文摘

介绍我们的实际知识和经验在加入不同的材料摩擦焊接方法的使用。铝和铝合金的关节和不同类型的钢进行了研究。焊接过程中发生结构性的影响。机械性能使用,例如,(i)显微硬度测量,(ii)拉力测试,(3)弯曲测试,(iv)剪切试验测定。为了获得高质量的影响关节的不同配置等过程(i)改变成键的几何表面,使用夹层(ii),或(3)热处理进行了分析。最后,相关问题摩擦焊接过程的最优参数的选择也被调查。

1。介绍

摩擦焊接过程的家庭包括几个方法,如旋转摩擦焊接(RFW),线性摩擦焊接,伦敦时装周开幕,最新的一个,搅拌摩擦焊(FSW)。然而,主要原则是总是一样获得联合需要加热材料的塑性状态和使用“倾覆力”可塑性取代材料和创建焊接。之间的摩擦所产生的热量是两个焊接组件(RFW和伦敦时装周开幕或组件之间和专门设计的工具(FSW)。焊接流程分为固态连接方法因为加入的融化材料不发生这些过程(1- - - - - -3]。

这些连接方法的一大吸引力的结果许多技术和经济优势,如效率高和稳定的职业安全与健康的过程或更好的条件比传统的焊接技术。然而,最近,最重要的似乎是加入材料具有不同特性的可能性。因为两个不同材料之间的融合区形成的金属间化合物化合物和不同材料的加入过程往往是非常困难的。获得优质接头有必要了解和分析相图的两个焊接材料。此外,金属间化合物相的微观结构和不同的属性,如裂纹敏感性、延展性、耐腐蚀,也非常重要。还有其他一些因素,例如,焊接材料的热膨胀系数和融化的温度,也是必要的知识的情况下加入不同的材料(3- - - - - -6]。

提交评审总结我们的实际知识的摩擦焊接铝和铝合金与不同类型的钢。介绍两位作者的研究以及许多其他研究的科学家处理提出了主题。

2。结果与讨论

2.1。钢铝

加入对材料的焊接方法,如铝alloys-steel,还带来了许多问题。甚至分析aluminium-iron双系统导致的结论是,足够长的时间和过程的高温会导致金属间化合物的形成阶段和脆性的原因的关节(图1)。对于焊接钢铝,过于脆弱的金属间化合物化合物导致关节退化。Al-Fe平衡系统,没有固相的溶解度。因此,当使用摩擦焊接金属间化合物阶段形成,尽管加入固态的。金属间化合物阶段的主要成分,在边境的钢铝联合创建的,是一个半岛3铁(7]。当加入纯铝与不锈钢,能源分析师和转向开始涉足Murti报道,铁的化合物2艾尔5和费尔3已经形成的关节表面的(8]。Fukumoto et al。9)注意到,不仅铁的化合物2艾尔5和费尔3焊接表面已经形成,而且•菲尔阶段。Seli和合作者10]试图模型热量分布在铝和钢结构的摩擦焊接和连接它与金属间化合物的形成阶段。

Jessop et al。11)表明,在aluminium-austenitic钢关节,关节上的金属间化合物阶段形成的边界。金属间化合物阶段有宽度的3.0μ米,并在摩擦表面的直径分布不均。Jessop已经观察到,金属间化合物的厚度最高阶段出现表面上,大约一半的距离轴的半径样本。研究剪切能量的关节已经确定对金属间化合物的厚度的依赖阶段。因此,当金属间化合物相的厚度是0.2 - -1.0μ米,剪切能量最高的(约600 J)。当厚度低于0.2μ比2米或更高μm,剪切能量下降到大约400 J。作者指出,缺乏金属间化合物阶段可能表示加入过程不稳定,和厚度过高引起的脆性金属间化合物阶段剪切能量的减少值。

