铝合金水下搅拌摩擦焊技术

铝合金由于具有比强度高、耐疲劳性能好、抗应力腐蚀性能强等优点，在航空航天领域得到了广泛的应用。搅拌摩擦焊（friction stir welding，FSW）作为一种固相连接方法，有效地解决了难以熔化焊的铝合金的连接问题。在铝合金（特别是高强铝合金）的FSW过程中，热软化效应是一个比较常见的现象，能够显著降低接头的力学性能。要解决这一问题，控制焊接温度场，降低焊接热循环对接头组织和性能的不利影响是关键。目前，焊前或焊接过程中采用冷却介质来降低FSW过程的温度场，进而改善焊缝组织并提高接头性能的做法得到了普遍认同，但所采取的措施大多是对工件表面实施局部的冷却，虽然取得了一定的积极效果，但对于最为薄弱的焊缝根部的影响较弱，导致接头性能的有效提升受到了限制。
为了解决这一问题，本书提出水下FSW方法，即通过对被焊工件施加整体水浸冷却作用，全方位降低焊接接头的热软化程度。试验表明，这种方法是削弱FSW过程热效应、提高铝合金FSW接头性能的理想技术；同时也发现了水下FSW焊缝的微观组织和力学性能的工艺演变规律、FSW工艺优化机制以及焊接温度场特征等与传统FSW存在本质区别。为了深刻阐明水下FSW工艺的机理，实现其高质量应用，有必要对这些本质问题进行深入探索。
为此，本书中专门选取2219铝合金为被焊材料，对水浸环境中的铝合金FSW做进一步的探索。首先通过与常规FSW进行对比，介绍了水浸冷却对FSW接头的微观组织和力学性能的影响情况，并揭示水浸冷却对铝合金FSW的作用特征；然后介绍了工艺参数对水浸接头力学性能的影响规律，在此基础上优化水下FSW工艺，得出最佳工艺规范和最大力学性能，探索在常规FSW最优工艺的基础上进一步提高接头性能的可行性；接着介绍了接头各区的晶粒形态、位错和沉淀相分布随工艺参数的演变规律，得出水浸接头组织和性能的相关性，并分析了水浸接头的缺陷特征，阐明其形成机理；最后分析了水介质的汽化特征，提出水下FSW的散热机制，建立FSW产热模型，模拟分析水下FSW温度场，进而揭示水下FSW的本质。
本书在撰写过程中得到了黄永宪教授、周利博士、沈俊军博士、冯秀丽博士、于雷硕士等人的帮助，各章节中涉及理论分析的部分，得到了刘会杰教授的悉心指导，在此一并深表谢意。
本书可作为从事搅拌摩擦焊技术相关工作的科技人员的专业参考书籍。
鉴于笔者自身水平和认知的局限性，书中难免有一些不足之处，敬请各位读者批评指正。

张会杰
2021年7月

张会杰，1985年生，工学博士，东北大学秦皇岛分校副教授。主要研究方向为新型特种搅拌摩擦焊技术。河北省优秀青年科学基金获得者，河北省“三三三人才工程”及辽宁省“百千万人才工程”入选者；担任中国机械工程学会焊接分会压力焊专业委员会副秘书长，河北省焊接学会青年委员会委员。近年来承担国家自然科学基金、河北省自然科学基金、河北省青年拔尖人才计划等十余项科研项目，发表学术论文50余篇，申报国家发明专利20余项，授权14项。

铝合金搅拌摩擦焊中出现的热软化现象是接头性能降低的根本原因。为了优化焊缝微观组织，有效提升铝合金搅拌摩擦焊接头的力学性能，本书提出采用全水浸搅拌摩擦焊技术进行铝合金焊接的工艺方法，并从工艺特征、工艺演变规律和工艺机理等方面，对铝合金水下搅拌摩擦焊技术进行系统深入的论述，建立了水下搅拌摩擦焊的工艺特性，以及接头微观组织和力学性能的相关性，并从数值模拟的角度分析了全水浸这种特殊散热环境下的焊接热作用特征和机理，揭示了水下搅拌摩擦焊工艺的本质。
本书适宜焊接行业的技术人员参考。

第1章绪论1
1.1概述1
1.2空气环境下的铝合金搅拌摩擦焊（FSW）2
1.2.1接头微观组织3
1.2.2接头力学性能5
1.2.3焊接温度场8
1.3冷却介质作用下的铝合金FSW11
1.3.1冷却介质对接头微观组织的影响11
1.3.2冷却介质对接头力学性能的影响12
1.3.3冷却介质对焊接温度场的影响14
1.4铝合金水下FSW技术概述16

第2章焊接工艺分析17
2.1材料分析17
2.2工艺设备18
2.2.1FSW设备18
2.2.2水下FSW系统19
2.2.3检测及分析设备20
2.3工艺方法21
2.3.1FSW工艺试验21
2.3.2温度场测量22
2.3.3氢含量测量23
2.3.4微观组织分析23
2.3.5力学性能分析24

第3章水浸冷却对铝合金FSW的作用26
3.1概述26
3.2氢含量分析26
3.3焊缝成形27
3.4微观组织29
3.4.1晶粒形态29
3.4.2位错分布30
3.4.3沉淀相分布33
3.5力学性能37
3.5.1硬度分布37
3.5.2拉伸性能39

第4章水下FSW接头力学性能及其控制45
4.1概述45
4.2水下FSW接头力学性能45
4.2.1拉伸性能45
4.2.2硬度分布49
4.3水下FSW工艺优化53
4.3.1基于Box-Behnken试验设计的响应面法53
4.3.2工艺过程54
4.3.3响应模型的拟合及其精度分析56
4.3.4响应面和等高线图59
4.3.5与常规FSW最优工艺对比60

第5章水下FSW接头的组织演变规律及缺陷形成机理63
5.1概述63
5.2微观组织演变规律63
5.2.1转速对微观组织的影响64
5.2.2焊速对微观组织的影响69
5.3缺陷的特征及形成机理74
5.3.1水浸接头的缺陷特征74
5.3.2水下FSW材料流动的一般特征76
5.3.3工艺参数对水下FSW材料流动的影响79
5.3.4缺陷形成机理84

第6章水介质的汽化特征及水下FSW温度场89
6.1概述89
6.2水介质的汽化特征89
6.2.1水介质的汽化过程89
6.2.2水介质的沸腾过余温度91
6.3水下FSW温度场模拟95
6.3.1产热模型95
6.3.2材料性能参数及有限元模型97
6.3.3传热控制方程99
6.3.4焊接边界条件100
6.3.5模拟结果分析107

展望121

参考文献123