攪拌摩擦焊接與處理（簡體書）

目錄
第1章 緒論 1
1.1 概述 1
1.2 攪拌摩擦焊的由來與發展 1
1.3 攪拌摩擦焊工藝簡介 3
1.4 焊具與設備 4
1.5 接頭形貌與焊接缺陷 5
1.6 攪拌摩擦焊技術創新 6
1.7 本章小結 6
參考文獻 7
第2章 攪拌摩擦焊基本原理與特徵 8
2.1 概述 8
2.2 攪拌摩擦焊基本原理 8
2.3 攪拌摩擦焊技術特徵 9
2.3.1 FSW熱-力耦合特徵 9
2.3.2 FSW技術優缺點 10
2.4 攪拌摩擦焊接頭特徵 13
2.5 攪拌摩擦焊工藝參數 15
2.6 攪拌摩擦焊焊具設計 19
2.7 本章小結 21
參考文獻 22
第3章 攪拌摩擦焊固有模式和發展趨勢 23
3.1 概述 23
3.2 自持式攪拌摩擦焊 23
3.2.1 雙軸肩攪拌摩擦焊 23
3.2.2 自支撐攪拌摩擦焊 31
3.3 靜止軸肩攪拌摩擦焊 41
3.3.1 靜止軸肩攪拌摩擦焊原理 41
3.3.2 靜止軸肩攪拌摩擦焊發展及應用 41
3.3.3 接頭組織 43
3.3.4 接頭力學性能 45
3.4 無減薄攪拌摩擦焊 46
3.4.1 焊前增材/減材技術 46
3.4.2 內外雙軸肩技術 47
3.4.3 大內凹焊具技術 54
3.5 匙孔及缺陷修補技術 55
3.5.1 摩擦塞補焊 55
3.5.2 填充式攪拌摩擦焊 57
3.5.3 TIG預填絲攪拌摩擦處理匙孔修復技術 61
3.6 耗材攪拌摩擦焊 62
3.6.1 靜止軸肩攪拌摩擦增材製造 62
3.6.2 填絲攪拌摩擦焊 66
3.7 本章小結 70
參考文獻 70
第4章 攪拌摩擦點焊技術基本特徵及發展概述 71
4.1 概述 71
4.2 攪拌摩擦點焊原理及發展 71
4.2.1 傳統攪拌摩擦點焊原理 71
4.2.2 攪拌摩擦點焊技術發展與應用 72
4.3 攪拌摩擦點焊接頭特徵及性能 73
4.3.1 攪拌摩擦點焊組織特徵 74
4.3.2 攪拌摩擦點焊缺陷特徵 75
4.3.3 攪拌摩擦點焊接頭力學性能 75
4.4 無匙孔攪拌摩擦點焊 76
4.4.1 伸縮式焊具攪拌摩擦焊 76
4.4.2 錐形無軸肩攪拌摩擦焊 77
4.4.3 回填式攪拌摩擦點焊 77
4.5 本章小結 82
參考文獻 82
第5章 攪拌摩擦處理與改性技術 83
5.1 概述 83
5.2 材料製備 84
5.2.1 基本過程與方法 85
5.2.2 金屬基複合材料 87
5.2.3 非金屬基複合材料 92
5.3 表面改性 93
5.3.1 金屬材料表面改性 93
5.3.2 聚合物表面改性 96
5.4 材料超塑性 97
5.4.1 超塑性本構模型 98
5.4.2 FSP實現材料超塑性 99
5.4.3 高應變速率超塑性 99
5.4.4 低溫超塑性 100
5.5 缺陷修復 101
5.5.1 面積型缺陷修復 101
5.5.2 體積型缺陷修復 102
5.6 本章小結 105
參考文獻 105
第6章 攪拌摩擦成形原理與發展 107
6.1 概述 107
6.2 快速成形 107
6.2.1 面臨的挑戰 107
6.2.2 工藝描述 109
6.2.3 成形、組織及力學性能 110
6.2.4 應用前景 114
6.3 隧道成形 115
6.3.1 面臨的挑戰 115
6.3.2 工藝描述 115
6.3.3 成形、組織及力學性能 116
6.4 微成形 119
6.4.1 工藝描述 120
6.4.2 成形、組織及力學性能 121
