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搅拌摩擦焊搅拌头损伤与寿命的多维度解析：机理、影响因素及预测模型构建

一、引言

1.1研究背景与意义

在现代工业制造中，焊接技术作为关键的连接工艺，对于保障产品质量、提高生产效率以及降低成本起着举足轻重的作用。搅拌摩擦焊（FrictionStirWelding，FSW）作为一种新型的固相连接技术，自1991年由英国焊接研究所（TWI）发明以来，凭借其独特的优势，在众多领域得到了广泛的应用和深入的研究。

搅拌摩擦焊具有焊接温度低、接头质量高、焊接过程稳定、无需填充材料、变形小以及环境友好等显著优点。在航空航天领域，搅拌摩擦焊被用于制造飞机的机翼、机身、蒙皮等关键结构件，能够有效减轻结构重量，提高材料利用率，同时保证焊接接头的高强度和可靠性，满足航空航天器对轻量化和高性能的严格要求。例如，美国航空领域正在使用搅拌摩擦焊技术将飞机蒙皮和翼梁、翼肋和纵向加强肋焊接在一起；德国空中客车公司应用搅拌摩擦焊技术成功地焊接了空中客车机体及机翼结构。在船舶工业中，搅拌摩擦焊可用于拼接大型中空复合型板材，由于其热输入较低，焊缝的扭转变形小、焊接应力低，能有效提高船舶结构的稳定性和安全性。斯堪的纳维亚和日本的造船公司在船舶的结构制造过程中采用搅拌摩擦焊技术，取得了较满意的效果，如制造渔船上的冷藏箱板、高速货船的甲板、侧墙及船体的内部结构件。在汽车制造行业，搅拌摩擦焊技术可用于制造汽车的底盘、大梁、车轮、油箱等部件，有助于实现汽车的轻量化设计，降低能耗，提高燃油经济性。此外，搅拌摩擦焊在铁路、建筑、电子等领域也展现出了广阔的应用前景。

搅拌头作为搅拌摩擦焊的核心工具，直接与工件接触并参与焊接过程，其性能和状态对焊接质量和效率有着至关重要的影响。在搅拌摩擦焊过程中，搅拌头承受着高温、高压、高摩擦力以及复杂的机械载荷作用，工作条件极为恶劣。随着焊接过程的进行，搅拌头不可避免地会发生磨损、变形、疲劳等损伤现象。搅拌头的损伤不仅会导致其尺寸精度下降、形状改变，进而影响焊接过程中的热量输入、材料流动和搅拌效果，最终降低焊接接头的质量和性能；而且频繁更换搅拌头会增加生产成本，降低生产效率，影响生产的连续性和稳定性。例如，在焊接钛合金时，由于钛合金具有热传导率低、化学活性高、高强度和高熔点等特点，搅拌头在焊接过程中需要承受更高的温度和压力，磨损更为严重。使用价格低廉的镍基高温合金（DZ22）制作的搅拌头，虽然加工简便，但是搅拌头容易磨损，使用寿命较短，这就需要频繁更换搅拌头，增加了生产成本和生产周期。

因此，深入研究搅拌摩擦焊搅拌头的损伤机理，建立准确可靠的寿命预测模型，对于优化搅拌头的设计、选择合适的材料和制造工艺、制定合理的焊接工艺参数以及提高搅拌头的使用寿命和焊接质量具有重要的理论意义和实际应用价值。通过揭示搅拌头损伤的内在机制，可以为搅拌头的材料选择和结构设计提供科学依据，使其能够更好地适应恶劣的工作环境，减少损伤的发生。通过寿命预测模型，可以提前预估搅拌头的剩余寿命，及时进行更换或维护，避免因搅拌头失效而导致的焊接质量问题和生产中断，从而提高生产效率，降低生产成本，增强企业的市场竞争力。

1.2国内外研究现状

搅拌头作为搅拌摩擦焊的核心部件，其损伤机理和寿命预测一直是该领域的研究重点。国内外学者在这方面展开了大量的研究工作，取得了一定的研究成果。

在搅拌头损伤机理研究方面，国外起步相对较早。美国学者Smith等通过对搅拌头在铝合金搅拌摩擦焊过程中的磨损情况进行观察和分析，发现搅拌头的磨损主要集中在搅拌针和轴肩部位，且磨损程度与焊接参数密切相关。当焊接速度较低、旋转速度较高时，搅拌头的磨损加剧，这是因为较低的焊接速度使得搅拌头与工件接触时间延长，而较高的旋转速度增加了摩擦力和热量产生，从而加速了搅拌头的磨损。英国的Jones等研究了不同材料的搅拌头在焊接过程中的损伤行为，指出硬质合金搅拌头在高温下会发生软化，导致其耐磨性下降，容易出现塑性变形和剥落等损伤形式；陶瓷材料搅拌头虽然具有较高的硬度和耐高温性能，但脆性较大，在受到冲击载荷时容易发生断裂。日本的学者Sato等通过微观组织分析，揭示了搅拌头在焊接过程中与工件材料之间的元素扩散现象，发现扩散会导致搅拌头表面成分改变，进而影响其性能，加速损伤的发生。

国内学者在搅拌头损伤机理研究方面也取得了显著进展。哈尔滨工业大学的王快社教授团队通过对钛合金搅拌摩擦焊搅拌头的磨损研究，发现搅拌头的磨损机制主要包括磨粒磨损、黏结磨损和氧化磨损。在焊接初期，磨粒磨损占主导，工件表面的硬质点对搅拌头表面进行切削，形成微小的划痕和磨损坑；随着焊接的进行，温度升高，搅拌头与工件材料之间发生黏结，导致黏结磨损加剧；同时，高温下搅拌头表面与空气中的氧气发生反应，形成氧化膜，氧化膜的剥落进一步加剧了搅拌头的磨损。