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1、搅拌摩擦焊 第一节搅拌摩擦焊的基本原理第二节搅拌摩擦焊的焊接过程及特点第三节搅拌摩擦焊工艺第四节搅拌摩擦焊设备第五节搅拌摩擦焊的应用 一 搅拌摩擦焊原理 它可以焊接所有牌号的铝合金以及用熔焊方法难以焊接的材料 并突破了普通摩擦焊对轴类零件的限制 可进行板材的对接 搭接 角接及全位置焊接 由于搅拌摩擦焊是固态焊接 所以没有熔化焊时的气孔 裂纹及合金元素烧损等缺陷 搅拌摩擦焊的接头性能普遍优于熔化焊的 目前 搅拌摩擦焊技术已在飞机制造 机车车辆和船舶制造等领域得到广泛的应用 主要用于铝及其合金 铜合金 镁合金 钛合金 铅 锌等非铁金属材料的焊接 也可用于焊接钢铁金属 搅拌摩擦焊 FrictimSt
2、irWelding 简称FSW 利用一种特殊形式的搅拌头边旋转边前进 通过搅拌头与工件的摩擦产生热量 摩擦热使该部位金属处于热塑性状态 并在搅拌头的压力作用下从其前端向后部塑性流动 从而使待焊件压焊为一个整体 二 搅拌摩擦焊的焊接过程及特点 一 搅拌摩擦焊焊接过程搅拌摩擦焊是利用摩擦热作为焊接热源的一种固相焊接方法 但与常规摩擦焊有所不同 在进行搅拌摩擦焊接时 首先将焊件牢牢地固定在工作平台上 然后 搅拌焊头高速旋转并将搅拌焊针插入焊件的接缝处 直至搅拌焊头的肩部与焊件表面紧密接触 搅拌焊针高速旋转与其周围母材摩擦产生的热量和搅拌焊头的肩部与焊件表面摩擦产生的热量共同作用 使接缝处材料温度升高
3、且软化 同时 搅拌焊头边旋转边沿着接缝与焊件作相对运动 搅拌焊头前面的材料发生强烈的塑性变形 随着搅拌焊头向前移动 前沿高度塑性变形的材料被挤压到搅拌焊头的背后 在搅拌焊头与焊件表面摩擦生热和锻压共同作用下 形成致密牢固的固相焊接接头 搅拌摩擦焊接过程如动画所示 二 搅拌摩擦焊的焊接接头1 接头的分区 母材区 图中 d区为接头中无热作用也无塑性变形的母材区 热影响区 HAZ c区该区域的材料因受焊接热循环的影响 微观组织和力学性能均发生了改变 但该区域材料没有产生塑性变形 其组织与母村组织无明显的区别 只是消除了方向性很强的柱状晶结构 热影响区的宽度比熔焊时窄很多 热机影响区 b区该区域是一个
4、过渡区域 材料已产生了一定程度的塑性变形 同时又受到了焊接温度场的影响 焊核区 a区为 焊核区 WNZ 该区域位于焊缝中心靠近搅拌针插入的位置 经历了高温 应变后 焊核的中心发生了强烈的变形 应变导致焊核区在焊接过程中发生了动态再结晶 并导致该区出现高密度的沉淀相 从而有利于抑制焊接过程中晶粒的长大 焊核区一般由细小的等轴再结晶组织构成 在焊接过程中 材料与搅拌针之间的相互作用导致焊核区出现同心环 洋葱环组织 根据塑性变形程度和热作用的不同 将搅拌摩擦焊接头分为4个区域 2 接头力学性能 焊态下 FSW焊缝焊核的强度要大于热影响区的强度 对于退火状态的铝合金 拉伸实验时首先发生破坏的部位通常在
5、远离焊缝和热影响区的母材上 对于形变强化和热处理强化的铝合金 FSW接头的不同区域发生了软化 但可以通过控制热循环 尤其是通过降低焊缝热机影响区的退火效应和过时效的影响来改善接头的性能 也可以通过焊后热处理的方式提高热处理强化铝合金FSW接头的性能 实验结果表明 搅拌摩擦焊对接接头的疲劳性能大都超过相应熔焊接头的设计推荐值 总之 对于铝合金材料 其FSW接头的抗拉强度均能达到母材的70 以上 接头性能的具体数值 除了与母材本身的性能有关外 在很大程度上还取决于FSW的焊接参数 目前 国内外关于搅拌摩擦焊的研究及应用主要集中在铝合金 镁合金以及纯铜等软质 易于成形的材料上 对于钛合金 不锈钢 铝
