热塑性复合材料/金属搅拌摩擦焊研究进展

王振民; 李琰; 毕晓阳; 徐孟嘉

doi:10.7512/j.issn.1001-2303.2023.03.03

搅拌摩擦焊接 | 浏览量 : 0 下载量: 994 CSCD: 0

PDF
导出
分享
收藏
专辑

热塑性复合材料/金属搅拌摩擦焊研究进展
Research Progress of Friction Stir Welding Between Thermoplastic Composites and Metals
2023年53卷第3期页码：22-30
收稿：2023-02-13，

纸质出版：2023-03-20
DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.03.03
稿件说明：

移动端阅览

王振民，李琰，毕晓阳，等.热塑性复合材料/金属搅拌摩擦焊研究进展［J］.电焊机，2023，53（3）：22-30. DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.03.03.

WANG Zhenmin, LI Yan, BI Xiaoyang, et al.Research Progress of Friction Stir Welding Between Thermoplastic Composites and Metals[J].Electric Welding Machine, 2023, 53(3): 22-30. DOI： 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.03.03.

摘要

热塑性复合材料作为新型轻质材料，已经广泛应用于航空航天领域。金属与热塑性复合材料的异种材料连接因其能充分发挥两种材料各自的特性而备受关注。搅拌摩擦焊作为一种低热输入的焊接技术，在金属与热塑性复合材料异种焊接领域有广阔的应用前景。从热塑性复合材料与金属的搅拌摩擦焊焊接方法、炉具设计、焊接工艺参数以及连接机制等方面综合国内外研究成果进行系统性的综述，并对热塑性复合材料/金属异种搅拌摩擦焊的未来发展趋势做出展望。

Abstract

Thermoplastic composites is a new type of lightweight material

which have been widely used in the aerospace field. The dissimilar material connection between metals and thermoplastic composites has received much attention due to its ability to fully exploit the characteristics of both materials. Friction stir welding

as a low heat input welding technology

has broad application prospects in the field of welding between metals and thermoplastic composites. A systematic review of domestic and foreign research results on the friction stir welding of thermoplastic composites and metals is conducted

including welding methods

welding tool design

welding process parameters

and connection mechanisms. In addition

the future development trend of friction stir welding to fabricate thermoplastic composites/metal hybrid structures is prospected.

关键词

Keywords

references

陈平，于祺，孙明，等 . 高性能热塑性树脂基复合材料的研究进展［J］. 纤维复合材料， 2005 ， 02 ： 52 - 57 .

CHEN P ， YU Q ， SUN M ， et al . Advances in High Performance FRTP Composites ［J］. Fiber Composites ， 2005 ， 02 ： 52 - 57 .

王兴刚，于洋，李树茂，等 . 先进热塑性树脂基复合材料在航天航空上的应用［J］. 纤维复合材料， 2011 ， 2 ： 44 - 47 .

WANG X G ， YU Y ， LI S M ， et al . The Research on Fiber Reinforced Thermoplastic Composite ［J］. Fiber Composites ， 2011 ， 2 ： 44 - 47 .

Marsh G . Composites and metals - A marriage of convenience ［J］. Reinforced Plastics ， 2014 ， 582 ： 38 - 42 .

周利，秦志伟，刘杉，等 . 热塑性树脂基复合材料连接技术的研究进展［J］. 材料导报， 2019 ， 33 （ 19 ）： 3177 - 3183 .

ZHOU L ， QIN Z W ， LIU S ， et al . Progress on Joining Technology of Thermoplastic Resin Matrix Composites ［J］. Materials Reports ， 2019 ， 33 （ 19 ）： 3177 - 3183 .

Jung D J ， Cheon J ， Na S J . Effect of surface pre-oxidation on laser assisted joining of acrylonitrile butadiene styrene （ABS） and zinc-coated steel ［J］. Materials & Design ， 2016 ， 99 ： 1 - 9 .

刘煜纯，赵洪运，周宝升，等 . 金属/聚合物基于摩擦连接技术研究现状［J］. 航空学报， 2022 ， 43 （ 4 ）： 525016 .

LIU Y C ， ZHAO H Y ， ZHOU B S ， et al . A review on friction-based metal/polymer joining technologies ［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica ， 2022 ， 43 （ 4 ）： 525016 .

