哈工大刘会杰教授：利用倾斜针插入搅拌摩擦焊接头提高接头力学性能

【引言】

搅拌摩擦焊是一种固相连接技术，广泛应用在铝合金加工领域。由于搅拌摩擦焊在高速焊接时，工件厚度些许变化或者搅拌头的些许磨损都会使焊接接头根部形成吻接缺陷，而吻接缺陷很难通过检测到，对结构件的安全构成极大威胁。因此，采取措施消除吻接缺陷成为关键。

【成果简介】

近日，哈尔滨工业大学的刘会杰教授（通讯作者）在Materials Science and Engineering: A上发表了最新的研究成果“Improving mechanical properties of a joint through tilt probe penetrating friction stir welding”。在该文中，研究人员提出通过插入工件的倾斜的针来提高搅拌摩擦焊接头性能，并与传统的搅拌摩擦焊接头性能进行对比。

【图文导读】

图1 CFSW和PFSW原理图

（a）CFSW焊接方向的纵截面

（b）-（d）CFSW过程原理图

（e）PFSW焊接方向的纵截面

（f）静止轴肩

（g）-（i）PFSW过程原理图

图2 根部宏观组织和显微组织

（a）-（d）PFSW接头

（e）-（h）CFSW接头

图3 焊接速度为300mm/min时的EBSD图 

（a）PFSW接头

（b）CFSW接头

图4 焊接速度为300mm/min时的晶粒边界位错角分布图和统计结果

（a）PFSW接头晶粒边界位错角分布图

（b）CFSW接头晶粒边界位错角分布图

（c）PFSW接头晶粒边界位错角统计结果

（d）CFSW接头晶粒边界位错角统计结果

图5 焊接速度为300mm/min时极射图

（a）简单剪切织构成分的理想的极射图

（b）PFSW试样极射图

（c）CFSW试样极射图

图6 焊接速度300mm/min时焊接接头不同区域的显微组织

（a）PFSW接头焊缝的显微组织

（b）PFSW接头热力影响区的显微组织

（c）PFSW接头热影响区的显微组织

（d）CFSW接头焊缝的显微组织

（e）CFSW接头热力影响区的显微组织

（f）CFSW接头热影响区的显微组织

图7 接头抗拉强度和伸长率

图8 焊接速度300mm/min得到的焊接接头拉伸过程中上表面的应变分布

（a）-（f）PFSW接头

（g）-（j）CFSW接头

图9 焊接速度300mm/min时断口横截面

（a）PFSW接头

（b）CFSW接头

图10 PFSW接头断裂位置的线S和显微硬度

（a）显微组织

（b）线S处放大的显微组织

（c）显微硬度图

（d）图（a）和图（c）的叠加图

图11 PFSW接头焊缝处的TEM图

（a）-（f）TEM明场图

（g）SAD样式

（h）图（c）中析出物的SAD样式

图12 PFSW接头热力影响区的TEM图

（a）-（f）TEM明场图

（g）SAD样式

图13 PFSW接头热影响区的TEM图

（a）-（f）TEM明场图

（g）SAD样式

【小结】

本文主要结论如下：

（1）倾斜的针能够完全深入到工件，消除吻接缺陷，获得良好的焊接接头。PFSW接头受到倾斜的针的充分搅拌，所以根部显微组织为细小的等轴晶。B/ 是主要的织构，而A和C较少。

（2）PFSW接头的抗拉强度和延伸率达354MPa和7.5%，分别为母材的79.2%和58.6%。和传统的搅拌摩擦焊相比，PFSW能提高接头的力学性能。

（3）由于PFSW过程中温度较高，所以析出物能够完全溶解到搅拌区的铝基体中。在随后的冷却过程中，一些θ’和θ相发生了二次析出。细晶强化和位错强化使得搅拌区的显微硬度提高。

文献链接：Improving mechanical properties of a joint through tilt probe penetrating friction stir welding（Materials Science and Engineering: A，2018，doi.org/10.1016/j.msea.2018.06.036）。

本文由材料人编辑部金属组 杨树 供稿，材料牛编辑整理。

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