铝合金的搅拌摩擦焊

南昌航空大学学士学位论文

铝合金搅拌摩擦焊焊缝受力与焊缝成型的关系

1 引言

1.1搅拌摩擦焊国内外发现现状与水平

搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding，简称FSW)最初是针对焊接性差的铝合金开发的一种新型固相焊接工艺，由英国焊接研究所(The Welding Institute)于1991年开发的专利技术。搅拌摩擦焊自发明以来很快就受到制造工业的密切关注和支持，并且于1996年在制造工业领域得到了成功应用。搅拌摩擦焊是利用一种特殊的低耗损的搅拌头旋转着压入被焊零件的表面，搅拌头与被焊零件的摩擦使被焊材料热塑化，当搅拌头沿着焊接界面向前移动时，热塑化的材料由前向后转移，在热-机联合作用下连接形成致密的固相连接接头。TWI、NASA(National Aeronautics and Space Administration)、Boeing、ESAB等大型研究机构和企业都在进行与该工艺相关的研究工作[1,2]。FSW已成功应用于实际生产。搅拌摩擦焊技术一出现，就得到航空界的青睐。英国焊接研究所申报了此项专利后，瑞典ESAB公司按许可证制造了专用焊接设备-Su-perstire搅拌摩擦焊机，并已获得实际应用[3]。美国著名的宇航公

YL21铝合金搅拌摩擦焊接头组织及性能研究

张 磊 李从卿 佟建华 郭 晓 娟 康

北京航空制造研究所 14 20

举

摘 要： 采用搅拌摩擦焊对2m厚的L1Y2铝合金薄板进行了对接试验，对焊接接头力学性能和各个区域 的微

观组织进行了分析。结果表明：搅拌摩擦焊焊核区组织为细小均匀的等轴晶，焊核区偏向于前进侧一 边有白色弯曲条带物质出现;热机影响区晶粒沿流线方向被拉长，前进侧比后退侧变化明显；热影响区晶 粒明显变大，晶粒大小约为5u0m～10mu。通过拉伸强度、弯曲强度和显微硬度的测试，发现焊缝后退侧 容易发生断裂，弯曲时易出现裂纹，同时是焊缝后退侧是显微硬度最低部位所在。 关键词：搅拌摩擦焊；L1Y2铝合金；显微组织；力学性能

LYl2铝合金搅拌摩擦焊接头组织及性能研究

CB2651—89、GB2653—89制取焊缝拉伸、弯曲试样，分别在zwIcKl00KN电子万能材料试验机、 zlooKN电子万能试验机上进行拉伸、弯曲试验以测试接头的力学性能；根据GB／T4340．I—1999相 关标准，采用HxD—l000维氏显微硬度仪在载荷2009，保持时间15s的测试条件下对母材及焊缝不 同区域处的显微硬度进行测试分析。

2试验结果及讨论

2．1焊缝接

铝合金在生产过程中,容易出现缩孔、砂眼、气孔和夹渣等铸造缺陷。如何修复铝合金铸件气孔等缺陷呢？如果用电焊、氩焊等设备来修补,由于放热量大,容易产生热变形等副作用,无法满足补焊要求。冷焊修复机是利用高频电火花瞬间放电、无热堆焊原理来修复铸件缺陷。由于冷焊热影响区域小,不会造成基材退火变形,不产生裂纹、没有硬点、硬化现象。而且熔接强度高,补材与基体同时熔化后的再凝固,结合牢固,可进行磨、铣、锉等加工,

铝合金使用范围：


一、板带的应用广泛应用于装饰、包装、建筑、运输、电子、航空、航天、兵器等各行各业。

二、航空航天用铝材用于制作飞机蒙皮、机身框架、大梁、旋翼、螺旋桨、油箱、壁板和起落架支柱，以及火箭锻环、宇宙飞船壁板等。

三、交通运输用铝材用于汽车、地铁车辆、铁路客车、高速客车的车体结构件材料，车门窗、货架、汽车发动机零件、空调器、散热器、车身板、轮毂及舰艇用材。

四、包装用铝材　　 全铝易拉罐制罐料主要以薄板与箔材的形式作为金属包装材料,制成罐、盖、瓶、桶、包装箔。广泛用于饮料、食品、化妆品、药品、香烟、工业产品等包装。

五、印刷用铝材主要用于制作PS版，铝基PS版是印刷业的一种新型材料，用于自动化制版和印刷。六、建筑装饰用铝材铝合金因其良好的抗蚀性、足够

铝合金在生产过程中,容易出现缩孔、砂眼、气孔和夹渣等铸造缺陷。如何修复铝合金铸件气孔等缺陷呢？如果用电焊、氩焊等设备来修补,由于放热量大,容易产生热变形等副作用,无法满足补焊要求。冷焊修复机是利用高频电火花瞬间放电、无热堆焊原理来修复铸件缺陷。由于冷焊热影响区域小,不会造成基材退火变形,不产生裂纹、没有硬点、硬化现象。而且熔接强度高,补材与基体同时熔化后的再凝固,结合牢固,可进行磨、铣、锉等加工,

