好的焊缝。

孙桂苹对7050铝合金搅拌摩擦焊接头组织性能进行研究后发现：当搅拌头旋转速度为400rpm时、焊接速度为40-100mm/min时都能获得外观成形好、内部无缺陷的搅拌摩擦焊接头，焊速为70mm/min接头抗拉强度最高，达母材的84.70%；接头拉伸试样无宏观塑性变形，但微观断口表现出含有强化相韧窝状的塑性特征；大部分接头断裂在前进侧热机影响区。

疲劳性能是评定FSW接头使用性能的重要指标，包括结构疲劳和腐蚀疲劳。 Pao[12]等人研究了7050铝合金FSW接头腐蚀疲劳裂纹生长情况。结果表明，与母材和焊核区相比，由于裂纹闭合效应，热影响区具有较低的疲劳裂纹扩展速率和较高的应力强度因子，在空气中，焊核区的疲劳裂纹扩展速率稍高于母材的，当应力强度水平较高时，焊核区和热影响区在w(NaCl) = 3.5%的NaC1溶液中的疲劳裂纹扩展速率是空气中的2倍。

王希靖等人[15]对航空用5mm厚铝合金7050-T7451搅拌摩擦焊接头的低周疲劳[8]性能进行了研究。结果表明，(1)在合适的焊接工艺参数及良好的焊接接头的基础上，进行了焊接接头的低周疲劳实验，得到了低周疲劳寿命表达式和应变-寿命曲线(如图8所示)。(2)5mm厚航空铝合金7050-T7451搅拌摩擦焊接头在搅拌头旋转速度为400r/min,焊接速度为40mm/min时，接头具有最好的疲劳性能。低周疲劳寿命表达式为：

(3)用扫描电镜观察了疲劳断口的微观形貌并分析了疲劳断裂机理。结果表明:焊接接头的疲劳断口均发生颈缩,为韧性断裂。裂纹在接头底部启裂，沿前进侧热机影响区与焊核区的过渡区域扩展至断裂，随着焊接速度的增加，接头应变疲劳裂纹的形成寿命和扩展寿命均减小。该过渡区晶粒的尺寸和位向差别大，为接头的性能薄弱区。(4)接头在0.55%的较高应变下循环硬化和软化现象不明显，在0.4%的较低应变时有循环软化倾向。

图8 应变-寿命曲线

在铝合金FSW过程中，当焊接参数选择不当时，就会在接头中产生缺陷，影响接头组织与性能，缺陷种类主要包括孔洞和沟槽、飞边、吻接、Z型线、隧道型缺陷等。

(a)孔洞和沟槽

孔洞分为内部孔洞和表面孔洞，其形成原因有所不同。内部孔洞的形成主要是由于焊接过程中热输入不够，达到塑性化状态的材料不足，材料流动不充分而导致在焊缝内部形成材料未完全闭合的现象。表面孔洞主要是由于搅拌头转速过慢、焊接速度过快或焊接压力不足造成的。当转速继续降低，焊速或焊接压力进一步减小，会导致热输入严重不足，材料流动能力继续下降，表面孔洞沿焊缝长度方向上延伸较长时就形成沟槽缺陷。因此，若要避免焊接过程中产生表面孔洞和沟槽型缺陷，应选择合适的焊速、搅拌头转速和焊接压力。

a 孔洞 沟槽

(b)飞边

飞边缺陷出现在焊缝表面，通常是由于焊接压力过大而导致较多的塑性材料从轴肩两侧被挤出，冷却后形成的一种缺陷。FSW过程是一个焊缝材料体积不变的过程，在实际焊接过程中，轴肩、搅拌针、未熔化的母材金属形成一个“挤压模”，发生塑性变形的材料在“挤压模”中流动，如果焊接压力过大，也就是搅拌头扎入过深，会使挤压模体积小于正常焊接时的体积，导致部分塑性材料从轴肩两侧被挤出，冷却后形成飞边缺陷。因此，要避免飞边的产生，应选择适当的焊接压力，也就是适当的压入量，可以用轴肩后沿低于板材表面的深度来表示。对于薄板材料，此深度一般为0.1mm～0.3mm之间，对于中厚板材料此深度一般不超过0.5mm。