6.4.3 應用前景 123
6.5 本章小結 124
參考文獻 125
第7章 異種金屬攪拌摩擦焊 126
7.1 概述 126
7.2 鋁/鋼異種金屬攪拌摩擦焊 126
7.2.1 應用背景及難點 126
7.2.2 焊具材料選擇與結構設計 127
7.2.3 工藝與承載性能 129
7.2.4 焊縫成形與微觀組織 130
7.2.5 接口冶金結合特徵 132
7.2.6 外源輔助攪拌摩擦焊 133
7.3 鋁/鈦異種金屬攪拌摩擦焊 135
7.3.1 應用背景及難點 135
7.3.2 連接方式設計 135
7.3.3 焊縫成形與微觀組織 135
7.3.4 工藝窗口與力學性能 138
7.4 鋁/銅異種金屬攪拌摩擦焊 140
7.4.1 應用背景及難點 140
7.4.2 接頭設計及工藝參數 141
7.4.3 焊縫成形與微觀組織 142
7.4.4 金屬間化合物的形成與控制 147
7.5 鋁/鎂異種金屬攪拌摩擦焊 149
7.5.1 應用背景及難點 149
7.5.2 連接方式設計 150
7.5.3 焊縫成形與微觀組織 151
7.5.4 接頭連接機制 153
7.5.5 金屬間化合物的形成與控制 156
7.6 本章小結 160
參考文獻 161
第8章 熱塑性聚合物基複合材料攪拌摩擦焊 162
8.1 概述 162
8.2 熱塑性複合材料FSW工藝 163
8.2.1 焊接工藝 163
8.2.2 材料流動行為 165
8.2.3 力學性能 166
8.2.4 焊接缺陷 168
8.2.5 聚合物攪拌摩擦焊新方法 170
8.3 金屬與熱塑性複合材料FSW 175
8.3.1 機械咬合 175
8.3.2 表面預處理與黏結機制 176
8.3.3 金屬與聚合物FSW的限制 178
8.3.4 金屬與聚合物無匙孔攪拌摩擦點焊 178
8.4 本章小結 179
參考文獻 180
第9章 攪拌摩擦焊模擬模擬技術 182
9.1 概述 182
9.2 攪拌摩擦焊數值模擬基本理論 182
9.2.1 傳熱分析 182
9.2.2 應力應變 185
9.2.3 材料流動 185
9.2.4 微觀組織 186
9.3 攪拌摩擦焊溫度及流場分析 188
9.3.1 溫度場分析 188
9.3.2 流場分析 189
9.3.3 缺陷分析 191
9.4 攪拌摩擦焊應力及變形分析 194
9.4.1 殘餘應力分析 194
9.4.2 變形分析 197
9.5 微觀組織演變分析 199
9.6 本章小結 201
參考文獻 201
第10章 機器人攪拌摩擦焊 202
10.1 概述 202
10.2 機器人攪拌摩擦焊發展史 202
10.3 機器人攪拌摩擦焊技術特徵 206
10.4 機器人攪拌摩擦焊系統組成與結構 211
10.5 機器人攪拌摩擦焊應用 216
10.6 本章小結 218
參考文獻 218

第1章 緒論
1.1 概述
焊接是一種通過加熱或加壓或兩者並用，使工件達到原子或分子間冶金結合的加工方法。通過焊接，被焊工件不僅在宏觀上建立了永久性的聯繫，而且在微觀上建立了原子/分子尺度的內在聯繫。幾乎所有的產品，從幾十萬噸的巨輪到不足1g的微電子元件，在生產製造中都不同程度地應用焊接技術。焊接已經滲透到製造業的各個領域，直接影響到產品的質量、可靠性和壽命以及生產的成本、效率和市場反應速度。
現代焊接已不再是一種單純意義上的加工方法，它已經發展成為集材料、機械、力學、電子、控制等多種學科為一體的綜合性學科知識體系。焊接過程複雜、發展迅速、應用廣泛，在國民經濟的發展中扮演著重要角色，有著無法取代的地位和作用。
