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浅析搅拌摩擦焊残余应力 B r i e f A n a l y s i sO HR e s i d u a lS t r e s so f F r i c t i o nS t i rW e l d i n g 北京航空航天大学机械工程学院宋伟曲文卿 中国搅拌摩擦焊中心栾国红董春林李光 摘要】讨论了搅拌摩擦焊残余应力的产生原因， 在已有的试验结果的基础上对残余应力的分布和规律 进行了概述。并且以钨极氩弧焊( T I G ) 为例，将搅拌摩 擦焊与传统熔焊的残余应力分布进行了对比，进一步 肯定了搅拌摩擦焊在铝合金焊接时的优越性。同时还 介绍了对搅拌摩擦焊残余应力的控制方法及其效果，最 后对有关搅拌摩擦焊的残余应力的研究工作做出了展 望。 关键词：搅拌摩擦焊残余应力分布塑性变形 【A B S T R A C T 】T h eg e n e r a t i n gr e a s o n so ft h er e s i d u a ls t r e s si nt h ep r o c e s so fF S Wi sb r i e f l ya n a l y z e da n d t h ed i s t r i b u t i o na n dl a w so fr e s i d u a ls t r e s sa r es u m m a r i z e d o nt h eb a s i so fe x i s t i n gt e s tr e s u l t s T h ec o m p a r i s o no fr e - s i d u a ls t r e s sb e t w e e nf r i c t i o ns t i rw e l d i n ga n dt r a d i t i o n a l f u s i o nw e l d i n gi sd o n eb yu s i n gt h ee x a m p l eo fT I G ，i t i sp r o v e nt h a tt h ea d v a n t a g e so fF S Wi nt h ep r o c e s so f a l u m i n u mw e l d i n gi so b v i o u s F u r t h e rm o r e ，t h ec o n t r o l m e t h o d so fr e s i d u a ls t r e s so ft h ef r i c t i o ns t i rw e l d i n gp r o - t e s sa n di t se f f e c ta r ei n t r o d u e 俄l , f i n a l l y , t h ep r o s p e c t sf o r r e s e a r c hw o r kt h a tc o n n e c t i o nw i t hr e s i d u a ls t r e s so ff r i c - t i o ns t i rw e l d i n ga r ep r e s e n t e d K e y w o r d s ：F r i c t i o ns t i rw e l d i n gR e s i d u a ls t r e s s d i s t r i b u t i o n P l a s t i cd e f o r m a t i o n 搅拌摩擦焊接( F r i c t i o nS t i rW e l d i n g ，F s W ) 是由英 国焊接协会( T w I ) 于1 9 9 1 年发明的一种新型固相焊接 技术“枷，具有接头变形小、力学性能好、节能环保等特 点，为铝合金、镁合金等熔化焊接性差的有色金属材料 的有效连接提供了一个新的途径闭。 