b飞边

(c) 隧道型缺陷

隧道型缺陷是比较典型而且危害最大的一种缺陷，这种缺陷通常位于接头前进侧的中下部。产生此类缺陷的主要原因是工艺参数控制不当，焊接旋转速度过小和焊接速度过大都会直接导致焊接时焊缝中热输入不足，从而使得塑性状态的金属减少，搅拌摩擦头不断将塑性金属从前进侧转移到后退侧，由于塑性金属的流动性变差，以致前进侧金属未能被来自后退侧的塑性金属及时填充，而导致此区内金属量减少，最终在此处留下隧道。要避免焊接过程中出现隧道型缺陷，除了要选择适当的焊接工艺参数外(搅拌头转速、焊速)，还要保证适当的搅拌头倾角，一般为1.5°≤θ≤4.5°，另外，还要避免待焊件之间存在间隙。

c隧道型缺陷

(d) 吻接

吻接是FSW的特有缺陷，此种缺陷的特点是在FSW过程中，由于摩擦热输入不足或焊接速度过快，造成前一层转移金属与后一层转移金属之间或者焊缝的转移金属与前进侧之间虽然在宏观上形成紧密接触，但在微观上并未形成可靠连接。吻接会严重降低结构的可靠性，是FSW最致命的缺陷之一。搅拌头外形设计不合理、焊接速度过快或者焊缝热输入过小都会造成这类缺陷的产生。由于常规的检测方法很难发现此类缺陷，必须采用超声波检测技术才能有效地检测到，所以危害性非常大。通过优化FSW工艺可以避免此类缺陷。

d 焊缝中的吻接缺陷

(e) Z线

Z线的产生主要是由于构件表面残余氧化层的存在。随着搅拌针的插入和搅拌过程，构件表面残余氧化层被搅碎，混合进入塑性材料，氧化物颗粒沿着晶界分布就形成Z线。这种缺陷一般很难发现，X射线都无法探测到，只能用金相分析或根部弯曲测试才可能有效检测到，因此危害性很大。要避免焊接过程中出现Z线，在焊接开始前要对构件表面彻底清洗和打磨，以去除表面的油污和氧化层。

e 焊缝中的Z线

Z W. Chen等人[16]研究了搅拌针形状和倾斜角度对搅拌摩擦焊焊缝成形的影响。发现焊核区成形仅受搅拌针搅动部分塑性材料流动的影响,轴肩尺寸过小会导致塑性材料流动不足而在焊缝上部形成沟槽,较大的倾斜角度会增强流动从而减小沟槽出现的可能。

Y.G. Kim等人[17]以4mm厚ADC12模铸铝合金为对象研究了搅拌针扎入深度对接头成形的影响。结果表明,扎入越深,搅拌摩擦焊最佳工艺参数范围越宽,在所用条件下形成的缺陷包括热输入过大造成的大量飞边、热输入不足造成的孔洞或沟槽缺陷以及异常搅动造成的孔洞缺陷。对于异常搅动,前进侧搅拌区上部的形状明显不同,尽管热输入不足造成的缺陷尺寸会随着焊接压力的增大而显著减小,但搅拌头扎入深度对该类缺陷的影响较小。

赵衍华等人[10]采用不同形状的搅拌头及多种参数组合进行了焊接试验,

发现搅拌

头形状对接头缺陷的形成具有重要影响。如果搅拌头设计不当则不能保证塑性材料充分流动,焊接后容易产生孔洞缺陷。

邢丽等人[18]对LF6薄板的搅拌摩擦焊焊缝成形及性能进行了研究。试验表明,搅拌摩擦焊焊缝成形不良主要表现为焊缝表面成形不好和存在沟槽,或在焊缝内部出现孔洞或隧道型缺陷。这些不良的成形主要取决于搅拌头的形状和工艺参数。