一般認為焊接技術包括熔化焊、釺焊和固相焊接三類焊接方法。其中，固相焊接能夠實現傳統熔化焊難以可靠連接的新材料的焊接，成為焊接領域的研究熱點。攪拌摩擦焊(Friction Stir Welding，FSW)作為一種綠色無污染的固相焊接技術，被譽為“繼激光焊後又一次革命性的焊接技術”。
1.2 攪拌摩擦焊的由來與發展
攪拌摩擦焊技術是由英國焊接研究所(The Welding Institute，TWI)的工程師 Wayne Thomas於1991年發明的一種新型固相連接與加工技術，並於當年的12月在英國申請了首個專利。研究初期，這項進展僅僅被認為是一個“試驗室內的創新”，但是很快就在鋁及鋁合金產品的焊接方面顯示出了非常明顯的優勢。這為焊接技術開闢了一個嶄新的領域，傳統意義上不具有可焊接性的2系列和7系列鋁合金都可以通過攪拌摩擦焊來實現高效高質量的連接。在整個攪拌摩擦焊過程中不需要焊絲、保護氣等耗材。厚度為0.5～100mm的鋁合金板材可以單面焊透且焊縫內不會產生氣孔。目前，所有的鋁、銅、鎂、鉛和鋅及其合金都已經成功地利用攪拌摩擦焊技術實現連接，因此攪拌摩擦焊被認為是近三十年來材料連接領域最重要的發明。圖1-1分別為世界第一臺和中國高校第一臺攪拌摩擦焊設備。
作為一種固相連接方法，攪拌摩擦焊的焊接過程簡單、效率高、無污染，接頭成形質量高、殘餘應力與變形小，而且便於實現機械化、自動化，目前已經廣泛應用於航空航太、船舶、汽車、化工及電子等工業領域。攪拌摩擦焊一般用於板材、型材和圓筒等構件的焊接。除了最常用的對接接頭，搭接、 T形、角接等接頭形式也得到了廣泛的研究，並在不等厚材料的焊接和多層材料的焊接中得到應用。圖1-2為攪拌摩擦焊技術早期的典型應用。
隨著攪拌摩擦焊在鋁、鎂等低熔點金屬及其合金焊接中的廣泛應用以及技術的成熟，為滿足生產發展和工程應用中的實際需要，通過對焊具結構及材料進行優化，攪拌摩擦焊已經成功應用於銅、鈦、鐵、鎳等高熔點金屬及其合金的焊接。
圖1-1 最早期的FSW設備
異種材料連接結構具有兩種材料綜合的優異性能，可滿足不同工作條件對材料的要求。攪拌摩擦焊具有熱輸入量低、高溫停留時間短、焊接變形小等一系列特點，對克服異種材料之間由於性能差異導致的連接困難具有一定優勢，已成為異種材料焊接的熱點研究問題。
攪拌摩擦焊過程具有強熱機耦合、大塑性變形的特點，過程中總是存在著劇烈的材料剪切和流動作用及溫度變化過程，很多物理過程和機制通過試驗手段難以進行直觀的觀測與研究。數值模擬的方法不僅降低了成本，而且可以對整個焊接過程進行動態觀測，對實際生產過程有重要的參考價值，成為研究攪拌摩擦焊流動過程及參數優化的重要手段。
傳統的攪拌摩擦焊設備主體結構形式與數控機床類似，但隨著現代工業對生產自動化和設備智能化的要求越來越高，生產單位開始將工業機器人系統與先進攪拌摩擦焊裝備集成。機器人攪拌摩擦焊不僅能夠提高自動化生產線的生產效率，而且能夠使攪拌摩擦焊適用於複雜結構的焊接，成為攪拌摩擦焊的熱門發展方向。
圖1-2 FSW技術早期的典型應用
1.3 攪拌摩擦焊工藝簡介
1.工藝過程
攪拌摩擦焊過程原理如圖1-3所示。攪拌摩擦焊過程會導致焊縫橫截面的不對稱，通常將焊具切向速度沿焊接方向的一側稱為前進側(Advancing Side，AS)，而焊具切向速度與焊接方向相反的一側稱為後退側(Retreating Side，RS)。首先將被焊工件固定在工作平臺上，以一定速度旋轉的焊具在軸向壓力的作用下紮入工件中，直至焊具的軸肩與工件表面接觸。由於焊具的強度和硬度大於工件，攪拌針劇烈的攪拌和摩擦作用產生的變形熱與摩擦熱能夠引起材料的軟化和塑性變形，攪拌針周圍的材料不斷地攪拌和混合，伴隨著焊具的移動，後退側軟化的材料不斷地對前進側形成的暫態空腔進行填充。工件由底部墊板和工裝夾具牢固固定，並受到焊具軸肩的頂鍛壓力，因此能夠實現焊縫緻密連接。