搅拌摩擦焊焊接接头具有细化的组织，无气孔、裂 纹和元素烧损等熔焊缺陷且焊缝质量高度一致，适用于 多种接头形式，连接工艺比较简单，目前已广泛应用于 航空航天、船舶、机械、建筑、电器和汽车制造等领域。 研究搅拌摩擦焊接头残余应力的分布对优化焊接工艺、 提高焊接质量和提升焊接构件的稳定性具有非常重要 的意义。 搅拌头探针 图1 搅拌摩擦焊示意图 F i g 1D i a o r a mo fF S Wp r o c e s s 区 响区 影响区 区 1 鸭W 残余应力的产生 图1 为典型的搅拌摩擦焊设备的焊接过程。搅拌 轴上装有搅拌头。被焊工件采用刚性夹具施加约束力， 来防止工件与工作台的相对运动。搅拌头旋转并缓慢 地将搅拌针插入两块对接板材之间的焊缝处g , - - 9 1 。当旋 转的搅拌头接触工件表面时，搅拌针与工件表面快速摩 擦产生的热量使接触点材料的温度升高，达到塑性状 态。搅拌针在外力作用下不断顶锻和挤压接缝两边的 材料，直至轴肩紧密接触工件表面。这时，由搅拌头轴 肩与搅拌针产生的摩擦热在轴肩下面和搅拌针周围形 成大量的塑化层。当工件相对搅拌针移动时，在搅拌针 侧面及旋转方向产生的机械搅拌顶锻作用下，搅拌针的 前表面把塑化的材料移送到搅拌针后表面。在搅拌针 沿接缝前进时，搅拌头前的对接接头表面被摩擦加热至 超塑性状态。搅拌针和轴肩摩擦接缝，破碎氧化膜，搅 拌和重组搅拌针后方的磨碎材料。搅拌针后方的材料 冷却后就形成焊缝。在焊接薄板时，轴肩和工件的摩擦 是主要的热量来源。 综合考虑搅拌摩擦焊的整个过程，残余应力的产生 来源于2 个方面。 ( 1 ) 跟其他焊接方式中残余应力的产生一样，是由 于在焊接时对零件的不均匀加热造成的。在焊接过程 中搅拌头与工件之间的摩擦热传导具有不均匀性，导致 金属夹具与焊缝之间存在温度梯度，这势必会产生焊接 2 0 1 2 年第7 期航空翻造技术6 7 万方数据 残余应力”们。 ( 2 ) 搅拌摩擦焊残余应力的产生也有其自身的特 点。在焊接过程中，由于被焊工件需要刚性夹具夹持， 这种夹持的约束力可以阻止焊核及焊缝两侧的焊接热 影响区产生的冷却收缩，这是导致焊缝和热影响区产生 残余应力的又一重要原因 1 1 1 。 2 F S W 残余应力的分布 构件在工作过程中，焊接残余应力与其所受载荷引 起的工作应力相互叠加，使其产生二次变形和残余应力 的重新分布。这不但会降低构件的刚性和尺寸稳定性， 而且也是造成焊接构件断裂、疲劳破坏和应力腐蚀的重 要原因之一。 目前，对于残余应力的研究主要有试验和数值分析 两种方法。具体的测量方法有：电阻应变法、x 射线衍 射法、应力敏感法、中子法、超声波法、电磁法、云纹法 等。 最经典的残余应力测量方法是应变片钻孔法，但这 种方法存在以下缺点： ( 1 ) 钻孔释放的残余应力是随到孔周的距离增加 迅速递减的，而应变片到孔周有一定的距离，所以应变 片对释放的残余应力的敏感度会降低； ( 2 ) 应变片测到的只是其长度范围内应变的平均 值； ( 3 ) 应变片钻孔法是将钻孔释放的残余应力作为 均匀场来计算的，因此不适合焊接残余应力梯度很大的 情况p 2 。 近年来，出现了与钻孔法相结合的光学测量方法。 N i c o l e t t o 【1 3 1 利用云纹干涉法获得了全场位移信息，通过 多个钻孔得到了垂直于焊缝方向的残余应力分布，但是 没有考虑残余应力沿深度的分布。w u I l 4 1 利用云纹干涉 法与传统的阶梯钻孔法相结合的方法，测量了残余应力 沿深度的分布，并得到了广泛应用。这两种方法与应变 片钻孔法一样，都是假设孔周围的残余应力是均匀的。 亚敏习采用云纹干涉与钻孔系统对高强度铝合金6 0 5 6 搅拌摩擦焊试件的残余应力的水平与分布进行了测量， 结果如图2 、图3 所示。 从图2 中可以看出，焊缝区的纵向残余应力吒和 横向残余应力盯。