艾略特和沃勒克16和精化的作者7,17也得出类似的结论。他们的研究证实了金属间化合物相的厚度取决于摩擦时间和转速,和抗拉强度最高一层1 - 2的厚度μm。

Yilbaşet al。17)进行了研究,关注铝和钢的摩擦焊接。用于测试,他们利用nonalloy碳钢与抗拉强度的5倍高于铝的抗拉强度。他们用三个不同的旋转速度:2000,2500,2800分钟−1,在各种参数的摩擦压力、摩擦时间(4、7、10 s),同样在研究steel-copper关节。金属间化合物阶段的发生在关节的束缚已经被观察到。研究人员总结说,一个好的接头,金属间化合物层,一般在半半径长度,厚度0.1 - 1μ米是可以接受的。边缘,这层发生在小数量,而在中间的关节,它不会发生,这是这个地区的最低转速有关。在联合钢铁方面,硬度已经减少到50高压,在热影响区,从焊接面长度为1.5毫米。的热影响区宽度很小,相比其他材料的焊接。设定价值最高的转速是2800分钟的拉伸强度−1(图2)。

作者的调查(18),有关的直接摩擦焊接铝和X10CrNiTi189钢铁工艺参数符合表1(没有参数。1),表明一些满意的强度和塑料性能的研究关节(图3)。抗拉强度达到107 MPa,断裂发生在铝端,在高的距离结合区。在弯曲试验,弯曲角度120°。同时,整个变形发生在铝端(图3 (b))。实现结果可重复的,即使在较低转速(表的两倍1)。为了防止金属间化合物的形成阶段,摩擦时间短(0.5秒)和高压在镦粗阶段(134 - 259 MPa)已被使用。然而,他们导致重要的长度减少焊接元素(28.7毫米)。

2.2。铝Alloys-Austenitic钢

结果,我们在前一章讨论,表明加入纯铝和钢摩擦焊接,是可能的。在这项技术,特别是在海洋、航空、关节和制冷行业的铝合金和铬镍奥氏体钢是适用的。镁铝合金,尤其是AlMg3合金,常用的行业,高强度属性(比较铝)是必要的。合金添加,出现在铝合金(特别是镁),通常加重铝结合的冶金条件(19]。它们会引起金属间化合物的形成阶段的加速度共同的约束20.),因为增加的扩散系数。相比,铝,镁的特点是较高的扩散系数,大大降低铁的溶解度。由于这些原因,在铝合金的焊接表面,包括镁、密集heterodiffusion和反应扩散过程发生,导致金属间化合物的形成阶段。

在精化(21)表示,菲2艾尔5阶段淋滤而成键符合美国钢铁协会的304不锈钢的A6061铝合金,在摩擦焊接过程中,在接触表面。然而,在表面焊接纯铝、碳钢、铁的化合物4艾尔13和菲2艾尔5(9,22曾被观察到。

Fukumoto等人在23,24),在分析用透射显微镜(TEM)的金属间化合物阶段发生在奥氏体钢的边界(304型)铝合金系列5052关节,报道的形成固态非晶层在高温下。

在论文[25),各种铝合金的焊接性(系列1050、2011、5052、5056和6061我7075)和S25C纯粹的碳钢(0.26% C)进行了研究。为此使用了不同的工艺参数:摩擦时间1 - 4 s,摩擦阶段10 ~ 30 MPa的压力,和镦粗阶段10 - 80 MPa的压力。识别阶段,已形成了接触表面的材料,进行了,关节的质量一直在评估的基础上静态拉伸试验。已经表示,共同的特点是有效的抗拉强度,如果扩散区域的宽度(金属间化合物阶段)是0.2 - 1μm。对于某些关节,强度超过90%的铝合金的强度(以下合金:1052、6061和6063),50%(5056合金),26%为2011合金,合金已经达到24%,2024。高强度值表示关节的酒吧,相比于管状关节。

广泛研究的摩擦焊接6061 - t6铝合金有六个类型的钢,例如,纯粹的钢铁、增韧钢和奥氏体钢,已经提出的人选et al。7]。关节的质量一直在评估的基础上静态拉伸试验和显微硬度测量。增加关节的力量,一起在摩擦阶段增加的压力,缩短焊接时间一直控制缩短长度),一直说。最高的强度参数已达到280 MPa,当摩擦压力已经达到240 MPa,缩短已经约16毫米。

与奥氏体钢的摩擦焊接铝合金的很多说法,包括作者的一个。在大多数出版物的有关钢铁和铝的焊接,和它的合金,测试关节的延性通常被省略了。延性可以评估使用技术的弯曲试验。只有NA (12关节)指出,结果在他的博士论文(表调查1)。

