哈工大劉會杰教授：利用傾斜針插入攪拌摩擦焊接頭提高接頭力學性能

【引言】

攪拌摩擦焊是一種固相連接技術，廣泛應用在鋁合金加工領域。由于攪拌摩擦焊在高速焊接時，工件厚度些許變化或者攪拌頭的些許磨損都會使焊接接頭根部形成吻接缺陷，而吻接缺陷很難通過檢測到，對結構件的安全構成極大威脅。因此，采取措施消除吻接缺陷成為關鍵。

【成果簡介】

近日，哈爾濱工業大學的劉會杰教授（通訊作者）在Materials Science and Engineering: A上發表了最新的研究成果“Improving mechanical properties of a joint through tilt probe penetrating friction stir welding”。在該文中，研究人員提出通過插入工件的傾斜的針來提高攪拌摩擦焊接頭性能，并與傳統的攪拌摩擦焊接頭性能進行對比。

【圖文導讀】

圖1 CFSW和PFSW原理圖

（a）CFSW焊接方向的縱截面

（b）-（d）CFSW過程原理圖

（e）PFSW焊接方向的縱截面

（f）靜止軸肩

（g）-（i）PFSW過程原理圖

圖2 根部宏觀組織和顯微組織

（a）-（d）PFSW接頭

（e）-（h）CFSW接頭

圖3 焊接速度為300mm/min時的EBSD圖?

（a）PFSW接頭

（b）CFSW接頭

圖4 焊接速度為300mm/min時的晶粒邊界位錯角分布圖和統計結果

（a）PFSW接頭晶粒邊界位錯角分布圖

（b）CFSW接頭晶粒邊界位錯角分布圖

（c）PFSW接頭晶粒邊界位錯角統計結果

（d）CFSW接頭晶粒邊界位錯角統計結果

圖5 焊接速度為300mm/min時極射圖

（a）簡單剪切織構成分的理想的極射圖

（b）PFSW試樣極射圖

（c）CFSW試樣極射圖

圖6 焊接速度300mm/min時焊接接頭不同區域的顯微組織

（a）PFSW接頭焊縫的顯微組織

（b）PFSW接頭熱力影響區的顯微組織

（c）PFSW接頭熱影響區的顯微組織

（d）CFSW接頭焊縫的顯微組織

（e）CFSW接頭熱力影響區的顯微組織

（f）CFSW接頭熱影響區的顯微組織

圖7 接頭抗拉強度和伸長率

圖8 焊接速度300mm/min得到的焊接接頭拉伸過程中上表面的應變分布

（a）-（f）PFSW接頭

（g）-（j）CFSW接頭

圖9 焊接速度300mm/min時斷口橫截面

（a）PFSW接頭

（b）CFSW接頭

圖10 PFSW接頭斷裂位置的線S和顯微硬度

（a）顯微組織

（b）線S處放大的顯微組織

（c）顯微硬度圖

（d）圖（a）和圖（c）的疊加圖

圖11 PFSW接頭焊縫處的TEM圖

（a）-（f）TEM明場圖

（g）SAD樣式

（h）圖（c）中析出物的SAD樣式

圖12 PFSW接頭熱力影響區的TEM圖

（a）-（f）TEM明場圖

（g）SAD樣式

圖13 PFSW接頭熱影響區的TEM圖

（a）-（f）TEM明場圖

（g）SAD樣式

【小結】

本文主要結論如下：

（1）傾斜的針能夠完全深入到工件，消除吻接缺陷，獲得良好的焊接接頭。PFSW接頭受到傾斜的針的充分攪拌，所以根部顯微組織為細小的等軸晶。B/ 是主要的織構，而A和C較少。

（2）PFSW接頭的抗拉強度和延伸率達354MPa和7.5%，分別為母材的79.2%和58.6%。和傳統的攪拌摩擦焊相比，PFSW能提高接頭的力學性能。

（3）由于PFSW過程中溫度較高，所以析出物能夠完全溶解到攪拌區的鋁基體中。在隨后的冷卻過程中，一些θ’和θ相發生了二次析出。細晶強化和位錯強化使得攪拌區的顯微硬度提高。

文獻鏈接：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）。

本文由材料人編輯部金屬組 楊樹 供稿，材料牛編輯整理。

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