都是拉伸残余应力，且具有相同的分 布趋势，随深度的增加而增加，但吒比q 大的多，这说 明纵向残余应力是搅拌摩擦焊的主要残余应力；剪切残 余应力与横向应力具有相同的量级，数值大小在0 附近 波动。 从图3 可以看出，随着到焊缝中心的距离增加，拉 伸残余应力先减小，而后逐渐增大，在热影响区( H A Z ) 6 8 航空翩造技术2 0 1 2 年第7 期 深度m m 图2 焊缝缝区残余应力沿深度的分布 F i g 2 R e s i d u a ls t r e s sd i s t r i b u t i o na l o n gd e p t ho f w e l ds e a mz o n e 横j 旬位置m m 圈3 纵向残余应力q 沿垂直焊缝和沿深度方向的分布 F i g 3 D i s t r i b u t i o no fc o n g i t u d i n a lr e s i d u a ls t r e s s ( 吒) a l o n gv e r t i c a lw e l ds e a ma n dd e p t hd i r e c t i o n 处达到最大值，最后在母材区域逐渐减小，最终减小为 0 ，然后改变方向成为压缩残余应力，从而与焊缝区内的 拉伸残余应力保持平衡。在焊缝与热影响区之间存在 一个残余应力的低谷，此处即为搅拌影响区( 热机影响 区) 。残余应力嚷与巩的分布相似。 由此可以总结出F S W 残余应力的主要分布特点有 以下4 种： ( 1 ) 纵向的应力远大于横向的应力，成为主要残余 应力； ( 2 ) 在垂直于焊缝的方向上，残余应力呈M 型分 布，最大值出现在热影响区边界，且为拉伸应力，其大小 低于材料的室温屈服强度； ( 3 ) 在焊缝中心，拉伸残余应力相对较小，在焊缝 中心线两侧有所降低，在搅拌影响区内拉伸残余应力从 最低值急剧上升，然后随距焊缝中心线距离的增加逐渐 万方数据 降低； ( 4 ) 前进侧( 旋转方向与焊接方向相同的那一侧) 和后退侧( 旋转方向与焊接方向相反的那一侧) 残余应 力分布非严格对称。 F S W 焊接本身也是一个非对称的工艺过程。如图 4 所示。在前进侧，由于轴肩任意点的线速度与焊接速 度方向相同，形成叠加效应，因此轴肩与接头材料之间 的相对运动速度比较大；而在后退侧，由于轴肩任意点 的线速度与焊接速度方向相反，因此轴肩与接头材料之 间的相对运动速度比较小。这种相对速度的差异使得 在F S W 焊接过程中，接头对接面两侧受力状态、热输入 等均有比较大的差异，从而造成接头残余应力的分布也 不对称，并且前进侧应力水平较高、后退侧应力水平较 低6 1 。 焊接方向 图4F S W 焊接过程 F i g 4 F S W w e l d i n gp r o c e s s 虽然试验的研究方法具有真实、直观的优点，但却 很难考虑包括温度、组织结构变化等多种因素对结果的 综合影响。为此引入数值模拟的方法，通过对算法的研 究来了解残余应力的分布是十分必要的。 有关F S W 残余应力的数值模拟往往基于特定的 理想模型。L i v a nF r a t i n i f l 7 1 等人，通过有限元模型，使用 D E F O R M 一3 D T M 软件对搅拌摩擦焊的过程进行了模拟。 得出了如图5 、图6 、图7 所示的模拟结果。 通过观察纵向、横向残余应力云图和残余应力沿深 度方向的分布图，其结果与亚敏的试验所得到的分布趋 势基本一致。 3F S W 与传统熔焊的残余应力分布比较 西安交通大学的王训宏【l 剐等，利用x 射线衍射法 测量了铝合金搅拌摩擦焊和钨极氩弧焊( T I G ) 焊接接 头表面的残余应力分布曲线。由图8 、图9 可见，两种 焊接接头平行于焊缝( 纵向) 的残余应力和垂直于焊缝 ( 横向) 的残余应力具有相似的分布趋势，需要注意的是 氩弧焊接接头在横向和纵向残余应力的分布应力值变 化较大。在热影响区，F S W 焊接接头比T I G 焊接接头 图5 纵向残余应力云图( M P a )