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1、沈阳理工大学创新论文目 录1 绪 论22 搅拌头的设计42.1 搅拌头材料的选择42.2 搅拌头结构尺寸设计52.2.1 轴肩52.2.1 搅拌针63 搅拌头的具体设计73.1 搅拌头的材料选择73.2 轴肩及搅拌针的具体设计尺寸73.3 轴肩及搅拌针的几何形状设计83.3.1 设计原理83.3.2 形状设计9参考文献101 绪 论搅拌摩擦焊( Friction Stir Welding，简称 FSW) 是由英国焊接研究所(The Welding Institute，简称 TWI)于1991年研究发明的一种先进的固相连接技术，被认为是自激光焊接问世以来最引人注目和最具潜力的连接技术1。其焊接工
2、作原理如图 1-1 所示，高速旋转的搅拌头扎入工件后沿焊接方向运动，在搅拌头与工件接触部位产生摩擦热，使其周围金属形成塑性软化层，软化金属在搅拌头的旋转作用下填充后方空腔并在轴肩与搅拌针的搅拌及挤压作用下实现材料连接。图1.1 搅拌摩擦焊工作原理FSW与弧焊、激光焊、电子束焊、钎焊和扩散连接等传统焊接方法相比，FSW具有高效低耗、焊接温度低、接头残余应力小、焊接工件变形小、环境友好等特点，特别在大规格薄板焊接中是其他焊接方法远不可相比的。经过20多年的发展，搅拌摩擦焊已经从技术研究迈向高层次的工程化和工业化应用阶段。被焊材料也已从铝合金逐渐扩展到镁合金、铅合金、铜合金、钢、钛合金以及复合材料等
3、。目前，搅拌摩擦焊设备的制造和产品的加工在国内外已经成为一类高技术新兴产业。搅拌摩擦焊不仅具备普通摩擦焊技术的优点，由于搅拌头的灵活性还可以适应不同接头形式和位置的焊接。由于焊接过程中的热量仅仅能使被焊金属达到塑性状态，故焊接过程焊件的变形量小，焊接无需添料，焊接过程绿色环保、耗材少。应用方面，因为搅拌摩擦焊焊接过程操作简便，焊接缺陷少接头性能好，自动化程度高且生产周期短，现已被广泛用于造船业、车辆制造、飞机制造、航天制造等工业领域。搅拌头作为搅拌摩擦焊的“心脏”，其材料和结构设计是搅拌摩擦焊技术的核心，是搅拌摩擦焊工艺中最重要的技术之一，是决定搅拌摩擦焊技术能否扩大待焊材料的种类以及能否提高
4、待焊材料板厚范围的关键。2 搅拌头的设计2.1 搅拌头材料的选择由于搅拌摩擦焊接所需要的热源主要来源于搅拌头和工件材料的摩擦热，焊接过程搅拌头又需要承受高温、顶锻压力、摩擦扭矩、行进阻力等联合作用，所以搅拌头的材料应具备以下基本特征：热硬性、耐磨性、抗蠕变性、耐冲击性、易加工性、材料惰性、优良的摩擦效果等。目前常用的搅拌头材料主要有三种：高温合金、热作模具钢及硬质合金。高温合金（以 GH4169为例）虽然能在700摄氏度下保持较好的性能，但在400摄氏度以上的焊接工作温度下损耗严重；热作模具钢（以H13为例）工作温度一般在540摄氏度左右，在其工作范围内显然不适合进高熔点的金属及其合金的焊接；
5、对于硬质合金，碳化钨（WC）占据着非常重要的位置，WC-Co系硬质合金在WC基硬质合金中又具有最高的抗弯强度、抗压强度、冲击韧性及弹性模量，在焊接低熔点材料时，WC-Co硬质合金搅拌头可以焊接很大长度的焊缝而几乎没有损耗，焊接高熔点材料时，其优良的耐磨性及高温性能又可以保证焊缝质量的稳定2。除了以上三种常用材料之外，国内外用于搅拌头制作的材料还有聚晶立方氮化硼等，各材料的研究情况及优缺点对比如表2-1所示：表2-1国内外搅拌摩擦焊搅拌头材料研究情况及优缺点2搅拌头材料 高温性能 强度韧性 耐磨性 经济性 工具钢 良好 一般 较差 较便宜 镍基和钴基合金 一般 很好 一般 原材料较贵 难熔金属及