Rathee S ， Maheshwari S ， Siddiquee A N ， et al . A Review of Recent Progress in Solid State Fabrication of Composites and Functionally Graded Systems Via Friction Stir Processing ［J］. Critical Reviews in Solid State & Materials Sciences ， 2018 ， 43 ： 334 - 366 .

Arenas J M ， Alía C ， Narbón J J ， et al . Considerations for the industrial application of structural adhesive joints in the aluminium-composite material bonding ［J］. Composites Part B Engineering ， 2013 ， 44 （ 1 ）： 417 - 423 .

Joesbury A M ， Colegrove P A ， Rymenant P V ， et al . Weld-bonded stainless steel to carbon fibre-reinforced plastic joints ［J］. Journal of Materials Processing Technology ， 2017 ， 251 ： 241 - 250 .

Arbegast W J . Friction stir welding after a decade of development ［J］. Welding Journal ， 2006 ， 85 （ 3 ）： 28 - 35 .

Uyyuru R K ， Kailas S V . Numerical analysis of friction stir welding process ［J］. Journal of Materials Engineering and Performance ， 2006 ， 15 ： 505 - 518 .

Avettand-Fenoel M N ， Simar A . A review about Friction Stir Welding of metal matrix composites ［J］. Materials Characterization ， 2016 ： 1 - 17 .

Bi X ， Luo Z ， Liu B ， et al . Enhancing Interfacial Reliability of Metal–Thermoplastic Hybrid Joints via Adding Carbon Fiber and Adjusting Welding Heat Input ［J］. ACS applied materials & interfaces ， 2021 ， 13 ： 33722 - 33733 .

Nandan R ， Debroy T ， Bhadeshia H . Recent advances in friction-stir welding - Process， weldment structure and properties ［J］. Progress in Materials Science ， 2008 ， 53 （ 6 ）： 980 - 1023 .

Saeedy S ， Givi M . Investigation of the effects of critical process parameters of friction stir welding of polyethylene ［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part B Journal of Engineering Manufacture ， 2011 ， 225 （ 8 ）： 1305 - 1310 .

Eslami S ， Vilhena F ， Marques A T ， et al . New Technological Solution for Friction Stir Welding of Composites ［J］. Procedia Structural Integrity ， 2020 ， 28 （ 9 ）： 659 - 666 .

Ahmed H ， Tooren M V ， Justice J ， et al . Investigation and development of friction stir welding process for unreinforced polyphenylene sulfide and reinforced polyetheretherketone ［J］. Journal of Thermoplastic Composite Materials ， 2019 ， 32 ： 1242 - 1267 .

Buffa G ， Baffari D ， Campanella D ， et al . An Innovative Friction Stir Welding Based Technique to Produce Dissimilar Light Alloys to Thermoplastic Matrix Composite Joints ［J］. Procedia Manufacturing ， 2016 ， 5 ： 319 - 331 .

Baffari D ， Buffa G ， Campanella D ， et al . Experimental and numerical investigation on a new FSW based metal to composite joining technique ［J］. Journal of Manufacturing Processes ， 2018 ， 34 ： 758 - 764 .

Goushegir S M ， Santos J F D ， Filho A . Friction Spot Joining of aluminum AA2024/carbon-fiber reinforced poly（phenylene sulfide） composite single lap joints： Microstructure and mechanical performance ［J］. Materials & Design ， 2014 ， 54 ： 196 - 206 .

Ahmadi H ， Arab N B M ， Ghasemi F A . Optimization of process parameters for friction stir lap welding of carbon fibre reinforced thermoplastic composites by Taguchi method ［J］. Journal of Mechanical Science and Technology ， 2014 ， 28 （ 1 ）： 279 - 284 .

Han S C ， Wu L H ， Jiang C Y ， et al . Achieving a strong polypropylene/aluminum alloy friction spot joint via a surface laser processing pretreatment ［J］. Journal of Materials Science & Technology ， 2020 ， 50 ： 103 - 114 .

Esteves J V ， Goushegir S M ， Santos J F D ， et al . Friction spot joining of aluminum AA6181-T4 and carbon fiber-reinforced poly（phenylene sulfide）： Effects of process parameters on the microstructure and mechanical strength ［J］. Materials & Design ， 2015 ， 6 ： 437 - 445 .