圖1-3 FSW過程原理示意圖
2.可焊材料
在工程上所有有色金屬都可以用攪拌摩擦焊方法來實現焊接，有色金屬指的是鋁、銅、鎂、鋅、鉛等及其合金。針對低碳鋼、不銹鋼和鈦合金等高硬度和高熔點金屬的試驗也在持續開展，就目前而言，鈦及鈦合金的焊接可能是最有前景的。另外，針對鋼的攪拌摩擦焊接也已經做了廣泛的研究，大部分研究結果都是採用聚晶立方氮化硼(PCBN)材料製作的焊具焊接的。
3.主要參數
攪拌摩擦焊過程中所涉及的主要參數包括焊接速度(焊速)(v，mm/min)、旋轉速度(轉速)(ω，r/min)、下壓量/紮入深度(h，mm)、偏移量和傾斜角度(傾角)(θ，(°))等，其中主要的兩個參數是焊接速度和旋轉速度，焊接速度減慢、旋轉速度加快都能夠增加焊接過程中的熱輸入，進而影響接頭質量。在焊接過程中，只有各個參數相互協調，才能獲得完整的焊接接頭。
4.優點與問題
與傳統熔化焊相比，攪拌摩擦焊過程中材料溫度一般不超過待焊材料的熔點 Tm，因此接頭不會產生因材料熔化而形成的裂紋、氣孔和合金元素燒損的焊接缺陷；焊接前無須對工件進行複雜的預處理，焊後的殘餘應力和變形小；焊接過程中不需要填充材料和保護氣體，不會產生弧光輻射、煙塵等，所以攪拌摩擦焊是一種經濟、高效、綠色的固相焊接技術。
但是，攪拌摩擦焊也存在著一些不足，例如，焊接過程中需要施加足夠大的頂鍛壓力和行進驅動力，通常情況下焊縫背部需剛性支撐且易出現背部弱連接，導致接頭強度降低；焊縫減薄導致有效承載厚度減少，引起焊縫邊緣產生應力集中和飛邊缺陷；由於焊具的回抽，焊縫尾部的收焊處不可避免地產生匙孔缺陷，造成“木桶效應”，降低焊縫力學性能；與弧焊相比，攪拌摩擦焊技術對工裝設備要求較高，較難實現複雜結構的焊接。
1.4 焊具與設備
1.焊具
焊具是攪拌摩擦焊的核心部件，被稱為攪拌摩擦焊技術的“心臟”，是攪拌摩擦焊過程中的唯一耗材，對焊縫成形起決定性作用。焊具的幾何形狀在材料流動中起著至關重要的作用，因此受到了研究人員的極大重視。常規焊具如圖1-4所示，焊具分為三個部分，分別是夾持柄、軸肩和攪拌針，其中最重要的是攪拌針和軸肩兩部分。
圖1-4 焊具的基本結構及組成
焊具有兩個主要功能：一是起到局部加熱的作用，在焊具壓入被焊工件的初始階段，熱量主要來自攪拌針與工件之間的摩擦，另外一部分的熱量由材料塑性變形提供。在軸肩接觸工件後，軸肩和工件之間的摩擦成為熱量最主要的來源。二是起到攪拌作用，促進周圍軟化材料的流動。
焊具的幾何設計決定了焊縫的微觀組織、力學性能以及工藝參數。通常所使用的焊具採用內凹式軸肩和圓柱螺紋攪拌針。隨著經驗的積累和對材料流動認識水準的提高，焊具的幾何結構設計有了很大的發展，通過改變軸肩和攪拌針的形狀能夠改變熱輸入與材料流動行為。
2.設備
相比於傳統的焊接方法，攪拌摩擦焊在焊接工藝、焊縫性能、生產環境和製造成本等方面具有優勢。同時，作為一種高度機械化的焊接方法，攪拌摩擦焊可以實現焊接過程中參數的精確控制，同時便於與其他輔助設備進行整合，拓寬攪拌摩擦焊的應用範圍。因此，各工業部門開始廣泛使用攪拌摩擦焊，並將先進的機械、液壓、測控及計算機技術整合到攪拌摩擦焊設備中。