铝合金使用范围：


一、板带的应用广泛应用于装饰、包装、建筑、运输、电子、航空、航天、兵器等各行各业。

二、航空航天用铝材用于制作飞机蒙皮、机身框架、大梁、旋翼、螺旋桨、油箱、壁板和起落架支柱，以及火箭锻环、宇宙飞船壁板等。

三、交通运输用铝材用于汽车、地铁车辆、铁路客车、高速客车的车体结构件材料，车门窗、货架、汽车发动机零件、空调器、散热器、车身板、轮毂及舰艇用材。

四、包装用铝材　　 全铝易拉罐制罐料主要以薄板与箔材的形式作为金属包装材料,制成罐、盖、瓶、桶、包装箔。广泛用于饮料、食品、化妆品、药品、香烟、工业产品等包装。

五、印刷用铝材主要用于制作PS版，铝基PS版是印刷业的一种新型材料，用于自动化制版和印刷。六、建筑装饰用铝材铝合金因其良好的抗蚀性、足够

搅拌摩擦焊接技术——焊接技术2

搅拌摩擦焊接(FSW)是英国焊接研究所发明 的一种新的连接工艺，其实质是通过高速旋转 的搅拌头与被焊材料间生成的摩擦热而实现的

一种固相连接，该工艺具有连接温度低、焊后残余应力小、接头性能高等一系列特点。

搅拌摩擦焊接原理示意图

焊接工具包括三部分：工具体(shrank)、轴

肩(shoulder)和搅拌头(probe/pin)。 焊接时，工具体带动轴肩和搅拌头一起高速旋 转，通过向工具体施加压力，使搅拌头进入母 材中，搅拌头的表面与母材摩擦产生热量，并 在其周围形成螺旋状的塑性流体，通过搅拌头 和母材做相对运动，产生连续塑性流体，从搅 拌头的前部向后方移动，随着工件的移动，后 面的冷却形成焊缝，从而连接两块板材。 由于最高温度不会超过母材熔点的80%,故搅 拌摩擦焊接不存在熔焊的焊接缺陷。焊后接头 的厚度一般比母材薄3~6%。

搅拌摩擦焊接工艺特点：

搅拌摩擦焊接的温度相对较低，可以得到高质

量的接头； 焊接过程中不需要其它焊接材料。唯一消耗的 是搅拌头。 焊前工件无需严格的表面清理准备要求，焊接 过程中无烟尘和飞溅，噪声低； 搅拌摩擦焊仅仅是靠焊接工具旋转并移动，逐 步实现整条焊缝的焊接，更节省

关于用氩弧焊焊接铝合金的操作方法

1要选用交流氩弧焊机，它有阴极破碎功能。

2选用合适的电流

3注意观察熔池温度，母材未融化焊丝就会滚来滚去。

4焊丝要直接加入熔池中

5焊丝端要一直在氩气的保护中

焊接铝合金要注意印记破碎作用即钨极氩弧焊采用直流反接时，焊件是阴极。氩的正离子流向焊件，撞击金属溶池表面，将铝、镁等金属表面致密难熔的氧化膜击碎并去除，使焊接顺利进行。这种现象称为“阴极破碎”。因为铝的导热性比较高，容易塌陷，而且氧化膜的熔点比母材高的多。但是这样热量低故一般用交流氩弧焊。

焊接常遇到哪些铝合金？怎样焊接？

铝及铝合全的焊接特点：

1．铝和氧的亲和力很大，因此在铝及铝合金表面总有一层难熔的氧化铝薄膜（熔点2050℃)。在焊接过程中容易造成夹渣，而且氧化膜还吸附了较多的水分，焊接时会促使焊缝生成气孔。

2．铝的导热系数和比热比铁大一倍多，这就要求在焊接时，使用大功率或能量集中的焊接热源，有时还要预热。另外铝的线膨胀系数比铁将近大一倍，因此铝件的焊接变形大，如工艺措施不当，还容易产生裂纹。

3．铝及铝合金由固态转变为液态时，没有显著的颜色变化。因此，当焊接时要求掌握好加热温度，以防焊接时会引起金属的塌陷或下漏。

当采用气焊、碳弧焊或氩弧焊焊接纯铝、铝锰、铝镁及

铝合金代号\\合金的成分 1XXX?? 铝（Aluminum）最少估占99％以上 2XXX?? 铜（Copper） 3XXX?? 锰（Manganese） 4XXX?? 矽（Silicon） 5XXX?? 镁（Magnesium） 6XXX?? 镁和矽 7XXX?? 锌（Zinc） 8XXX?? 其他金属元素

在从2XXX到8XXX的数字群中，第二个数字表示了合金加工的方式，而最后二个数字，则是提供给在同一系列的族群中作为区别使用。

每种不同的铝合金，都是其适用的场合与限制，而在遥控模型的使用上，我们最常看到的，也是应用最广的，当属6061和7075这两种规格，以下我们再针对此两种作进一步说明。