6、其合金 良好 高温下较好 良好 周期长，加工难，成本高 聚晶立方氮化硼 很好 韧性较差 很好 材料制备条件苛刻，加工成本很高 硬质合金 很好 较好 很好 传统加工方法周期长或加工成本高在焊接铝、镁、铅等低熔点材料时，搅拌头采用工具钢即可。对于钢、铜、钛等高熔点材料来讲，焊接时最高温度在1 000 以上，能满足使用要求的搅拌头材料往往是难熔金属合金或者结构陶瓷。但在焊接铝基复合材料时，由于出现的高硬度的第二相颗粒会导致搅拌头较严重的磨损。经过对各种材料包括特种钢材，硬质合金等的综合研究，在焊接铝基复合材料材料是选用GT35钢结硬质合金作为搅拌头的材料2。2.2 搅拌头结构尺寸设计搅拌头材料确定的
7、前提下,轴肩和搅拌针形状和尺寸对焊缝的质量有重要影响。搅拌头的形状决定了焊缝金属塑性加热、热塑性材料的流动和锻造形式搅拌头的尺寸决定了焊缝尺寸和焊接速度。2.2.1 轴肩轴肩在焊接过程中主要是与工件表面摩擦提供焊接热源以及封闭焊接环境,以阻止高塑性软化材料从轴肩溢出。根据不同焊接需要,轴肩与搅拌针交界的工作面可加工为平面型,凹陷型和凸起型。图2.1为几种常见的轴肩形貌,它们都是在搅拌针和轴肩交界处中间凹入的3。研究指出,在焊接过程中,这种设计形式可保证轴肩端部下方的软化材料受到向内方向的力的作用,从而有利于将轴肩端部下方形成的软化材料收集到轴肩端面的中心以填充搅拌针后方形成的空腔,同时还可减少
8、焊接过程中搅拌头内部的应力集中而保护搅拌头。图2.1 不同几何形貌的轴肩对于特定的焊接材料，为了获得最佳的焊接效果，必须设计出与之相适应的特殊的几何形貌轴肩几何形貌。由于轴肩在搅拌摩擦焊接过程中所起的作用比较单一，因而人们对轴肩形貌、几何尺寸及其对焊接过程中塑性流动和焊后接头质量影响方面的研究较少，而将大部分精力投入搅拌针形貌、几何尺寸设计方面的研究。2.2.1 搅拌针不同形式搅拌针决定被焊材料的流动以及成形机理,合理设计的搅拌针形状和尺寸是得到良好焊缝的关键。大量试验总结说明的搅拌针长度应略小于焊件厚度,其与轴肩径之比约为1:3为好,与焊件厚度之比约为1：1时较好1。目前搅拌针的种类主要有带
9、螺纹以及不带螺纹的圆柱形、圆台形、偏心式、非对称式、外开式和可伸缩式等。3 搅拌头的具体设计此次设计的搅拌摩擦焊用搅拌摩擦头主要用于7mm厚的铝合金的焊接，主要用于对接接头。3.1 搅拌头的材料选择铝合金材料由于质量轻、抗腐蚀、易成形等优点，受到众多工业制造领域的青睐，随着该材料性能的不断提高及新牌号的硬铝、超硬铝等材料的出现，在航空、航天、高速列车、高速舰船等工业领域得到了 越 来 越 广 泛 的 应 用 。 但 是 ，铝合金材料表面致密的氧化层以及弧焊过程中较大变形等又限制了这种材料的进一步推广应用。搅拌头是搅拌摩擦焊设备的核心部件本文所用搅拌头是自主选材和设计的。对于铝合金搅拌摩擦焊来说