Huang Y ， Meng X ， Xie Y ， et al . Friction spot welding of carbon fiber-reinforced polyetherimide laminate ［J］. Composite Structures ， 2018 ， 189 ： 627 - 634 .

Lambiase F ， Paoletti A ， Durante M . Mechanism of bonding of AA7075 aluminum alloy and CFRP during Friction Assisted Joining ［J］. Composite Structures ， 2021 ， 261 （ 1-4 ）： 113593 .

邹阳，魏巍，范悦，等 . 铝合金搅拌摩擦焊工艺研究进展［J］. 热加工工艺， 2023 ： 1 - 7 .

ZOU Y ， WEI W ， FAN Y ， et al . Research Progress of Friction Stir Welding of Aluminum Alloy ［J］. Hot Working Technology ， 2023 ： 1 - 7 .

Ratanathavorn W ， Melander A . Dissimilar joining between aluminium alloy （AA 6111） and thermoplastics using friction stir welding ［J］. Science & Technology of Welding & Joining ， 2015 ， 20 （ 3 ）： 222 - 228 .

Paidar M ， Ojo O O ， Moghanian A ， et al . Pre-threaded hole friction stir spot welding of AA2219/PP-C30S sheets ［J］. Journal of Materials Processing Technology ， 2019 ， 273 ： 116272 .

Shahmiri H ， Movahedi M ， Kokabi A H . Friction stir lap joining of aluminium alloy to polypropylene sheets ［J］. Science and Technology of Welding and Joining ， 2016 ， 22 ： 120 - 126 .

Liu F C ， Liao J ， Nakata K . Joining of metal to plastic using friction lap welding ［J］. Materials & Design ， 2014 ， 54 ： 236 - 244 .

Xu M ， Liu B ， Zhao Y ， et al . Direct joining of thermoplastic ABS to aluminium alloy 6061-T6 using friction lap welding ［J］. Science and Technology of Welding and Joining ， 2020 ， 25 （ 5 ）： 391 - 397 .

Wu L H ， Nagatsuka K ， Nakata K ， et al . Direct joining of oxygen-free copper and carbon-fiber-reinforced plastic by friction lap joining ［J］. Journal of Materials Science & Technology ， 2018 ， 01 （ 34 ）： 196 - 201 .

Wang Z ， Bi X ， Liu B ， et al . Adhesion enhancement of PEEK/6161-T6 FLJ joints via laser surface modification ［J］. Composites Part B Engineering ， 2021 ， 216 ： 108797 .

Bi X ， Wang Z ， Xu M ， et al . Femtosecond laser fabricated micro/nano interfacial structures to strengthen CFRPEEK/A6061-T6 FLJ hybrid joints ［J］. Composites ， Part B. Engineering， 2022 ， 231 ： 109540 .

Payganeh G H ， Arab N ， Asl Y D ， et al . Effects of friction stir welding process parameters on appearance and strength of polypropylene composite welds ［J］. International Journal of Physical Sciences ， 2011 ， 6 （ 19 ）： 4595 - 4601 .

Huang Y ， Meng X ， Wang Y ， et al . Joining of aluminum alloy and polymer via friction stir lap welding ［J］. Journal of Materials Processing Technology ， 2018 ， 257 ： 148 - 154 .

Huang Y ， Meng X ， Xie Y ， et al . Joining of carbon fiber reinforced thermoplastic and metal via friction stir welding with co-controlling shape and performance ［J］. Composites Part A： Applied Science & Manufacturing ， 2018 ， 112 ： 328 - 336 .

Ravi K K ， Narayanan R G ， Rana P K . Friction Stir Spot Welding of Al6082-T6/HDPE/Al6082-T6/HDPE/Al6082-T6 sandwich sheets： hook formation and lap shear test performance - ScienceDirect ［J］. Journal of Materials Research and Technology ， 2019 ， 8 （ 1 ）： 615 - 622 .

Geng P ， Ma H ， Li W ， et al . Improving bonding strength of Al/CFRTP hybrid joint through modifying friction spot joining tools ［J］. Composites Part B ， 2023 ， 254 ： 110588 .

Anand R ， Sridhar V G . Studies on process parameters and tool geometry selecting aspects of friction stir welding-A review ［J］. Materials today： Proceedings ， 2020 ， 27 ： 576 - 583 .

