醉染图书搅拌摩擦焊接技术的研究9787502474263

摘要
1搅拌摩擦焊接技术介绍
1.1搅拌摩擦焊接技术简单介绍
1.2搅拌摩擦点焊介绍
1.3搅拌摩擦焊接的应用现状介绍
1.4搅拌摩擦点焊在工业方面的应用现状
2钢铁材料搅拌摩擦焊接介绍
2.1钢铁材料搅拌摩擦焊接技术的难点
2.2钢铁材料搅拌摩擦焊接工具介绍
2.2.1立方氮化硼（PCBN）搅拌工具
2.2.2钨合金基体的搅拌工具
2..工具
2.2.4高温合金材料搅拌工具的选择
2.2.5钢铁材料搅拌工具形状
.钢铁材料搅拌摩擦点焊的研究现状
..1双相钢搅拌摩擦点焊研究
..2TRIP钢的搅拌摩擦点焊研究
..低碳钢的搅拌摩擦点焊研究
..4钢种的搅拌摩擦点焊研究
..5新颖的搅拌摩擦焊接方法尝试
..钢铁材料搅拌摩擦点焊研究小结
2.4碳钢搅拌摩擦焊接研究
2.4.1低碳钢搅拌摩擦焊接研究
2.4.2高碳钢搅拌摩擦焊接研究
2.4.3优选高强搅拌摩擦焊接研究
2.4.4低碳微合金钢铁材料搅拌摩擦焊接研究
2.5不锈钢搅拌摩擦焊接研究
2.5.1铁素体不锈钢搅拌摩擦焊接研究
2.5.2奥氏体不锈钢搅拌摩擦焊接研究
2.5.3双相不锈钢的搅拌摩擦焊接研究
2.6钢铁材料搅拌摩擦焊接小结
3优选高强钢DP780的搅拌摩擦点焊研究
3.1实验材料与工艺
3.2DP780搅拌摩擦点焊接头组织能研究
3.2.1转速对焊接接头组织转变的影响
3.2.2轴肩压入深度对焊接接头组织的影响
3.3焊接参数对焊接接头力学能的影响
3.3.1转速对焊接接头力学能的影响
3.3.2压入深度对焊接接头力学能的影响
3.4焊接过程中压力与温度对焊接接头力学能的影响
3.4.1焊接转速对焊接压力的影响
3.4.2轴肩压入深度对焊接压力的影响
3.5转速对焊接压力与温度的影响
3.6轴肩压人深度对焊接压力与温度的影响
3.7本章小结
4X100管线钢搅拌摩擦焊接接头微观组织转变机理及冲击韧研究
4.1实验材料与过程
4.2X100管线钢焊接接头宏观形貌分析
4.3焊接接头搅拌区微观组织转变分析
4.4搅拌区冲击韧研究
4.5本章小结
5AISI201奥氏体不锈钢搅拌摩擦加工焊接接头搅拌区微观组织转变及力学能研究
5.1实验材料与工艺
5.2AISI201奥氏体不锈钢焊接接头宏观形貌分析
5.3搅拌区的动态再结晶机制
5.4搅拌区的晶粒细化研究
5.5搅拌区中的δ-铁素体
5.6条状区域的晶粒细化及δ-铁素体的研究
5.7搅拌区中Signa相研究
5.8焊接接头横向拉伸试验能
5.9本章小结
6新型搅拌摩擦焊机的研究与开发
6.1管线钢环形焊缝搅拌摩擦焊接机构介绍
6.2复合板真空搅拌摩擦焊接装置
6.3本章小结
参考文献

东北大学轧制技术及连轧自动化重点实验室（简称RAL）是我国轧制技术领域专享的重点实验室，多年来取得了很好丰富的科研成果。本简报是该实验室2013年各项工作的总结，全面反映了实验室2013年取得的各方面的科研成果。

研究项目概述 1. 研究项目背景与立题依据 随着国民经济的高展，对石油和天然气等资源的需求与日俱增。目前，油气的输送和分配主要以管线钢管为载体。高强度级别的管线钢管不仅可以有效地减小管壁厚度，节省材料和实现减重，还可以提高输送压力，增大输送量，降低用户的使用成本，因此对于高强管线钢的开发引起了大量研究者的关注。在油气管线的现场铺设过程中，焊接是为重要的环节，尤其是高强度级别管线钢对焊接的要求更为严苛。目前，管线钢管的环缝普遍采用熔焊连接，但是熔焊伴随的高热输入极易引起熔合区附近热影响区 (HAZ) 的粗化和脆化，降低接头韧，还容易引起靠近母材HAZ的软化，降低接头强度，另外焊缝区还容易生成冷、热裂纹、气孔和偏析等凝固缺陷。随着管线钢级别的提高，往往需要添加更多的合金元素以保障其力学能，但是钢的淬硬也随提高，容易促使焊接接头韧的下降。为了保管线钢接头的强-韧，在环缝的施焊过程中，目前普遍采用更多的焊接道次，严格地控制道次间的温度，并适当的采取焊前预热和焊后缓冷，因此严重地了焊接的生产效率。另外，油气管线的铺设多是在偏远地区或海上，时常要面临低温、大风等恶劣气候环境，这对熔焊的工艺过程提出了很好高的要求。因此，目前管线的焊接铺装成本较高，可以达到整个油气管线输送项目总成本的30~50%。 汽车工业作为世界各国经济的支柱产业，它的每一次科技进步都会引起巨大的经济和社会效益。在保安全能不变的前提下，汽车轻量化对节约能源、减少CO2排放和提高运输效益具有十分重要的意义。采用厚度小的高强度钢板以及超高强度钢板，与普通钢板相比，汽车重量可以大幅度减轻。