塑料摩擦焊接接头性能的问题奥氏体钢和铝合金,用一个例子来阐述AlMgSi0.5 AlMg3,一直被认为是作者的论文(13,14,26]。

2.2.1。AlMgSi0.5-Austenitic钢

摩擦焊接AlMgSi0.5-X10CrNiTi189奥氏体钢关节,steel-pure铝接头相比,是具有更高的抗拉强度参数(约210 MPa),但在技术弯曲试验实现弯曲角已经达到约75°(图4)。

由于显微观察它可能找到一个非常狭窄的关节表面的扩散层,厚度约为1μm(图5)。其他作者也显示出类似的结果测试接头的强度(18]。然而,他们的价值观已经降低,可能由于低压力在镦粗阶段(表使用1)。

2.2.2。AlMg3-Austenitic钢

直到现在,它已经不可能获得任何铬镍奥氏体钢的焊接接头AlMg3铝合金,具有足够的塑料特性直接加入。作者已经进行了一些深入研究摩擦焊接的关节,部分中给出(13]。

AlMg3-X10CrNiTi189钢摩擦焊接接头的直径30毫米高的抗拉强度(约207 MPa),和AlMg3骨折发生在基材的合金(图6(一))。然而,在技术弯曲测试,弯曲角度在数度取得了,小弯曲芯棒的直径的依赖。

金相研究显示的外观与直径1 - 6扩散区μ米,根据焊接参数。尽管短时间内焊接过程和高压倾覆(样品没有。3;表1),它不可能完全消除关节表面的金属间化合物阶段。摩擦焊接的研究目的,一双AlMg3 alloy-X10CrNiTi189铝奥氏体钢进行了高焊接时候(62年代)。在这种联合宽(约8μ米)扩散区,显微硬度达到1800高压0.005,出现(图7(一))。钢,显微硬度已经等于83高压0.005,并在金属间化合物阶段层已达到348 0.005高压。在铝合金的一面,因此,区域毗邻金属间化合物阶段,显微硬度的增加(0.005 65高压)据报道(0.005基础材料的显微硬度是58高压)。这种联合的技术弯曲试验已经结束,立即裂纹已通过了金属间化合物层(图7 (b))。

焊接时间短( s)的宽度金属间化合物阶段已经达到1 - 2μ米,但弯曲角大约10°。几次试图消除金属间化合物阶段通过改变已经采取了债券的几何表面(图8)。

9介绍了微结构的键区摩擦焊接AlMg3 alloy-X10CrNiTi189铝奥氏体钢关节,连同显微硬度测量。前面的钢样表面准备了一个粗略的把(粗糙度 μ米),在图9(一个),在铝合金方面,有一个区直径为500μ米,没有任何microinclusions,显微硬度增加,到74年0.015高压(基材:64高压0.015)。在边界上的联合,有一个狭窄(约1μ米)扩散区。静态拉伸试验造成骨折的样本,在接触表面,与强度197 MPa,弯曲角等于13°。

进一步的尝试,包括那些与锥形钢样表面(图10),没有造成的取消与金属间化合物阶段区域联合的。最大弯曲角度已经达到35°圆锥形状的关节。

在图11的宏观结构和微观结构摩擦焊接AlMg3铝合金,直径60毫米,和X10CrNiTi189奥氏体钢,直径30毫米和实质性的接触表面的粗糙度在钢方面,显示。有一个可见的流中断AlMg3材料的合金,由于macroroughness(图(11日))。

已经采取了许多尝试,形成了钢铁表面直径50毫米的管接头。他们形成影响了各种形式的flash,但并没有引起的消除金属间化合物阶段,表面的材料是保税(图12)。

调查的影响在剪切摩擦焊接过程的参数进行的一些研究工作(26]。的关节AlMg3 alloy-X10CrNiTi189铝奥氏体钢(形状的酒吧30毫米直径)形成了使用三种不同的摩擦焊接参数精心挑选,以确保各种关节的机械性能。这意味着有尝试和各种金属间化合物阶段形成关节的厚度。很好,准备钢样品的摩擦时间和方法的表面已经分化。关节,分析研究,形成了与摩擦的时候1.3和4.5年代(样品没有。3;表1)。由于,不同厚度的层与金属间化合物阶段取得了,图中可以看到13。顶部钢样品的表面形成了准确的(样品没有。3: 年代; μ米)和粗车削(样品没有。3: 年代; μ米)。