10、，焊缝区在焊接过程中的温度可达到400-480摄氏度，这就要求搅拌头要具有优异的高温性能，包括：热强性、抗蠕变性、在焊接温度下不发生组织变化即热稳定性、与被焊材料不发生化学反应即材料惰性；同时在搅拌摩擦焊的过程中搅拌头还要受到试件强烈的反作用力和于试件材料之间发生摩擦，因此必须具有好的耐磨性、耐冲击性能，并且要具有合适的摩擦效果和导热性能；从经济的角度考虑则希望搅拌头容易加工、材料容易得到，同时还要考虑价格因素。综合考虑，本文选用高速工具钢来制作搅拌头，经过淬火和多次回火处理，性能可以较好的满足试验要求4。经过初步的优化设计，对于薄板铝合金的搅拌摩擦焊，其搅拌头的材料选用工具钢即可满足焊接要求
11、。3.2 轴肩及搅拌针的具体设计尺寸（1） 搅拌针尺寸：搅拌摩擦焊的搅拌头，一般要求搅拌针的直径等于待焊材料的厚度，及搅拌针直径为7mm。（2） 轴肩尺寸：搅拌摩擦焊的搅拌头，一般要求其轴肩的直径为对应焊材板厚的3-5倍，及轴肩的设计尺寸为21mm（3） 轴肩长度：轴肩的长度约为25mm（4） 轴肩下压深度：焊接时轴肩下压深度约为0.5mm3.3 轴肩及搅拌针的几何形状设计3.3.1 设计原理搅拌摩擦焊时，搅拌头轴肩与工件表面以及搅拌针与母材产生的摩擦热是焊接热量的主要来源，在搅拌摩擦焊过程中，需考虑搅拌针与金属材料的摩擦热，并且这部分热量对搅拌摩擦焊接头材料塑性流动、接头性能起着关键的作用。
12、搅拌摩擦焊接头中横剖面中出现的隧道形缺陷或孔洞就是在搅拌针与其周围金属的摩擦热不够，材料的塑性流动不充分的情况下出现的。通过实验测量了不同类型搅拌头条件下铝合金焊接试板特征点的温度曲线,分析了搅拌头轴肩尺寸和搅拌针形状对焊接试板温度场的影响。结果表明,轴肩是搅拌摩擦焊接热输入的主要来源,搅拌头轴肩尺寸越大,产生的焊接热量越大,对应试板测温点的温度越高。搅拌头针形对焊接初始阶段试板的温度有明显影响,稳定焊接阶段,试板温度与搅拌针的几何特征及其作用下焊缝金属的塑性流动有关。采用圆台形搅拌针时焊接试板温度最高,采用圆柱形搅拌针时试板温度次之,采用螺纹形搅拌针时试板温度最低4。且经大量研究表明，当采用
13、圆柱探针和圆锥探针搅拌头进行焊接时,接头容易出现孔洞缺陷,孔洞一般位于接头中下部前进边一侧。当采用圆锥带螺纹探针搅拌头进行焊接时,可以获得缺陷较少的焊缝。由此可以看出,搅拌头形状对焊缝组织和焊接缺陷的形成具有重要影响。当采用圆锥和圆柱探针搅拌头进行焊接时,在一定的焊接参数下,焊接过程热输入量不足,材料流动不够充分,导致孔洞缺陷的形成。探针上加工螺旋线可以增大探针与塑性材料之间的摩擦,产生更多的热量,而且由于螺旋线可以产生一个向下的推力,使塑性材料流动更充分,搅拌更均匀,避免了孔洞缺陷的产生5。3.3.2 形状设计因此，在本文搅拌摩擦头的具体设计中，对于搅拌针的形状采用圆台形，且带螺纹，用以增大
14、焊接过程中的热输入量且减少孔洞缺陷的出现。因此，本文搅拌摩擦头的设计如图3.1所示：图3.1 带螺纹圆台形搅拌头参考文献1龚凡、王滨生.国内外搅拌摩擦焊用搅拌头的研究现状及发展趋势 材料开发与应用2013.6 第111118页。2张晨.WC-Co 硬质合金搅拌摩擦焊搅拌头的研制 南昌航空大学硕士 20140609 第13页。3曹朝霞.搅拌摩擦焊工艺研究 大连铁道学院硕士 2002.12.20 第58页。4 李敬勇、亢晓亮.搅拌头几何特征对搅拌摩擦焊试板温度场的影响 航空材料学报 2013.01 第5960页。5 赵衍华、林三宝.2014铝合金搅拌摩擦焊接头缺陷分析 焊接 2005（7） 第1012页。 10
