紫铜高转速搅拌摩擦焊接工艺研究(附件)【字数：15155】
摘 要摘 要作为一种新型的固相连接技术，搅拌摩擦焊具有绿色环保，焊接效率高，操作简单等特点，因其无需填充材料且热输入比熔化焊低，所以可以避免熔化焊中遇到的多种缺陷。同时对于焊接性差的金属材料也具有很强的优势。本文在不同焊接工艺条件下（旋转速度，焊接速度）对1mm紫铜进行了高转速搅拌摩擦焊接的研究。实验结果表明紫铜高转速搅拌摩擦焊的焊接接头在搅拌头转速为12000rpm，焊接速度为90mm/min的焊接参数条件下成形良好，且无飞边、无氧化，焊缝的颜色与母材基本相似。当焊接速度降低或者搅拌头旋转速度提高时均会产生飞边缺陷或者被严重氧化等问题。当焊接速度提高，旋转速度不变的情况下易产生沟槽缺陷。在显微组织观察中，焊缝微观组织中焊核区晶粒更加细小。热影响区组织晶粒粗大，且后退侧晶粒大于前进侧晶粒。与铝合金不同，在焊缝的显微组织中几乎看不到热机影响区的存在。焊缝的维氏硬度值大约在70HV左右，其硬度基本可达母材硬度的80%左右。最低硬度值分布在焊核区两侧的热影响区范围内。焊核区的显微硬度大于热影响区且小于母材区。整体硬度趋势图呈W型。在拉伸试验中，当焊接参数在12000rpm，90mm/min时，获得的抗拉强度最高的焊缝接头，其强度可达母材强度的70%左右。当焊接参数过高或过低都使接头抗拉强度下降。尤其是当焊缝中存在沟槽缺陷时，焊缝抗拉强度降低。焊接过程中前进阻力峰值为118N，平稳焊接过程中前进阻力约为80N。关键词紫铜；高转速；搅拌摩擦焊，工艺参数。
目 录
第一章 绪 论 1
1.1选题背景及意义 1
1.2搅拌摩擦焊 1
1.2.1搅拌摩擦焊原理 1
1.2.2搅拌摩擦焊特点 2
1.2.3搅拌摩擦焊的应用 3
1.3高转速搅拌摩擦焊 4
1.4紫铜搅拌摩擦焊 5
1.4.1紫铜焊接存在的问题 5
1.4.2紫铜搅拌摩擦焊现状 5
1.5研究内容与目的 6
1.5.1研究内容 6
1.5.2研究目的 6
第二章 试验材料、设备及方法 8
2.1试验材料 8
2.2试验设备 8
2.2.1微型高转速搅拌摩擦焊机 8
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
2.2.2搅拌头 10
2.2.3试样制备 11
2.3试验方案 13
2.3.1焊前准备 13
2.3.2焊接工艺参数选择 14
2.3.3焊接接头质量分析 16
2.3.4焊接过程前进阻力分析 16
第三章 紫铜试验结果及分析 17
3.1引言 17
3.2实验结果与分析 17
3.2.1焊接工艺参数对焊接接头宏观形貌的影响 17
3.2.2显微组织金相分析 19
3.2.3试样显微硬度分析 20
3.2.4试样拉伸性能分析 21
2.3.4焊接过程中前进阻力的分析 22
结 论 24
致 谢 25
参考文献 26
绪 论
1.1选题背景及意义
铜作为人类使用最早的金属，在人类历史上有着举足轻重的地位[12]。纯铜的颜色为紫红色，又称为紫铜。因其具有良好的物理和化学性能，因此在工业中被广泛应用。所以，铜的焊接性及焊接方法就显得尤为重要。目前，对紫铜的焊接主要是熔化焊和钎焊。但由于铜具熔点高，导电性好等特殊物理性能，铜的焊接仍存在多种问题。
作为一种新型的固态塑性连接技术，搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding,简称FSW）于上个世纪九十年代初由英国焊接研究所（The Welding Institute,TWI）发明使用。搅拌摩擦焊的发明为铜的焊接提供了广泛前景[34]。目前主要研究的仍是铝及铝合金，在国内外对于铜及铜合金的研究相对较少。而在对铜的焊接研究中对于低转速的研究甚多，对于高转速搅拌摩擦焊的研究极为稀少。在此本文针对常用的T2紫铜材料进行高转速FSW焊接工艺试验。在选择不同旋转速度，焊接速度的条件下，对其接头成形，组织形态及焊接接头的力学性能进行分析[5]。
1.2搅拌摩擦焊
1.2.1搅拌摩擦焊原理
搅拌摩擦焊(FSW)是1991年由英国焊接研究所(TWI)发明的，使用一个非损耗或难于损耗的圆柱形搅拌头，旋转插入被夹具紧固的待焊工件焊缝处，通过旋转摩擦产生的热量使得工件焊缝处金属软化，在搅拌头和轴肩施压的共同作用下前进侧的金属向后退侧堆积，后退侧的金属填向搅拌针行走时留下的空腔，以此完成整个焊接过程[67]。FSW的原理如图11所示：