而对于关节,低摩擦摩擦焊接时间,有一个连续的窄扩散区直径几微米(图(13日));关节摩擦形成较长时间以当地扩散层的增厚和不连续的铝(数字13 (b)13 (c))。

最大加载力的结果,得到的剪切试验研究了关节,如图所示14然而,在图15剪切作用的结果,计算了两个剪切模式的变体, ,所示。剪切试验后的样品图16。横截面,根据不同的焊接参数,铝钢一侧的沉淀量从0到100%的样品的表面,根据不同的焊接参数,是可见的。

从以前的研究27,28)是已知的,在钢的摩擦焊接,包括奥氏体钢铝合金(超过2%的镁),努力和脆性金属间化合物的形成阶段134类型的发生。他们的形成依赖于扩散过程是由镁和加速他们的厚度取决于焊接参数(尤其是在摩擦时间)。关节,分析研究,形成了两种不同的摩擦时间参数,所以各种厚度的层与金属间化合物阶段发生。因此,对于关节摩擦焊接低摩擦时间,有一个连续的窄扩散区直径几微米(图(13日))和关节摩擦形成较长时间以当地扩散层的增厚和不连续铝方面(数据13 (b)13 (c))。然而,大约5%的剪切试验证明不同,关节之间的最大剪切力形成的焊接参数(图调查14)。中,最高的值(平均107.8 kN)规定了样品在低摩擦焊接阶段时间,和最低(102.2 kN)值获得样品焊接在高摩擦阶段时间。因此,剪切的测量工作,对各个阶段的测试,表明有巨大剪切工作差异分析关节,他们依赖于工艺参数。如果段剪力值最高 进行了分析,然后剪切工作,分别为402 J焊接参数;245 J;和132 J(图15)。在考虑力的时期 ,8 kN的力降低 ,然后剪切工作平均水平值,分别为461 J;270 J;和198 J(图15)。

比较剪切工作和铝沉积在钢的表面面积计算(剪切试验后)允许观察增加剪切的依赖,以及增加表面覆盖着铝(图17)。

AlMg3铝alloy-austenitic钢接头的剪切测试执行允许说明关节的最大剪力的差异形成的各种焊接参数仅仅是轻微的,但剪切工作不同的关节形成了多元化的工艺参数,并将接头质量的一个重要指标。

然而,应该注意的是,金属间化合物的厚度阶段摩擦焊接AlMg3 alloy-X10CrNiTi189铝奥氏体钢关节明显低(约1 - 3μ米)比发生在扩散焊接(6 - 8μ米)(29日,30.]。出于这个原因,摩擦焊接AlMg3 alloy-X10CrNiTi189铝奥氏体钢接头可以用扩散焊接成功取代形成的关节。

对失败获得好的关节塑料特性,通过直接AlMg3合金摩擦焊接和X10CrNiTi189钢铁,进一步尝试提高关节的塑料性能通过使用夹层,形成与摩擦焊接方法,也就是已经呈现在图18已经进行了。

在作者的研究(13),一个Al99.8纯铝层间使用。获得的关节已经以90 - 185 MPa的抗拉强度,根据夹层的厚度,研究了在一系列3-35毫米(样品没有。4;表1)。

技术弯曲试验引起了强烈变形的纯铝夹层(数字19 (b)19 (c))。

另一种物质,测试作为层间的关节AlMg3 alloy-X10CrNiTi189钢、钛。在章节2.2,因为它提出了摩擦titanium-AlMg3焊接区,有一个扩散层,其厚度(约10μ米)依赖于工艺参数。已经表示,在扩散层的最大硬度是222 0.005高压,只是略高于钛(171 0.025高压)的显微硬度。

因为早期的文献数据表示,不可能得到钛钢的关节,没有一层脆性金属间化合物阶段(27,31日),已经决定把AlMg3合金与X10CrNiTi189钢铁和应用第二个夹层,也就是说,钢铁和钛(图之间的层18)。这一层材料的纯铝或AlMg3 Al99.8合金已经使用。与纯铝形成关节时,抗拉强度185 MPa,和骨折发生在钢铝结合的纽带。技术弯曲试验证明在铝层强烈的变形。

