激光间接热致辅助微搅拌摩擦焊热耦合特性与连接机制研究

In thin walled material friction stir welding process heat input is generally insufficient, and the welding force is excessive for manual hand held FSW operation in space. In addition, for high melting point metal FSW, the tool wearing is a big problem. In order to avoid these problems, a new welding technology is presented in this project, in which laser heating is combinded indirectly into micro-FSW. Micro-FSW is presented by TWI and with the characteristic of higher rotational speed. In the new welding process, laser heat up the welding tool and the assisted energy be inputed into the base metal by heat conduction in tool and combined with friction heat. This heat coupling is differ from direct heating or two heat sources individual heating, which bring new unknown characteristics. In this research project, the laser-heat transfer and heat conduction characteristics with continuous or pulse laser heating, the effect of energy matching on heat condution will be investigated and the heat coupling effector will be described quantitativly. Moreover, experimental tests and numerical simulation can be applied in the analysis of metal flow and weld formation regularity, joint microstructure evolotion and mechenical properties. And the joining mechannism will be concluded. Through this study, the base theries of solid or semisolid metal joining in FSW will be enriched, and the appliation range of FSW will be expanded. The project research results are significant in theory and are valuable in engineering application.

针对薄壁或高熔点金属或空间环境金属连接过程中，搅拌摩擦焊存在产热不足、所需作用力过大、焊接工具磨损过大等问题，提出一种间接加热直接复合的激光-微搅拌摩擦复合焊接新方法。激光辐照搅拌工具间接加热工件并与摩擦热复合，这种热耦合方式有别于直接加热工件或双热源分离加热，而微搅拌摩擦焊所具有的高速旋转特征配合高温焊接工具作用下的材料流动与动态再结晶也与传统FSW相比存在巨大差别，带来新的未知特性。本项目从激光连续或断续加热的光热转换与热传导特性、摩擦热与光致热能匹配对热传导的影响等方面，定量描述这种复合热源焊接的热耦合效应；在此基础上，结合试验测试与数值模拟，分析近熔融的半固态金属的流动与焊缝成形规律、接头微观组织结构演变与力学性能等，从而揭示材料在复合热源作用下的连接机制。项目研究成果将丰富金属搅拌摩擦焊过程固态或半固态连接基础理论，拓展搅拌摩擦焊的应用范围，具有重要的理论意义与工程应用价值。

本项目提出的激光-微搅拌摩擦焊复合焊接技术，辅助热源的加入可以降低焊接过程作用力，实现无倾角焊接并降低了对焊接装配的要求，提高了焊接柔性。在构建该新型复合焊接系统的基础上，系统研究了激光间接加热辅助搅拌摩擦焊过程，涉及焊接工具、焊接工艺试验、接头质量、焊接过程热行为等方面的内容。根据试验与理论分析结果，总结归纳了激光间接热致辅助搅拌摩擦焊的热源耦合机制、连接机制。. 试验结果表明，采用中空搅拌摩擦焊主轴、激光加工头与激光焦点位置调整机构，可实现对激光同轴加热辅助搅拌摩擦焊系统的集成控制。对于激光同轴加热搅拌摩擦焊的搅拌头，其材料选择需考虑其强度与导热性能的匹配；而热源同轴复合焊接搅拌头的形状设计，在常规搅拌头尺寸基础上，搅拌针直径增加25%左右，轴肩直径增加10%左右，外形设计为外凸螺旋沟槽轴肩加螺纹三凹槽搅拌针的搅拌头能够获得较好的焊缝成形效果；搅拌头夹持端设置内外径比值为1/2的孔、搅拌针内外径比值小于1/4的孔不会显著降低搅拌头的承载能力。对复合焊接工艺特性进行研究的结果表明，激光的正离焦量为14mm时，激光加热范围被约束在搅拌针的内腔。激光的加入提高了搅拌摩擦焊的工艺适应性，接头的拉伸断裂位置都出现在后退侧焊缝的边缘，断口由大量的等轴韧窝和离散的解理面组成；由于焊缝温度的升高，接头的硬度略有下降；激光辅助热源能够减少搅拌摩擦焊的缺陷，焊缝横截面组织在辅助热源的作用下，焊核区有所扩大，热影响区没有明显增大，焊核区洋葱环呈断续圆环状。对焊接过程温度场的模拟和测量结果表明，加入700W的激光辅助热源能够将搅拌摩擦焊的最高温度提高110℃左右，激光的加热在厚度方向具有一定的均匀性，激光热量主要加热的是搅拌针周围的材料，具有局部加热的特点；当焊缝峰值温度低于375℃时，接头成形较差。. 本项目通过焊接热过程研究、连接机制研究，揭示了激光同轴热致辅助搅拌摩擦焊/微搅拌摩擦焊的原位热耦合特性与自适应的热匹配关系，搅拌摩擦焊固相焊接具有自动调节焊接过程的热输入特性，使其热过程维持动态平衡。项目研究成果将拓展搅拌摩擦焊的应用范围，丰富固相连接的基础理论，具有重要的理论意义与工程应用价值。本项目发表论文5篇（EI论文2篇），已录用EI论文2篇，申请发明专利3项，培养硕士研究生2名。