载流-搅拌摩擦焊接热效应及其组织结构变化规律

第1章 绪论1

1.1 搅拌摩擦焊接原理1

1.2 搅拌摩擦焊接特点1

1.3 接头形式及焊接材料3

1.4 搅拌摩擦焊接专利许可与授权6

1.5 搅拌摩擦焊接技术应用8

1.5.1 搅拌摩擦焊接技术在造船业的应用8

1.5.2 搅拌摩擦焊接技术在铁道车辆制造上的应用10

1.5.3 搅拌摩擦焊接技术在飞机制造业的应用11

1.5.4 搅拌摩擦焊接技术在航天制造业的应用14

1.5.5 搅拌摩擦焊接技术在其他工业方面的应用17

1.6 搅拌摩擦焊接技术的常用术语18

1.7 小结19

第2章 搅拌头与搅拌摩擦焊接设备20

2.1 搅拌头的研制与开发20

2.1.1 搅拌头的构成20

2.1.2 搅拌头材料选择21

2.1.3 搅拌头形状设计28

2.1.4 工程用常见搅拌头37

2.1.5 搅拌头的改进措施39

2.2 搅拌摩擦焊接设备40

2.2.1 搅拌摩擦焊接设备分类40

2.2.2 搅拌摩擦焊接设备结构43

2.2.3 常见搅拌摩擦焊接设备简介53

2.3 小结59

第3章 铝合金搅拌摩擦焊接工艺60

3.1 焊接工艺参数60

3.1.1 搅拌头旋转速度60

3.1.2 焊接速度67

3.1.3 焊接压力77

3.1.4 焊接线能量78

3.1.5 焊接扭矩和焊接能量83

3.2 影响焊接接头性能的工程因素86

3.2.1 焊接间隙87

3.2.2 板厚差88

3.2.3 板材表面处理状态90

3.2.4 搅拌头偏移量91

3.3 理想的参数规范93

3.3.1 旋转速度与焊接速度参数范围93

3.3.2 焊接装配范围98

3.3.3 铝合金常用焊接规范102

3.4 小结103

第4章 铝合金搅拌摩擦焊接接头组织及力学性能104

4.1 搅拌摩擦焊接接头组织104

4.1.1 焊缝外观形貌104

4.1.2 搅拌摩擦焊接接头宏观组织104

4.1.3 搅拌摩擦焊接接头微观组织109

4.2 铝合金搅拌摩擦焊接接头力学性能117

4.2.1 铝合金搅拌摩擦焊接接头性能优势117

4.2.2 常见搅拌摩擦焊接接头力学性能119

4.2.3 接头力学性能各层异性123

4.3 接头显微硬度127

4.3.1 典型铝合金搅拌摩擦焊接接头显微硬度127

4.3.2 焊接工艺参数对接头显微硬度的影响133

4.3.3 接头显微硬度的各层异性134

4.4 接头断口分析137

4.5 小结144

第5章 搅拌摩擦焊接缺陷定义及分类145

5.1 表面缺陷145

5.1.1 飞边145

5.1.2 匙孔147

5.1.3 表面下凹147

5.1.4 毛刺148

5.1.5 起皮150

5.1.6 背部粘连151

5.1.7 表面犁沟152

5.1.8 背部间隙153

5.2 内部缺陷154

5.2.1 未焊透缺陷155

5.2.2 弱结合缺陷156

5.2.3 孔洞型缺陷158

5.2.4 结合面氧化物残留162

5.3 搅拌摩擦焊接接头缺陷产生机理163

5.4 小结167

第6章 搅拌摩擦焊接接头缺陷检测技术168

6.1 剖切检查169

6.2 X射线无损检测169

6.2.1 X射线无损检测原理169

6.2.2 X射线无损检测特点171

6.2.3 X射线无损检测实例172

6.3 超声波反射法无损检测173

6.3.1 常规超声波检测及实例173

6.3.2 变角度超声波无损检测及实例177

6.3.3 超声波检测特点181

6.4 相控阵超声波无损检测181

6.4.1 相控阵超声波无损检测与传统超声波检测

技术的区别182

6.4.2 相控阵超声波无损检测技术的基本原理183

6.4.3 相控阵超声波声束扫描模式184