6061：在6061规格铝合金中，铝合金元素占了97.9％，镁元素占了1％，矽元素占了0.6％另外还有加入了0.28％的铜与0.2％鉻（Chromium）。

7075：在7075铝合金中，主要的铝和锌金属元素分别占了90％和5.6％，其他则是镁元素占了2.5%,铜占了1.6％，鉻占了0.23％最后还有余数则是矽，锰，钛?等金属元素。

铝合金强度测量的依据

一般我们在测量金属的强度时会有各种不同的方法，不过我们再次提出三种最常被使用的方式，来作

铝合金 特性

(1)铝硅系合金，也叫“硅铝明”或“矽铝明”。有良好铸造性能和耐磨性能，热胀系数小，在铸造铝合金中品种最多，用量最大的合金，含硅量在10％～25％。有时添加0.2％～0.6％镁的硅铝合金，广泛用于结构件，如壳体、缸体、箱体和框架等。有时添加适量的铜和镁，能提高合金的力学性能和耐热性。此类合金广泛用于制造活塞等部件。

(2)铝铜合金，含铜4.5％～5.3％合金强化效果最佳，适当加入锰和钛能显著提高室温、高温强度和铸造性能。主要用于制作承受大的动、静载荷和形状不复杂的砂型铸件。

(3)铝镁合金，密度最小

(2.55g/cm3)，强度最高(355MPa左右)的铸造铝合金，含镁12％，强化效果最佳。合金在大气和海水中的抗腐蚀性能好，室温下有良好的综合力学性能和可切削性，可用于作雷达底座、飞机的发动机机匣、螺旋桨、起落架等零件，也可作装饰材料。

(4)铝锌系合金，为改善性能常加入硅、镁元素，常称为“锌硅铝明”。在铸造条件下，该合金有淬火作用，即“自行淬火”。不经热处理就可使用，以变质热处理后，铸件有较高的强度。经稳定化处理后，尺寸稳定，常用于制作模型、型板及设备支架等。

以铝为基的合金总称。主要合金元素有铜、硅、镁、锌、锰，次要合金元素有镍、铁、钛、

铝合金的牌号、性能及用途 1、变形铝合金

⑴ 变形铝及铝合金牌号表示方法

根据国家标准GB/T 16474-1996规定，变形铝及铝合金可直接引用国际四位数字体系牌号。未命名为国际四位数字体系牌号的变形铝及铝合金，应采用四位字符牌号命名。两种编号方法如表8-1所示。

表8-1 变形铝及铝合金的编号方法（GB/T 16474-1996）

位数 第一位 第二位 最后两位 为阿拉伯数字，表示铝及铝合金的组别。1表示铝含量不小于99.00%纯铝；2~9表示铝合金，组别按下列主要合金元素划分：2—Cu；3—Mn；4—Si；5—Mg；6—Mg+Si；7—Zn；8—其他元素；9—备用组 为阿拉伯数字，表示合金元素为阿拉伯数字，表示为英文大写字母，表示原为英文大写字母，表示原或杂质极限含量控制情况。0改型情况。0表示为原始纯铝的改型情况。A表始合金的改型情况。A表表示其杂质极限含量无特殊始合金；2~9表示为改示为原始纯铝；B~Y（C、I、示为原始合金；B~Y（C、I、控制；2~9表示对一项或一项型合金 L、N、O、P、Q、Z除外）L、N、O、P、Q、Z除外）以上的单个杂质或合金元素表示为原始纯铝的改型，表示为原始合金的改型，极限含量有特殊控制 其元

Chapter8 铝合金与铜合金

1.重点

①掌握铝合金的分类及其强化方式。

②了解各类铝合金的命名、强化途径、主要性能和应用。 ②掌握黄铜、青铜和白铜的基本概念，黄铜的主要应用。

2.分类：通常将铁、铬、锰及其合金称为黑色金属；除此以外的所有其它金属统称为有色金属。

①轻金属:如铝、镁、铍、锂等。 ②重金属:如铜 、锌、铅、镍等。

③贵金属: 如金、银和铂等金属。④稀有金属: 如钨、钒、钼、铌、钛和锆等金属。⑤放射性金属: 如镭、铀和钍等金属。 8.1 铝及铝合金的分类 一、工业纯铝

铝具有面心立方点阵，无同素异构转变。铝具有优良的导电、导热性，其导电性仅次于银和铜，居第三位。 铝在大气中具有优良的抗蚀性。 二、铝合金的分类 1、铸造铝合金

2、变形铝合金 （塑韧性好） ⑴不可热处理强化铝合金

具备好的抗蚀性，故称为防锈铝。 ⑵可热处理强化铝合金

这类铝合金包括硬铝、超硬铝和锻铝。 三、铝合金的强化方式 （思考Mg） 1、固溶强化

纯铝通过加入合金元素形成铝基固溶体，起固溶强化作用，使其强度提高。 2、时效强化

⑴由于合金元素在铝中有较大固溶度，且随着温度的降低而固溶度急剧减小。故铝合金经加热到某一温度淬火后，可以得到过饱和的