6、基复合材料等的研究和应用也取得了较大的进展 喷气客机的搅拌摩擦焊 镁合金的搅拌摩擦焊 三 搅拌摩擦焊的特点 焊缝质量好 焊缝是在塑性状态下受挤压完成的 属于固相焊接 因而其接头不会产生与冶金凝固有关的一些如裂纹 夹杂 气孔以及合金元素的烧损等熔焊缺陷和脆化现象 焊缝性能接近母材 力学性能优异 适于焊接铝 铜 铅 钛 锌 镁等非铁金属及其合金以及钢铁材料 复合材料等 也可用于异种材料的连接 不受轴类零件限制 不受轴类零件的限制 可进行平板的对接和搭接 可焊接直焊缝 角焊缝及环焊缝 可进行大型框架结构及大型筒体制造 大型平板对接等 扩大了应用范围 无需高的操作技能和训练 优点 搅拌摩擦焊利用自动化
7、的机械设备进行焊接 避免了对操作工人技术熟练程度的依赖 质量稳定 重复性高 不需焊丝和保护气氛 焊接时无需填充材料 保护气体 焊前无需对焊件表面预处理 焊接过程中无需施加保护措施 厚大焊件边缘不用加工坡口 简化了焊接工序 焊接铝合金材料不用去氧化膜 只需去除油污即可 焊件尺寸精度高 由于搅拌摩擦焊为固相焊接 其加热过程具有能量密度高 热输入速度快等特点 因而焊接变形小 焊后残余应力小 在保证焊接设备具有足够大的刚度 焊件装配定位精确以及严格控制焊接参数的条件下 焊件的尺寸精度高 绿色焊接方法 优点 搅拌摩擦焊焊接过程不产生弧光辐射 烟尘和飞溅 噪声低 实现了焊接过程的环保化 因而搅拌摩擦焊被称
8、为 绿色焊接方法 缺点 焊接时的机械力较大 需要焊接设备具有很好的刚性 与弧焊相比 缺少焊接操作的柔性 搅拌焊头的磨损相对较高 焊缝末端通常有 匙孔 存在 目前已可以实现无孔焊接 等 三 搅拌摩擦焊工艺 一 搅拌摩擦焊接头形式 构件形状 圆形 板状等 接头形式 对接 搭接 角接及T形接头 焊缝形式 环形 圆形 非线性和立体焊缝 焊接位置 全位置焊接 二 搅拌摩擦焊的热输入与焊接参数 焊接热源主体 搅拌针与接合面间的摩擦热 轴肩与焊件材料上表面的摩擦热 搅拌针附近材料发生塑性变形和流体流动 从而导致形变生热 这部分热量相对较小 因此 搅拌摩擦焊本质上是以摩擦热作为焊接热源的焊接方法 所以摩擦生热
9、是影响焊接质量的关键因素 搅拌摩擦焊的热功率可表示为 由于搅拌摩擦焊稳态焊接时 摩擦因数和焊接压力均为定值 因此可将其与形状因子结合为新的常量系数Km 则搅拌摩擦焊热输入的大小可以用n v表征 对于给定的搅拌焊头和焊接压力 其热输入主要取决于n v n v降低 当转速过低或焊速过高 导致n v降低 即焊接热输入较小 热量不足以使焊接区金属达到热塑性状态 因而焊缝中会出现孔洞 未焊透等缺陷 焊缝成形不良 n v过大 随着转速的提高或焊速的降低 n v逐渐增加 焊接热输入趋于合理 焊缝成形较好 当转速过高或焊速过小时 n v则过大 单位长度焊缝上的热输入量过高 焊接区金属过热而导致焊缝表面下凹 焊
10、穿等缺陷 成形及质量均较差 只有当n v在一定范围内 即焊接速度与搅拌焊头的转速匹配合理时 才能获得合适的焊接热输入 得到成形美观 性能优良的焊缝 图4 23是Al 5Mg合金采用搅拌摩擦焊接 旋转速度n 1000r min时 不同n v比值对抗拉强度的影响 从图中可知 随着n v值的增加 强度和塑性都增加 最大抗拉强度达到310MPa 与母材的实测值相同 伸长率为17 是母材实测值的63 在达到最大强度值后 继续增加n v的数值 强度和塑性反而下降 三 搅拌摩擦焊接参数的选择 搅拌摩擦焊接参数主要包括焊接速度 搅拌焊头沿焊缝方向的行进速度 搅拌焊头转速 焊接压力 搅拌焊头结构参数 倾角 搅拌
11、焊头插入速度和保持时间等 1 焊接速度图4 24为焊接速度对铝锂合金搅拌摩擦焊接头抗拉强度的影响 由图可见 接头强度与焊接速度的关系并非简单的线性比例关系 而是呈曲线变化 当焊接速度小于160mm min时 接头强度随焊接速度的提高而增大 从焊接热输入计算公式可知 当转速为定值 焊接速度较低时 搅拌焊头 焊件界面的整体摩擦热输入较高 如果焊接速度过高 热输入不足 热塑性材料填充搅拌针行走所形成的空腔的能力变弱 热塑性材料填充空腔能力不足 则焊缝内易形成疏松孔洞缺陷 严重时焊缝表面形成一条狭长且平行于焊接方向的隧道沟 导致接头强度大幅度降低 2 搅拌焊头旋转速度若焊接速度保持一定 即当焊接速度为
