攪拌摩擦焊技術(shù)的強(qiáng)度分析方法研究

林祥烽 葛建彪 薄曉莉

【關(guān)鍵詞】鈦合金;攪拌摩擦焊;航空;強(qiáng)度分析

1991年英國焊接研究所（The Welding Institute，TWI）發(fā)明攪拌摩擦焊技術(shù)（Friction Stir Welding，F(xiàn)SW）[1]。在攪拌摩擦焊中，攪拌頭與被焊工件表面有一定的角度，從而使攪拌頭在快速旋轉(zhuǎn)的同時能夠沿著垂直于被焊工件厚度方向向下進(jìn)給。當(dāng)攪拌頭在被焊工件內(nèi)部有一定的距離后，攪拌頭會以一定的焊接速度進(jìn)行水平運(yùn)動，待被焊工件在攪拌針和軸肩摩擦產(chǎn)生的焊接熱作用下軟化并發(fā)生塑性變形，在流動過程中形成焊接接頭，具體的原理如圖1所示[2]。攪拌摩擦焊在焊接過程中如果輸入較低，焊接溫度低于被焊工件的材料熔點(diǎn)，在實(shí)現(xiàn)異種金屬的可靠連接和金屬間化合物的控制方面具有十分巨大的優(yōu)勢。經(jīng)過20年來的高速發(fā)展，F(xiàn)SW已經(jīng)在航空航天、軌道交通和船舶等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[3]。目前中國在航空航天領(lǐng)域有著高速發(fā)展的需求和規(guī)劃，攪拌摩擦焊將迎來發(fā)展和應(yīng)用的高峰，因此對于攪拌摩擦焊的強(qiáng)度分析方法的研究顯得尤為重要[4][5][6]。本文將對航空領(lǐng)域常用的三個強(qiáng)度研究領(lǐng)域展開介紹。

一、靜強(qiáng)度分析方法研究

對于焊縫的分析方法，現(xiàn)有的飛機(jī)設(shè)計手冊中的關(guān)于焊接的分析方法主要適用于傳統(tǒng)的熔焊，如激光焊（LBW）和攪拌摩擦焊（FSW）分析采用將過于保守。擬通過一系列的焊縫試片試驗(yàn)，得到相應(yīng)的焊縫強(qiáng)度系數(shù)用于焊縫的靜強(qiáng)度分析。最終通過部件的驗(yàn)證試驗(yàn)對分析方法進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

二、疲勞分析方法研究

擬采用細(xì)節(jié)疲勞額定值法，通過疲勞性能試驗(yàn)確定焊接工藝以及材料的疲勞性能參數(shù)：細(xì)節(jié)疲勞額定值的截止值、細(xì)節(jié)疲勞額定值的基本值、光潔度系數(shù)B和粗糙度系數(shù)F等。利用S-N曲線經(jīng)驗(yàn)公式、累積損傷理論和有限元進(jìn)行焊接結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)部位的疲勞分析。

三、損傷容限分析方法研究

損傷容限分析包括裂紋擴(kuò)展分析和剩余強(qiáng)度分析。

裂紋擴(kuò)展分析目的是：確定使用載荷環(huán)境下，帶損傷結(jié)構(gòu)的裂紋擴(kuò)展壽命，包括檢查門檻值和重復(fù)檢查間隔。

裂紋擴(kuò)展分析研究主要從裂紋擴(kuò)展分析模型確定、裂紋的開裂模式選擇以及裂紋擴(kuò)展材料常數(shù)處理的等方面進(jìn)行。

開裂模式是指飛機(jī)結(jié)構(gòu)中主、副裂紋的起始、連續(xù)擴(kuò)展至破壞的過程描述。它是確定初始裂紋大小以及裂紋連續(xù)擴(kuò)展形式，建立合理的裂紋擴(kuò)展計算幾何模型的基礎(chǔ);焊接結(jié)構(gòu)的開裂模式可能會是多種的，我們將根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果從可能出現(xiàn)的開裂模式中選擇出最典型的和最具危險性的一到兩種進(jìn)行研究。

裂紋擴(kuò)展分析模型從現(xiàn)有計算模型中選取，盡可能使用裂紋擴(kuò)展分析軟件“NASGRO”計算。

帶裂紋結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度會大大低于未損傷結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，為了防止災(zāi)難性破壞的發(fā)生，必須分析開裂結(jié)構(gòu)在整個服役目標(biāo)期內(nèi)的承載能力，也就是剩余強(qiáng)度能力。焊接結(jié)構(gòu)作為單路傳力結(jié)構(gòu)，其剩余強(qiáng)度分析以摸索能夠達(dá)到“兩跨準(zhǔn)則”的最低剩余強(qiáng)度水平為主。

四、總結(jié)和展望

攪拌摩擦焊技術(shù)自發(fā)明以來，因其獨(dú)特的優(yōu)勢得到了廣泛地應(yīng)用。針對攪拌摩擦焊的結(jié)構(gòu)，如果在靜強(qiáng)度分析、疲勞強(qiáng)度分析和損傷容限分析方面得到了充分的驗(yàn)證，有可能發(fā)展成為航空金屬材料主導(dǎo)的先進(jìn)制造技術(shù)。