使用AlMg3合金,作为第二层,使得获取关节强度346 MPa AlMg3-steel绑定(骨折),实现超过120°弯曲角的技术弯曲试验。这种行为可能造成的束缚,尽管形成了金属间化合物阶段AlMg3 alloy-X10CrNiTi189钢、低厚度的允许额外的层间应力传递发生在关节弯曲。背后的变形观察钛层AlMg3一侧(图20 (c))。

因此,使用的钛和AlMg3夹层AlMg3 alloy-X10CrNiTi189奥氏体钢关节使达到一个共同的特点是高强度和相对较高的弯曲角度。

2.2.3。CrMo4 Steel-AlCuMgNi铝合金

在论文[14],作者提出了调查的一部分的摩擦焊接AlCuMgNi铝合金(根据ASTM B247)的贸易名称下AN40锻件在T6供应状态(过饱和然后人为年龄),与钢淬火及回火,42级的形式crmo4圆棒直径45毫米。使用如此高的直径的样品已经由实现最精确的近似研究他们的功利主义的目的。这种联合应该取代以前的机械键轴和转子,由这些材料和用于某些类型的涡轮增加大型涡轮增压柴油引擎。

增韧钢(42 crmo4)的化合物被展示在表2后,奥氏体化温度约为850°C,取决于冷却速度,可能具有不同的微观结构,硬度175高压- 640高压。钢的回火温度为480 - 650°C和软化退火温度为680 - 720°C。

表面摩擦焊接的样品已经准备好,使用酒精进行清洗,直接焊接。铝合金样品已经另外蚀刻然后在酒精清洗一次。已加入钢样本的前表面的倾角2°的轴,以减少初始摩擦力矩。

在研究的第一阶段AN40-steel 42 crmo4关节,研究者决定执行上的摩擦焊接接头,使用中给出的参数表1(样品号5)。区分提供热量的各种参数包括两个转速值被选中(720和1500分钟−1)。

金相检验的结果证明,提供更高的能量在焊接过程中造成的一个发生了扩散层的显微硬度516高压(图21),这导致了破坏关节的拉伸试验以非常低的负载。使用焊接时间短,但更高的压力,导致失踪的扩散层,但联合的力量仍然轻微的(约100 MPa)。研究者的行为在这个阶段已经表明,更高一点力量是关节的功能,形成了较低的转速。

有尝试增加表面扩散交互AN40-42CrMo4钢铁联合,通过额外的退火的联合扩散焊机。广泛的研究表明,焊接参数,可以获得增加关节的力量,但也取得了结果不令人满意。

因此,进行研究的结果,它已经说的直接摩擦焊接42 crmo4钢铁和AN40铝合金,关节的机械性能较低(抗拉强度100 MPa)。一个狭窄的发生扩散层在加入绑定声明。使用各种摩擦焊接参数,导致供应联合热量较低,不仅造成扩散区消失,但是也会减少关节的力量。

进一步的尝试获得了更好的性能的42 crmo4 steel-AN40铝合金关节,通过使用一些夹层,形成与摩擦焊接。

在这个阶段,研究人员已经决定使用一个夹层,由金属,这将有一个更大的范围内形成固溶体的铝,因此金属间化合物阶段的区域不应该这么快就形成的键区,无论是42 crmo4钢铁和AN40合金的直接结合。双系统的分析,从铝,使金属的假设没有没有形成固溶体的浓度没有金属间化合物阶段在整个范围。在前面研究的基础上扩散焊接过程(29日,30.),镍被选中。

因此,42 crmo4钢做的圆棒摩擦焊接镍板的尺寸 嗯,(样品没有。6;表1),然后正面和镍/钢接头的表面了。这样准备的中间产品随后焊接AN40铝合金(样品没有。7;表1)。第一次允许获取关节与211 - 235 MPa的力量。

进一步研究一直关注镍表面的一个适当的准备。结果,前面出现的粗车削镍的一面,而不是一个准确的转动,增加了接头的强度。已经说的有利结果实现了表面粗糙度参数等于前面 μ米, μm。尝试执行额外的浸泡在真空炉,产生更大范围的扩散层粘接表面,没有导致增加接头的抗拉强度。