在高强度汽车钢板中双相钢（DP钢）和相变诱发塑钢（TRIP钢）由于具有较高的强度、较好的延伸率和成型、较强的吸收碰撞能量等特，在安全和节约能耗方极潜力，目前已经成为车身轻量化中大力发展应用的高强钢材料。在汽车生产线上，电阻点焊（resistance spot welding, RSW）凭借其成本低和易于实现自动化的优点，是车身制造中重要的连接工艺，其中车身中70%的连接均采用电阻点焊技术。电阻点焊接头质量的好坏直接决定了汽车使用的可靠和安全。对于优选高强汽车钢，在进行RSW时，首先由于电阻点焊水冷铜触头的强冷却作用，其次高强度级别汽车钢的碳当量一般都较高，使得熔化的高温奥氏体在快冷形成焊核过程中，其温度变化曲线会直接穿越马氏体相变临界区，焊核中会产生大量粗大的马氏体。这些马氏体一方面能导致焊核的硬度急剧升高，脆增大，另一方面冷却相变过程中容易产生气孔、裂纹以及内部残余应力分布不均等缺陷，此外热影响区还存在一定程度的软化，严重降低了焊点的强度和韧，对汽车的安全可靠造成严重损害。此外针对汽车钢表面的镀锌层，电阻点焊过程易造成锌的蒸发，对接头能也将造成损害。 此外，到目前为止，还有很多种钢铁材料无法用传统熔焊有效焊接，比如不锈钢、高碳钢、高合金钢以及一些特殊用途的钢铁材料。伴随着国民经济的快展与科技的不断进步，人们相继开发出合金成分更复杂、相组成更多的钢铁材料，传统的焊接方法在焊接这些钢铁材料时往往会严重的恶化材料的能。因此，传统的焊接方法越来越不适应新钢铁材料的焊接。 作为一种新型的固相连接技术，搅拌摩擦焊 (friction stir welding, FSW) 被认为是21世纪拥有的连接技术。FSW利用焊接工具与工件间的摩擦热使金属软化，软化的金属因搅拌工具的搅动产生强烈的塑变形，使焊缝发生动态再结晶，实现接头的稳定连接。由于FSW的固相连接特征，焊接过程无熔化，因而避免了裂纹、气孔、偏析等熔焊缺陷的产生。也正是由于FSW热输入较低，HAZ晶粒粗化和软化不明显，因而改善了HAZ的强-韧。与多道次熔焊相比，FSW通过选择合适长度的焊接工具，可在1~2个道次内完成连接，提高了生产效率。另外，FSW可实现全自动焊，不需开坡口，无预热，不受低温、强风等恶劣气候影响，焊缝稳定可靠，生产效率高。目前，FSW主要用于铝合金的连接，并被广泛用于航空、航天、汽车、轨道交通、舰船等领域。然而，FSW钢铁材料的相关研究较少，目前还处于起步阶段。近，加拿大的Schlumberger公司和瑞典ESAB公司成功开发出了专门用于连接管线钢管环缝的FSW装备，并用于X65管线钢环缝的现场施焊，获得了高质量的焊接接头。美国的ExxonMobil石油公司对FSW和全自动熔化极气体保护焊（GMAW）陆地和海上油气管线环缝的焊接成本进行了仔细核算。结果发现，尽管FSW的焊接工具成本比较高，例如：多晶立方氮化硼（PCBN）和W-Re合金工具，但FSW大幅提高了生产效率，节约了大量人力成本，与自动GMAW相比，FSW在陆地和海上的油气管道连接中的成本分别节省了7%和25%。因此，与传统熔焊相比，FSW无论是在焊接质量能、焊接稳定以及成本上都具有极大的优势，使得FSW在油气管线连接领域具有极为广阔的应用前景，可期在不远的将来成为高强管线环缝的主要连接手段。 与传统RSW相比，FSSW有如下优点：1) 由于是塑连接技术，接头具有优异的接头能；2) 无融化焊接的缺陷；3) 低焊接变形和低残余应力；4) 节省能源、降低成本，研究表明FSSW所消耗能量是RSW的二十分之一，整个设备成本明显低于电阻点焊设备；5) 工艺过程简单，搅拌摩擦点焊对工件表面状况要求不高，无需焊接前清理即可得到高质量的点焊接头，不需要任何辅机械。目前，FSSW技术已经在汽车研究领域引起了极大关注，日本Mazda公司目前已成功经将FSSW用于连接汽车中的铝合金部件。 然而，目前关于FSW管线钢的相关研究偏少，特别是对管线钢焊接接头的微观组织演变和强韧机理的研究还不够透彻。一些研究者采用PCBN工具在不同的焊接工艺下对X65、X80和X100高强管线钢进行了FSW的初步研究，发现焊核区组织相对于HAZ组织较为粗大，HAZ反而具有更好的强韧。 2. 研究进展与成果 （1）为了研究搅拌摩擦焊接高强管线钢，东北大学RAL实验室开发出了专门用于管线钢的搅拌摩擦焊管装备，该装备具有液压的快速装卡系统、自动旋转焊接系统、压力自动控制系统、焊接参数可自动调节。利用该搅拌机构可以一次的完成管线钢环形焊缝的焊接，不但可以大大提升焊接过中的效率，而且还可以获得常规熔焊方法难以获得的高质量焊接接头。