攪拌摩擦焊設備是進行攪拌摩擦焊的基礎，用於固定被焊工件、夾持焊具以及加裝其他輔助設備。攪拌摩擦焊設備一般由主機、焊接工裝、控制系統、液壓系統和冷卻系統等組成。隨著技術的發展和焊接物件的變化，攪拌摩擦焊設備也越來越多樣化，出現了立式、臥式、龍門式、懸臂式等比較典型的設備類型。
1.5 接頭形貌與焊接缺陷
1.接頭形貌
焊接參數、焊具、工件材料的原始組織和溫度分佈等因素的差異都會影響接頭的微觀組織特徵。圖1-5為典型的鋁合金攪拌摩擦焊的對接接頭，包括焊核區(Weld Nugget Zone，WNZ)、熱機影響區(Thermo-Mechanically Affected Zone，TMAZ)、熱影響區(Heat Affected Zone，HAZ)和母材(Base Material， BM)。在焊接過程中，焊核區塑性變形程度和產生的摩擦熱都是最高的，因此該區域的晶粒轉變為細小的等軸晶粒；熱機影響區位於焊核區和熱影響區之間，不與攪拌針發生直接接觸但仍發生了一定程度的塑性變形，同時受到焊接熱迴圈作用，因此熱機影響區晶粒由部分動態再結晶晶粒和受熱粗化的晶粒共同組成；熱影響區處在熱機影響區和母材之間，該區域不發生任何塑性變形但受到焊接熱迴圈的影響，因此晶粒明顯長大。
圖1-5 鋁合金攪拌摩擦焊對接接頭分區
2.焊接缺陷
作為一種固相連接技術，攪拌摩擦焊接頭內部不會出現熔化焊產生的氣孔和熱裂紋等缺陷。但是，當焊接參數選擇不合理或者操作不當時，會引起熱輸入量不夠或者內部塑性材料流動不充分，往往會導致飛邊、溝槽、隧道和未焊合等缺陷。攪拌摩擦焊接頭中的缺陷通常採用金相觀察、超聲檢查以及 X射線檢查等方法進行檢測。
飛邊缺陷出現在焊縫表面，通常是由於焊接壓力過大而導致較多的塑性材料從軸肩兩側擠出，冷卻後形成的一種缺陷；溝槽缺陷通常位於前進側焊縫表面，是焊具在對接板表面機械攪動後未形成連接的一種嚴重缺陷；隧道缺陷位於接頭前進側的中下部以及焊縫表面附近，其形成原因主要是焊接過程熱輸入量不足，材料流動不夠充分；未焊合是指在焊縫底部未形成連接或不完全連接而出現的裂紋狀缺陷，通常攪拌針長度不足或焊接壓力過小時容易形成根部未焊合缺陷。
1.6 攪拌摩擦焊技術創新
針對攪拌摩擦焊所存在的一些不足，研究人員展開了一系列的創新性研究，並衍生了一些新技術。為了解決傳統攪拌摩擦焊存在的底部需要剛性支撐、尾部匙孔和表面焊縫減薄等固有問題，一系列改進技術相繼提出並得到應用。雙軸肩攪拌摩擦焊(Bobbin Tool Friction Stir Welding，BT-FSW)能夠有效降低設備的軸向載荷、工件背部無須剛性支撐，有效消除焊縫根部缺陷及未焊透缺陷；自支撐攪拌摩擦焊(Self-Support Friction Stir Welding，S-SFSW)能夠克服鋁合金中空及密閉結構在無剛性墊板支撐條件下常規攪拌摩擦焊技術難以焊接、常規熔化焊方法焊接變形大的問題；靜止軸肩攪拌摩擦焊(Stationary Shoulder Friction Stir Welding，SSFSW)能夠限制塑性金屬從焊縫擠出，保證接頭基本與母材等厚，消除了飛邊缺陷。此外，零下壓量攪拌摩擦焊、焊前增材/減材攪拌摩擦焊、微減薄攪拌摩擦焊、攪拌摩擦點焊與塞焊、耗材攪拌摩擦焊等相繼被提出，可行性也都得到了初步的驗證。
通過將機械連接和攪拌摩擦焊技術相結合，在冶金連接的基礎上進一步整合了機械互鎖行為，實現了機械互鎖與冶金反應的協同連接，發展出了自鉚接攪拌摩擦焊、外源鉚接攪拌摩擦焊等機械連接輔助的攪拌摩擦焊技術。通常用於連接物化性質、熔點、變形能力、熱膨脹係數等