黄华等人[19]探讨了搅拌头尺寸及焊接工艺参数对其接头组织的影响。结果表明,对接板间隙越大越不利于热量向焊核区扩散,导致热影响区温度升高,晶粒尺寸变大。另外,通过焊缝截面观察发现,间隙越大,焊缝区出现的孔洞越大,甚至会在焊缝中出现隧道型缺陷。

由此可以看出搅拌摩擦焊缺陷的产生是多种因素[13]共同作用的结果，对于不同的焊接过程及被焊材料，各种因素是相互制约的。现有的研究仅就某个因素单独作用进行了探索，对于各个因素相互作用关系的研究还有待于进一步深入。

1.3采用的设计方案（基本理论）与技术路线

(1)技术路线：1)确定7050-T7451铝合金板厚度；

2)对7050-T7451铝合金试件进行焊前清理(用丙酮将试板表面擦拭干

净)；

3)制备7050-T7451铝合金标准试件(采用对接形式)；

4)根据试件的特征合理的选择搅拌摩擦焊的设备和搅拌头；

5)在焊接过程中选择最佳的焊接参数；

6)以最佳参数对标准试件进行焊接；

7)对焊件进行力学性能及组织、性能分析。

(2)技术关键：1)对焊接参数的选择。

2)对搅拌头的外形轮廓及转速进行选择。

3)对焊接压力大小的掌握。

4)对焊前焊后的处理。

1.4研究内容：

一、 搅拌摩擦焊焊接工艺参数对微观组织的影响；

二、 旋转速度与性能的关系；

三、 焊接速度与性能的关系；

四、工艺参数对焊缝表面及力学性能的影响；

五、应力模拟。

试验包括：拉伸试验、弯曲试验、冲击试验、金相试验、硬度试验

用搅拌摩擦焊机对7050铝合金材料进行焊接，并对焊好的试样进行拉伸及弯曲性能测试，研究其机械性能，再对试样进行金相分析，并测其硬度值，进行微观分析，得出相应的结论。

(1)焊前准备：下料、试板的清理（机械清理法：采用锉刀或刮刀加工试板表面，除去毛刺及氧化膜。化学清理法：用丙酮擦洗试板表面，去除油污及脏物。）、试板装夹在搅拌摩擦焊机试验台上，摆放好待焊试板，用自制的夹具将试板夹好。对位。

(2)工艺试验方案

工艺参数的选择（焊接速度、搅拌头、搅拌头倾角、搅拌头旋转速度、搅拌头插入速度、插入停留时间、焊接压力）

1.拉伸测试:

1)试验材料：将焊好的试板进行线切割，从每块试板上按照事先划好的线，分段各取拉伸试样，每种工艺参数取三个，试样的截取按照标准GB2649；

2)试验内容：用拉伸试验机做拉伸试验，试样被拉断时记下其峰值力，即其最大抗拉强度。

2.金相试验:

焊后在每块试板上截取焊接接头采用线切割机沿垂直于焊接方向，取两个工艺参数一样的试块之间剩余的部分为金相试样，不需要制成标准尺寸。采用机械抛光，用

3.5μm和0.5μm三氧化二铝抛光粉进行抛光，前者用于粗抛，后者用于细抛。

试样在腐蚀前应注意把试样表面的油脂、化学或电解抛光残留物，手指印等清洗干净。本试验采用化学试剂腐蚀法。

本实验采用金相显微镜对焊缝的纵向剖面及相同参数下试样的不同区域和不同参数下试样的典型组织进行照相，包括宏观金相和微观金相，然后观察金相照片并分析。

3.显微硬度测试

铝合金硬度通常采用压痕法测量（维氏、布氏等），划痕硬度很少采用，因为它对冷加工和时效处理不敏感，而冷加工和时效处理却是控制铝合金性能的主要工艺。多晶体材料中，划痕深度不起作用。本次试验采用自动转塔式显微维氏硬度计。

4.弯曲测试

在搅拌摩擦焊接研究中，弯曲测试可以用来提供关于纵向和横向焊接接头延伸率的定性信息。试样可以分别设计成加载力位于表面、根部或者焊缝边。测试结果显示

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