Paoletti A ， Lambiase F ， Ilio A D . Optimization of Friction Stir Welding of Thermoplastics ［J］. Procedia CIRP ， 2015 ， 33 （ 5 ）： 562 - 567 .

KWON J W ， KANG M S ， YOON S O ， et al . Influence of tool plunge depth and welding distance on friction stir lap welding of AA5454-O aluminum alloy plates with different thicknesse ［J］. Transactions of No-nferrous Metals Society of China ， 2012 ， 22 ： 624 - 628 .

Yabuuchi K ， Tsuda N ， Kimura A ， et al . Effects of tool rotation speed on the mechanical properties and microstructure of friction stir welded ODS steel ［J］. Materials Science & Engineering A ， 2014 ， 595 ： 291 - 296 .

Weglowski MS ， Dymek S . Relationship between friction stir processing parameters and torque， temperature and the penetration depth of the tool ［J］. Archives of Civil and Mechanical Engineering ， 2013 ， 13 （ 2 ）： 186 - 191 .

Eslami S ， Francisco M ， Mourão L ， et al . Polyethylene friction stir welding parameter optimization and temperature characterization ［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology ， 2018 ， 99 ： 127 - 136 .

Liu F C ， Nakata K ， Liao J ， et al . Reducing bubbles in friction lap welded joint of magnesium alloy and polyamide ［J］. Science & Technology of Welding & Joining ， 2014 ， 19 （ 7 ）： 578 - 587 .

Derazkola H A ， Fard R K ， Khodabakhshi F . Effects of processing parameters on the characteristics of dissimilar friction-stir-welded joints between AA5058 aluminum alloy and PMMA polymer ［J］. Welding in the World ， 2018 ， 62 （ 1 ）： 117 - 130 .

Haghshenas M ， Khodabakhshi F . Dissimilar friction-stir welding of aluminum and polymer： a review ［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology ， 2019 ， 104 ： 333 - 358 .

Khodabakhshi F ， Haghshenas M ， Sahraeinejad S ， et al . Microstructure-property characterization of a frict-ion-stir welded joint between AA5059 aluminum alloy and high density polyethylene ［J］. Materials Characterization ， 2014 ， 98 ： 73 - 82 .

Jung K W ， Kawahito Y ， Takahashi M ， et al . Laser direct joining of carbon fiber reinforced plastic to zinc-coated steel ［J］. Materials & Design ， 2013 ， 47 ： 179 - 188 .

Okada T ， Uchida S ， Nakata K . Effect of anodizing on direct joining properties of aluminium alloy and plastic sheets by friction lap joining ［J］. Welding International ， 2017 ， 32 ： 85 - 94 .

Kimiaki N ， Hironobu T ， Bolyu X ， et al . Effect of silane coupling on the joint characteristics of friction lap joined Al alloy/CFRP ［J］. Welding International ， 2018 ， 32 （ 5 ）： 328 - 337 .

Iqbal Z ， Bazoune A ， Al-Badour F ， et al . Effect of Tool Rotational Speed on Friction Stir Welding of ASTM A516-70 Steel Using W-25%Re Alloy Tool ［J］. Arabian Journal for Science and Engineering ， 2019 ， 44 （ 2 ）： 1233 - 1242 .

Liu F C ， Dong P ， Lu W ， et al . On formation of AlOC bonds at aluminum/polyamide joint interface ［J］. Applied Surface Science ， 2019 ， 466 ： 202 - 209 .

Hirchenhahn P ， Al-Sayyad A ， Bardon J ， et al . Highlighting Chemical Bonding between Nylon-6.6 and the Native Oxide from an Aluminum Sheet Assembled by Laser Welding ［J］. ACS Applied Polymer Materials ， 2020 ， 2 （ 7 ）： 2517 - 2527 .

Bi X ， Xu M ， Xie Z ， et al . A Conceptual Strategy toward High-Reliability Metal-Thermoplastic Hybrid Structures Based on a Covalent-Bonding Mechanism ［J］. ACS Applied Materials & Interfaces ， 2022 ， 14 （ 44 ）： 50363 - 50374 .

编辑部网址： http：//www.71dhj.com http://www.71dhj.com