12、定值时 若搅拌焊头的旋转速度较低时 焊接热输入较低 搅拌焊头前方不能形成足够的热塑性材料填充搅拌针后方所形成的空腔 焊缝内易形成孔洞 沟槽等缺陷 从而弱化接头强度 随着旋转速度的增加 沟槽的宽度减小 当旋转速度提高到一定数值时 焊缝外观良好 内部的孔洞也逐渐消失 在适宜的旋转速度下接头才可获得最佳强度值 搅拌焊头的旋转速度通过改变热输入和热塑性材料流动来影响接头微观组织 进而影响接头力学性能 对于高强度铝锂合金 在焊接速度n 160mln min 搅拌焊头倾角 2 的条件下 搅拌焊头转速对接头强度的影响如图4 25所示 由该图可见 当n 800r min时 接头强度随着转速的提高而增加 并于n
13、 800r min时达到最大值 当n 800r min时 接头强度随着转速的提高而迅速降低 焊接压力 焊接压力除了影响搅拌摩擦生热以外 还对搅拌后的塑性金属起到压紧作用 试验表明 当焊接压力不足时 表面热塑性金属 上浮 溢出焊缝表面 焊缝内部由于缺少金属填充而形成孔洞 当焊接压力过大时 轴肩与焊件表面摩擦力增大 摩擦热将使轴肩平台发生粘附现象 使焊缝两侧出现飞边和毛刺 焊缝中心下凹量较大 不能形成良好的焊接接头 表面成形较差 搅拌焊头倾角 搅拌焊头的倾角影响塑性流体的运动状态 从而对焊核的形成过程产生影响 搅拌焊头插入速度 搅拌焊头的插入速度决定搅拌摩擦焊起始阶段预热温度的高低及能否产生足够的
14、塑性变形和流体的流动 搅拌焊头的形状 搅拌焊头的形状决定了搅拌摩擦焊过程的生热及焊缝金属的塑性流动 最终影响焊缝的成形及焊缝性能 四 搅拌摩擦焊设备 按设备功能结构不同 搅拌摩擦焊接工具 搅拌摩擦焊机 机械转动部分 行走部分 控制部分 工件夹紧机构 刚性机架 搅拌焊头 一 搅拌摩擦焊接工具 搅拌焊头是搅拌摩擦焊的关键和核心部件 其主要由轴肩和搅拌针两部分构成 搅拌焊头一般需要具有如下特性 热强性 耐磨性 抗蠕变性 耐冲击性 材料惰性 易加工性 良好的摩擦效果和合理的热传导性能 焊接过程中 搅拌焊头与被焊材料摩擦生热 使被焊材料热塑化 粉碎和弥散接头表面的氧化层 使热塑化的材料产生良好的塑性流动
15、和转移 对焊接区金属施加锻压力 使被焊材料在压力作用下形成固相接头 搅拌焊头的结构设计是搅拌摩擦焊的核心技术之一 其形状决定加热 塑性流体的形成形态 其尺寸决定焊缝尺寸 焊接速度及工具强度 其材料决定摩擦加热速率 工具强度 工作温度及被焊材料的种类 因此 只有当合适的搅拌焊头和优化的焊接参数相配合 才能获得高质量的焊缝 1 轴肩 主要作用 摩擦生热 尽可能包拢塑性区金属 形成一个封闭的焊接环境 并带动周围材料的塑性流动以形成接头 轴肩形式 平面 凹面 同心圆环槽 涡状线等 轴肩表面呈圆环槽或涡状线等凹陷状的设计 可保证热塑性材料受到向内的作用力 从而有利于将轴肩端部下方的热塑性材料收集到轴肩端
16、面的中心 以填充搅拌针后方所形成的空腔 同时可减少焊接过程中搅拌焊头内部的应力集中 2 搅拌针 主要作用 通过旋转摩擦生热提供焊接所需的热量 同时改善热塑性材料的流动路径 增强其行为 搅拌针的形式 搅拌针主要有柱形光面 柱形螺纹搅拌针 锥形螺纹搅拌针 三槽锥形螺纹搅拌针 偏心圆搅拌针 偏心圆螺纹搅拌针 非对称搅拌针和可伸缩搅拌针等多种形式 如图所示为英国焊接研究所研制的两种搅拌焊头 三槽锥形螺纹和锥形螺纹搅拌焊头 三槽锥形螺纹搅拌焊头是在焊针的锥面上开有三个螺旋形的槽 用以减小搅拌针的体积 增加软化材料的流动性 同时破坏并分散附着于工件表面上的氧化物 扩大了被焊材料的厚度范围 搅拌摩擦焊接完成后 在焊缝的尾端会留有一个匙孔 为解决这个问题 发明了可伸缩式搅拌焊头 其又可分为自动和手动伸缩式两种形式 伸缩式搅拌焊头可以通过调节焊针长度来焊接不同厚度的材料和实现变厚度板材间的连接 还可在焊接即将结束时将搅拌焊针逐渐缩回到轴肩内 使匙孔愈合 从而避免形成匙孔缺陷 二 搅拌摩擦焊机 现在 搅拌摩擦焊机的制造已由试验研究阶段进入工业应用时期 世界著名的焊接设备生产企业ESAB公司已制造了多种类型