/
图11 FSW焊接原理示意图
搅拌摩擦焊的工艺参数包括：焊接速度（搅拌头沿着焊接方向行走的速度）、搅拌头旋转速度、轴肩下压量（轴肩从试件表面下压的垂直距离）、搅拌头倾角（搅拌头轴线与工件表面法线的夹角）。
1.2.2搅拌摩擦焊特点
与传统的熔化焊相比，搅拌摩擦焊没有涉及到母材的融化，因此它具有固相连接的优势，从原则上，搅拌摩擦焊可焊热裂纹敏感的材料，比如异种材料的焊接；施焊前无需开坡口，焊接时不需要保护气，所以整个焊接过程高效、节能；焊后因为热输入相对集中，工件残余应力小，不易变形，所以接头综合性能优良；焊接过程无弧光，无需填充焊丝，因此不产生烟尘与飞溅，相对比传统熔化焊来说安全、环保；与传统焊机相比，搅拌摩擦焊接设备结构相对简单没有送丝机构、送气机构等，因为操作过程方便易于实现机械化、自动化，对作业环境要求低；同时只要有合适的搅拌头，FSW能够实现多种情况的焊接，能一次完成较长焊缝、大截面、不同位置的焊接，适用范围广泛[89]。
搅拌摩擦焊接过程中搅拌头附近材料的流动由两部分组成：（1）搅拌头前进侧金属材料由于搅拌针摩擦迅速软化并螺旋进入搅拌针前方搅拌区域，并在后侧形成螺旋状的焊缝；（2）搅拌针后退侧材料填充至搅拌针行走后留下的空腔。由此便形成完整焊缝[10]。
尽管如此，搅拌摩擦焊在实际焊接中仍存在许多问题：
焊接工件必须刚性固定,因此对工件夹持的要求就比较高，对于一些难于夹持的特殊位置，焊接效果不是很好;
焊接结束搅拌头会在焊缝端头形成一个孔，难以对焊缝进行修补：
针对不同材料，不同位置的焊接，需要设计使用不同尺寸、不同材料的搅拌头，否则会造成搅拌头的严重损毁；
焊接参数，焊接过程要严格监管，工具设计、过程参数和机械性能数据只在有限的范围内；
在特殊情况下中要考虑腐蚀性能、残余应力和变形，性能需进一步提高。
1.2.3搅拌摩擦焊的应用
FSW最早是应用于1.2mm～12.5mm铝及铝合金的材料焊接。随着科技的发展，已经可以成功焊接12.5～25mm的铝材焊接。目前TWI可以实现单面50mm，双面70mm的铝合金材料焊接。可以说针对铝材的焊接已经相对成熟，几乎可以焊接所有类型的铝材。另外，对于镁、锌、铜、铅等金属的合金以及铝基复合材料等材料，搅拌摩擦焊也是优先选择的焊接方法。目前，在对于不锈钢、低碳钢等材料方面搅拌摩擦焊也成功地实现了对于这些材料的连接[1112]。
FSW已成功实现了铝合金、镁合金构件的大规模生产，作为轻合金的首选技术，已从技术研究向更高级的工程化、工业化迈步。并且在一系列产业中崭露头角。如：航天航空制造业、造船业、轨道交通以及其他制造业[1317]。
目 录
第一章 绪 论 1
1.1选题背景及意义 1
1.2搅拌摩擦焊 1
1.2.1搅拌摩擦焊原理 1
1.2.2搅拌摩擦焊特点 2
1.2.3搅拌摩擦焊的应用 3
1.3高转速搅拌摩擦焊 4
1.4紫铜搅拌摩擦焊 5
1.4.1紫铜焊接存在的问题 5
1.4.2紫铜搅拌摩擦焊现状 5
1.5研究内容与目的 6
1.5.1研究内容 6
1.5.2研究目的 6
第二章 试验材料、设备及方法 8
2.1试验材料 8
2.2试验设备 8
2.2.1微型高转速搅拌摩擦焊机 8
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
2.2.2搅拌头 10
2.2.3试样制备 11
2.3试验方案 13
2.3.1焊前准备 13
2.3.2焊接工艺参数选择 14
2.3.3焊接接头质量分析 16
2.3.4焊接过程前进阻力分析 16
第三章 紫铜试验结果及分析 17
3.1引言 17
3.2实验结果与分析 17
3.2.1焊接工艺参数对焊接接头宏观形貌的影响 17
3.2.2显微组织金相分析 19
3.2.3试样显微硬度分析 20
3.2.4试样拉伸性能分析 21
2.3.4焊接过程中前进阻力的分析 22
结 论 24
致 谢 25
参考文献 26
绪 论
1.1选题背景及意义