6.4.4 相控阵超声波无损检测技术特点186

6.4.5 相控阵超声波无损检测设备187

6.4.6 相控阵超声波无损检测技术应用实例188

6.5 小结191

第7章 搅拌摩擦焊接接头缺陷修补技术192

7.1 搅拌摩擦补焊192

7.2 摩擦塞补焊194

7.2.1 摩擦塞补焊原理194

7.2.2 摩擦塞补焊分类196

7.2.3 摩擦塞补焊工艺197

7.2.4 摩擦塞补焊接头组织206

7.2.5 摩擦塞补焊在搅拌摩擦焊接接头缺陷修补

中的应用209

7.2.6 摩擦塞补焊缺陷与防止措施211

7.3 小结214

第8章 搅拌摩擦焊接温度场215

8.1 搅拌摩擦焊接温度场检测216

8.1.1 焊接材料种类对温度场的影响216

8.1.2 焊接材料厚度对温度场的影响219

8.1.3 工艺参数对温度场的影响222

8.2 搅拌摩擦焊接过程温度场数值模拟222

8.2.1 不考虑搅拌针产热的热源模型223

8.2.2 考虑搅拌针产热的热源模型226

8.3 小结240

第9章 搅拌摩擦焊缝金属流动试验及数值模拟241

9.1 焊缝金属流动试验241

9.1.1 异种材料焊接241

9.1.2 急停技术244

9.1.3 嵌入标记材料245

9.1.4 典型铝合金搅拌摩擦焊缝金属流动实例250

9.2 搅拌摩擦焊缝金属流动数值模拟258

9.2.1 数值模拟简介258

9.2.2 典型铝合金搅拌摩擦焊缝金属流动数值模拟262

9.3 小结266

第10章 搅拌摩擦焊接技术的发展267

10.1 高熔点金属的搅拌摩擦焊接技术267

10.1.1 搅拌头材料选择268

10.1.2 搅拌头结构设计272

10.1.3 焊接设备要求275

10.1.4 典型高熔点金属搅拌摩擦焊接275

10.2 复合热源搅拌摩擦焊接技术284

10.2.1 以激光为辅助热源的复合搅拌摩擦焊接技术284

10.2.2 以等离子弧为辅助热源的复合搅拌摩擦焊接技术286

10.3 搅拌摩擦点焊288

10.3.1 搅拌摩擦点焊的基本原理289

10.3.2 搅拌摩擦点焊特点292

10.3.3 搅拌摩擦点焊工艺294

10.3.4 搅拌摩擦点焊焊接设备306

10.3.5 搅拌摩擦点焊技术的应用310

10.4 小结312

参考文献313

搅拌摩擦焊接技术是英国焊接研究所于1991年发明的一种固相连接新技术，被称为继激光焊以来的一场焊接革命。与传统熔化焊相比，搅拌摩擦焊接具有接头缺陷少、质量高、变形小，以及焊接过程绿色、无污染等显著优点，在航空、航天、船舶、核工业、交通运输等工业制造领域具有广阔的应用前景。国内外都积极开展了搅拌摩擦焊接技术研究工作，也获得了一定的研究成果，这些研究成果主要以期刊论文、学术报告、会议文档、内部资料等形式存在， 还没有有关搅拌摩擦焊接技术的专著问世。随着铝合金搅拌摩擦焊接技术的快速发展，亟须将这些研究成果进行归纳总结、梳理提炼， 形成较完整的铝合金搅拌摩擦焊接技术体系，指导搅拌摩擦焊接技术的实际工程应用。

从2001年开始，作者所在的搅拌摩擦焊接团队就紧密跟踪国际技术前沿，在国内开展了搅拌摩擦焊接技术研究及应用工作，先后完成了多项国家、中国航天科技集团公司以及本单位的相关研究课题，在搅拌摩擦焊接技术及工艺工程化应用方面取得了丰硕成果， 曾获得国防科学技术进步二等奖2项，申报国家、国防发明专利12项，完成5项航天行业标准的编制，形成了相对完整的搅拌摩擦焊接技术体系。完成编制的航天行业标准包括系列化工程用搅拌头、搅拌摩擦焊接技术、接头检测技术、缺陷修补技术，以及指导焊接生产的相关工艺规范(《铝合金搅拌摩擦焊工艺规范》、《铝合金搅拌摩擦焊相控阵超声波检测方法》、《铝合金摩擦塞补焊工艺规范》)和验收标准(《铝合金搅拌摩擦焊技术条件》、《铝合金摩擦塞补焊技术条件》)。