金相研究已经证明42 crmo4摩擦焊接后的钢和镍钢,与淬火区结构和显微硬度648高压0.050发生,当基础材料的显微硬度是310(图0.050高压22)。在关节,拉伸试验后,一些在该区域微裂隙观察,尽管样本的断裂发生在AN40-Ni键。

删除区钢硬度高,摩擦焊接42 crmo4 steel-nickel联合已经热处理(680°C, 60分钟,真空烘箱)。这种退火后,下一阶段的摩擦焊接已经完成,也就是说,AN40 alloy-Ni / 42 crmo4钢铁联合。温度发生在铝的绑定alloy-nickel / 42 crmo4引起钢关节没有钢的奥氏体化,所以淬火结构没有形成,与较高的熔化温度与焊接材料。调查的结果在这种接头的显微硬度图所示22。这表明热处理导致失踪的硬区钢一侧(显微硬度钢的接触区已达到约330高压)。

最有利的力学性能joint-tensile强度270 MPa(大约70% AN40合金的抗拉强度)取得了共同形成了以下步骤:steel-nickel摩擦焊接、热处理(高温回火),另一个取得steel-nickel关节的摩擦焊接铝合金。关节摩擦焊接后的视图呈现在图23日(一),联合切除后闪光的观点与层间从镍中可以看到图可见23日(b)。接头的显微组织如图24。接触表面的AN40 alloy-nickel,两侧,有一个明显的不连续金属间化合物相分离(图24 (b))。

发生了断裂拉伸试验过程中表面的镍铝合金接头。由于实现边际压力值在摩擦焊接设备(约400 kN),它没有可以使用更高的镦粗的压力,在样品直径45毫米,这将允许提高接头的力学性能。

也有可能债券铝和钢或铝合金的搅拌摩擦焊接方法(FSW) (32,33]。在论文[34),焊接的一些例子AA6061铝合金与SS400低碳钢。作者用方差分析和其他技术的统计方法,对实验结果的解释。关节形成了两个不同的设备的转速值(550分钟−1和800分钟−1进给速度)和三个值(0.9;1.2;和1.5毫米·年代−1)。已经表示,最低断裂工作已经达到36 J和发生的关节形成最低的调查设备的转速值(550分钟−1)。

结果X5CrNi1810对接焊的奥氏体钢和Al 6013铝合金在[35]。显微观察结果证明了变形的不均匀布局粒子与不规则形状的不锈钢铝合金包围一个矩阵。在某些粒子的钢铁、已关闭焊缝,微裂隙发生。这被解释为由于高度的变形和密集的混合材料。接头的疲劳极限是30%低于铝合金的疲劳极限。

3所示。结论

不同的研究问题可以发生在不同材料的摩擦焊接进行了描述。结构在焊接过程中,影响关节的力学性能,不同的配置流程为了获得高质量的焊缝进行了分析。

分析aluminium-iron双系统导致的结论是,长时间和过程的高温会导致金属间化合物的形成阶段。他们可能是关节的脆性的原因。根据加入的材料和工艺参数的类型不同可能形成金属化合物具有不同的属性。

在纯铝与奥氏体钢的摩擦焊接金属间化合物阶段形成,但关节的力学性能(强度和可塑性)还好,断裂发生在铝的一面。

在这个行业,特别是在海洋、航空、关节和制冷行业的铝合金和铬镍奥氏体钢是适用的。但合金添加,出现在铝合金(特别是镁),通常加剧铝结合的冶金学的条件。它们会引起金属间化合物的形成阶段的加速度共同的边界,因为增加的扩散系数。许多试图减少脆性化合物在过渡区与工艺参数的选择或改变键的几何表面并没有带来预期的结果。的方式来获得良好的塑料性能在这种联合是使用不同类型的夹层,例如,钛,镍,铝,或混合titanium-aluminium夹层。此外如果钢淬火结构倾向于创建可以移除区与高硬度钢热处理的使用。

命名法

: 摩擦压力(MPa)
: 摩擦时间(年代)
: 镦粗压(MPa)
: 缩短(毫米)
: 最小极限抗拉强度(MPa)
: 粗糙度参数(十点高度)(μ米)
: 粗糙度参数(算术平均身高)(μ米)
: 最大剪切工作(kN)
: 剪切工作(kN)。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。