铜作为人类使用最早的金属，在人类历史上有着举足轻重的地位[12]。纯铜的颜色为紫红色，又称为紫铜。因其具有良好的物理和化学性能，因此在工业中被广泛应用。所以，铜的焊接性及焊接方法就显得尤为重要。目前，对紫铜的焊接主要是熔化焊和钎焊。但由于铜具熔点高，导电性好等特殊物理性能，铜的焊接仍存在多种问题。
作为一种新型的固态塑性连接技术，搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding,简称FSW）于上个世纪九十年代初由英国焊接研究所（The Welding Institute,TWI）发明使用。搅拌摩擦焊的发明为铜的焊接提供了广泛前景[34]。目前主要研究的仍是铝及铝合金，在国内外对于铜及铜合金的研究相对较少。而在对铜的焊接研究中对于低转速的研究甚多，对于高转速搅拌摩擦焊的研究极为稀少。在此本文针对常用的T2紫铜材料进行高转速FSW焊接工艺试验。在选择不同旋转速度，焊接速度的条件下，对其接头成形，组织形态及焊接接头的力学性能进行分析[5]。
1.2搅拌摩擦焊
1.2.1搅拌摩擦焊原理
搅拌摩擦焊(FSW)是1991年由英国焊接研究所(TWI)发明的，使用一个非损耗或难于损耗的圆柱形搅拌头，旋转插入被夹具紧固的待焊工件焊缝处，通过旋转摩擦产生的热量使得工件焊缝处金属软化，在搅拌头和轴肩施压的共同作用下前进侧的金属向后退侧堆积，后退侧的金属填向搅拌针行走时留下的空腔，以此完成整个焊接过程[67]。FSW的原理如图11所示：
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图11 FSW焊接原理示意图
搅拌摩擦焊的工艺参数包括：焊接速度（搅拌头沿着焊接方向行走的速度）、搅拌头旋转速度、轴肩下压量（轴肩从试件表面下压的垂直距离）、搅拌头倾角（搅拌头轴线与工件表面法线的夹角）。
1.2.2搅拌摩擦焊特点
与传统的熔化焊相比，搅拌摩擦焊没有涉及到母材的融化，因此它具有固相连接的优势，从原则上，搅拌摩擦焊可焊热裂纹敏感的材料，比如异种材料的焊接；施焊前无需开坡口，焊接时不需要保护气，所以整个焊接过程高效、节能；焊后因为热输入相对集中，工件残余应力小，不易变形，所以接头综合性能优良；焊接过程无弧光，无需填充焊丝，因此不产生烟尘与飞溅，相对比传统熔化焊来说安全、环保；与传统焊机相比，搅拌摩擦焊接设备结构相对简单没有送丝机构、送气机构等，因为操作过程方便易于实现机械化、自动化，对作业环境要求低；同时只要有合适的搅拌头，FSW能够实现多种情况的焊接，能一次完成较长焊缝、大截面、不同位置的焊接，适用范围广泛[89]。
搅拌摩擦焊接过程中搅拌头附近材料的流动由两部分组成：（1）搅拌头前进侧金属材料由于搅拌针摩擦迅速软化并螺旋进入搅拌针前方搅拌区域，并在后侧形成螺旋状的焊缝；（2）搅拌针后退侧材料填充至搅拌针行走后留下的空腔。由此便形成完整焊缝[10]。
尽管如此，搅拌摩擦焊在实际焊接中仍存在许多问题：
焊接工件必须刚性固定,因此对工件夹持的要求就比较高，对于一些难于夹持的特殊位置，焊接效果不是很好;
焊接结束搅拌头会在焊缝端头形成一个孔，难以对焊缝进行修补：
针对不同材料，不同位置的焊接，需要设计使用不同尺寸、不同材料的搅拌头，否则会造成搅拌头的严重损毁；
焊接参数，焊接过程要严格监管，工具设计、过程参数和机械性能数据只在有限的范围内；
在特殊情况下中要考虑腐蚀性能、残余应力和变形，性能需进一步提高。
1.2.3搅拌摩擦焊的应用
FSW最早是应用于1.2mm～12.5mm铝及铝合金的材料焊接。随着科技的发展，已经可以成功焊接12.5～25mm的铝材焊接。目前TWI可以实现单面50mm，双面70mm的铝合金材料焊接。可以说针对铝材的焊接已经相对成熟，几乎可以焊接所有类型的铝材。另外，对于镁、锌、铜、铅等金属的合金以及铝基复合材料等材料，搅拌摩擦焊也是优先选择的焊接方法。目前，在对于不锈钢、低碳钢等材料方面搅拌摩擦焊也成功地实现了对于这些材料的连接[1112]。
FSW已成功实现了铝合金、镁合金构件的大规模生产，作为轻合金的首选技术，已从技术研究向更高级的工程化、工业化迈步。并且在一系列产业中崭露头角。如：航天航空制造业、造船业、轨道交通以及其他制造业[1317]。
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