目前，该机构已经成功的申请了并得到了授权。 （2）为了解决真空热轧复合板生产过程中的焊接难题，东北大学RAL开发出复合板真空焊接装置，利用该装置可以在真空环境下利用搅拌摩擦焊接技术一次的完成上下金属板界面四周的封装。从而解决了真空热轧复合板生产过程中的焊接难题。目前，该机构已经成功的申请了并得到了授权。 （3）为了解决高强汽车钢电阻点焊过程中遇到的焊接难题，东北大学RAL在“搅拌摩擦点焊优选高强汽车钢焊接接头的微观组织演变规律和强韧化机理研究 ” 中央高校基研业务费项目的支持下展开了对优选高强汽车双相钢DP780的搅拌摩擦点焊研究，并详细归纳出焊接参数对焊接接头微观组织转变与力学能的影响。 （4）为了解决常规熔焊过程中，焊接接头粗晶区严重恶化焊接接头能的难题，东北大学RAL实验室利用搅拌摩擦焊接技术成功的焊接了X100管线钢。不但成功的避免了传统熔焊过程中很好容易生成的粗晶区的出现，而且还获得了具有优异冲击韧的焊接接头。 （5）为了研究奥氏体不锈钢在搅拌摩擦焊接过程中的微观组织转变机理及避免传统熔焊过程中很容易出现的热裂纹、元素烧损、晶粒粗大等焊接难题，东北大学RAL实验室成功的利用搅拌摩擦焊接结束连接了AISI201奥氏体不锈钢。并详细研究了焊接过程中焊接接头搅拌区的再结晶机制、晶粒细化规律、sigma相及δ-铁素体析出的规律。研究发现，搅拌摩擦焊接可以在更加广阔的范围内调节焊接参数，通过焊接参数的调节不但可以控制焊接接头的微观组织转变过程，而且还可以有效避免有害相的析出。 结合DP780搅拌摩擦点焊研究、X100管线钢搅拌摩擦焊接研究、AISI201奥氏体不锈钢搅拌摩擦焊接研究过程，已培养博士生1名，硕士生5名。发表高水平SCI三篇，合计影响因子达到9.26，申请2项，并全部获得授权。研究初步解决了优选高强汽车双相钢DP780点焊、X100管线钢及AISI201奥氏体不锈钢中的焊接难题，开发出的新型搅拌摩擦焊机也十分顺利的完成的调试并投入使用，并且高质量的完成了搅拌摩擦焊接工作，展现出很好的推广应用前景。 3. 与 ： (1) G.M. Xie, H.B. Cui, Z.A. Luo, W. Yu, J. Ma, G.D. Wang, Effect of rotation rate on Microstructural characteristic and mechanical properties of friction stir spot welded DP780 steel, Journal of Materials Science & Technology, 2016, 3, 2-32. (2) H.B. Cui, G.M. Xie*, Z.A. Luo, J. Ma, G.D. Wang, R.D.K. Misra, The microstructural evolution and impact toughness of nugget zone in friction stir welded X100 pipeline steel，Journal of Alloys and Compounds, 681 (2016) 426-433. (3) H.B. Cui, G.M. Xie*, Z.A. Luo, J. Ma, G.D. Wang, R.D.K. Misra, Microstructural evolution and mechanical properties of the stir zone in friction stir processed AISI201 stainless steel, Materials Design, 106 (2016) 463-475. ： (1) 骆宗安，谢广明，崔洪波，王国栋，一种管线钢环形焊缝搅拌摩擦焊接机构，CN201510154931.1。 (2) 谢广明，崔洪波，骆宗安，王国栋，一种真空搅拌摩擦焊接装置及金属复合板制备方法，CN201410843109.1。 4. 项目完成.人员 主要完成.人员 单位 谢广明 副教授 东北大学RAL重点实验室 骆宗安 教授 东北大学RAL重点实验室 崔洪波 博士生 东北大学RAL重点实验室 5.报告执笔人 谢广明、骆宗安、崔洪波 6.致谢 本研究是在东北大学轧制技术及连轧自动化重点实验室骆宗安教授与谢广明副教授共同悉心指导下，在课题组成员的精诚合作下完成的。在项目的完成过程中，实验室完善的装备条件和优选的检测手段，为本研究创造了良好的环境，衷心感谢实验室各位领导、相关老师和实验室的博士、硕士生们的帮和大力支持。