本书就是在总结和提炼上述课题研究成果和实际工程应用经验的基础上，参考国内外铝合金搅拌摩擦焊接技术的最新研究进展， 结合搅拌摩擦焊接技术发展趋势而编著的一部专用于铝合金搅拌摩擦焊接的著作。全书以铝合金的搅拌摩擦焊接工艺技术为主线，围绕技术实际工程应用，较为系统地分析了搅拌摩擦焊接技术的特点 以及该技术在国内外各领域的应用现状，阐述了搅拌头的研制与开发，搅拌摩擦焊接头组织和力学性能，接头缺陷种类、定义、产生原因及缺陷检测手段、缺陷修补技术等内容，并且针对搅拌摩擦焊接机理，较为详细地论述了通过试验和数值模拟两种手段分析搅拌摩擦焊接接头温度场以及焊缝内部塑性金属流动的方法，最后简要概述了搅拌摩擦焊接技术的最新发展状况，包括复合搅拌摩擦焊、搅拌摩擦点焊等最新焊接技术。

本书的特点主要有两个。1)学术性。本书采用了前期课题研究所获得的大量成果，书中论述的铝合金搅拌摩擦焊接头组织特征、缺陷成因与预防、焊接过程机理分析等内容都是在课题研究成果的基础上总结提炼的，具有一定的学术水平和理论价值;2)实用性。本书所采用的大量数据都是作者所属团队在实际搅拌摩擦焊接技术推广应用过程中，通过大量试验研究获得的，并经过实际产品的验证，如焊接工程影响因素分析、焊接工艺参数优化范围、缺陷影响因素等。这些工程数据不同于实验室试验数据，它们取自工程应用一线，考虑了实际应用中的各种状况，真实反映了搅拌摩擦焊工程化应用情况，并且已形成相应的搅拌摩擦焊接标准，这些数据可直接用于搅拌摩擦焊接工艺工程化应用推广，具有一定的工程应用价值。

本书的完成是作者所在的研究团队集体智慧的结晶，除作者之外，团队中的杜岩峰、刘景铎、张丽娜等同志在课题研究过程中做了大量的工作，在铝合金搅拌摩擦焊接工艺优化、搅拌头和搅拌摩擦焊接设备研制、焊接接头缺陷研究及缺陷修补等方面作出了重要贡献，为本书提供了大量的基础数据;张引、刘伟、李华强等同志为本书搅拌摩擦焊接缺陷检测技术研究提供了相控阵超声波检测方面的资料。北京科技大学的张华老师参与了本书第8章"搅拌摩擦焊接温度场"的编写工作。在课题研究过程中得到了首都航天机械公司孟凡新、刘宪力、孙忠绍、白景彬、周世杰、郝文龙、刘琦、佟琦等各位领导的大力支持和帮助，在此一并表示感谢。同时还要感谢哈尔滨工业大学的吴林教授、林三宝副教授，北京航空航天大学的张彦华教授，他们对本书的编写工作也给予了大力支持。此外， 本书的完成，参考了国内外最新研究成果，在此向相关的作者表示衷心的感谢，特别是某些文献未找到原始出处，在此也向相关作者表示诚挚的谢意。

本书汇集了前期大量课题研究成果，在此向提供课题资金资助的相关单位领导表示感谢。

本书作为国内第一部介绍搅拌摩擦焊接技术的专业著作，可供从事铝合金搅拌摩擦焊接技术科研和生产的相关人员参考，也可作为高等院校焊接及相关专业的研究生和本科高年级学生的辅助教材。

希望本书能在完善搅拌摩擦焊接技术的理论体系，进一步推进搅拌摩擦焊接技术发展，以及推广工程化应用等方面作出一定的贡献。限于作者的学识和经验，书中的缺点错误在所难免，殷切希望读者批评指正。