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1、搅拌摩擦焊搅拌针与轴肩的特点摘要：搅拌摩擦焊技术是90年代发展起来的、自发明到工业应用时间跨度最短 和发展最快的一项新型固相连接新技术，公认为是最有前途和最适合航空材料以 及结构件制造的工艺方法之一。由于捷拌摩擦焊焊缝组织均匀、接头力学性能优 异，生帝过程中安全、无烟尘烟气、无辐射，污染小、成本低等技术优努，因而 在许多工业领域获得了广泛应用。关键词：铝合金；搅拌摩擦焊接；搅拌摩擦焊特性一. 搅拌摩擦焊特性1.1搅拌摩擦焊简介：搅拌摩擦焊技术发明至今以来，无论在国外还是在国内，已经成功跨出试验 研究阶段，发展成为在铝合金结构制造中可以替代熔焊技术的工业化实用的固相 连接技术；搅拌摩擦焊的焊接新
2、装备和搅拌工具的发展非常快，为实施搅拌摩擦 焊工艺方案（如消除搅拌匙孔）及提高各类材料接头的质量，各种类别的新型搅 拌摩擦焊接设备、自动化装置及机器人搅拌摩擦焊机等相继问世。搅拌摩擦焊目 前的发展目标之一是攻克在高熔点金属材料连接中的难题，诸如：普通碳钢、不 锈钢、钛合金、甚至高温合金等结构材料的固相连接，进一步优化搅拌工具的型 体设计与材料选取。摩擦焊可以方便地连接同种或异种材料，包括金属、部分金 属基复合材料、陶瓷及塑料。1.2搅拌摩擦焊原理：搅拌摩擦焊的搅拌头是该技术的核心部分，由搅拌针和轴肩两部分组成。焊 接过程中，搅拌头高速旋转，搅拌针深入到工件内部，轴肩紧压在工件表面（保 持一定的
3、压入量）。高速旋转的搅拌头与工件之间摩擦，产生大量的摩擦热。由 于摩擦热的作用以及搅拌头的粉碎、挤压作用，搅拌头周围金属在焊接过程中将 发生严重的热塑性变形，从而释放大量的塑性变形能。在摩擦热及塑性变形能的 综合作用下，接头金属实现塑性流动并扩散连接，并且沿着待焊界面向前移动， 对于对接焊缝，搅拌指棒的插入深度一般要略小于被焊材料的厚度。1.3搅拌摩擦焊的技术特点：搅拌摩擦焊作为一项新型焊接方法，用很短的时间就完成了从发明到工业化 应用的历程。目前，在国际上还没有针对搅拌摩擦焊公布的统一技术术语标准， 在搅拌摩擦焊专利许可协会的影响下，业界已经对搅拌摩擦焊方法中所涉及到的 通用技术术语进行了定
4、义和认可。搅拌摩擦焊是一种在机械力和摩擦热作用下的固相连接方法。搅拌摩擦焊焊 接过程中，通过搅拌头旋转着缓慢插入被焊接工件，使搅拌头邻近区域的材料热 塑化，旋转着向前移动时，热塑化的金属材料从搅拌头的前沿向后沿转移，并且 在搅拌头轴肩与工件表层摩擦产热和锻压共同作用下，形成致密固相连接接头。二、搅拌针以及轴肩的应用2.1搅拌针的形态搅拌摩擦焊对材料的适应性很强，几乎可以焊接所有类型的铝轴肩，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 面型和凸起型。研究指出，在焊接过程中，这种设计形式可保
5、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，同时还可减少焊接过程中 搅拌头内部的应力集中而保护搅拌头。2.2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、几何尺寸方面的研究。2.3搅拌针轴肩与针长不同形式搅拌针决定被焊材料的流动以及成形机理，合理的搅拌针形状和尺 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
6、之比约为1： 1时较好。目前搅拌针 的种类主要有带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。2.4搅拌针的材料选择铝合金材料由于质量径、抗腐蚀、易成形等优点，受到众多工业制造领域的 青来，随着该材料性能的不断提及新牌号的硬铝、超硬铝等材料的出现，在航空、 航天、高速列车、高速瓶船工业领域得到了越来越厂泛的应用。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。搅拌头是拌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，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
7、具有优异的高温性能，包括：热强性、抗变性、热稳定性、与 被焊材料不发生化学反应即材料性；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，因此必领具有好的耐磨性、对 冲击性能，并且要具有合适的摩效果和导热性能：从经济的角度考虑则希望搅头 耐用容易加工延长使用寿命，一般焊接铝合金用的材质都是合金钢2.5轴肩及搅井针的具体尺寸轴肩在搅拌摩擦焊接过程中主要起两种作用（1）通过与工件表面间的摩擦， 提供焊接热源。（2）提供一个封闭的焊接环境，以阻止高塑性软化村料从轴肩进入，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力的作用， 从而有利于将轴肩
8、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 后方所形成的空腔，同时，可减少焊接过程中搅拌头内部的应力集中而保护搅拌 针。对于特定的焊接材料，为了获得最佳的焊接效果，必须设计出与与之相对应 几何形状的轴肩图形。（3）轴肩尺寸：搅拌头一般要求其轴肩的直径为对应焊材板厚的3-5倍，下 压量及下压深度为0.5mm，轴肩及搅并针的几何形状是带有螺纹及轴肩带有凹槽。 搅拌头轴肩与工件表面以及拌针与母材产生的摩擦热是焊接热量的主要来源，在 焊接过程中，而考虑到金属材料的摩擦热，并且这部分热量使焊接材料塑性流动、 焊接搅拌头起着重要的作用。搅拌摩擦焊接头断面中出现的道形缺陷有孔洞就是 在搅排针与其
9、周国金属的摩擦热不够，轴肩的大小直接影响焊接所需要的热量。 采用底部轴肩圆柱凹槽的搅拌头焊接薄板时比焊接厚板稳定，并且焊接厚板采用 锥状的搅拌头焊接时很容易产生沟槽和隧道等缺陷。焊接过程热输入量不足流动 不充分，导致暗孔的行成。三、搅拌摩擦焊目前存在的主要问题搅拌摩擦焊随着搅拌摩擦焊技术的研究和发展，搅拌摩擦焊在应用领域的限 制得到很好的解决，现在我们尽管搅拌摩擦焊目前可以单到完成厚度为45mm铝 合金材料的焊接，但与某些弧焊技术相比（如薄板激光焊）焊接速度还是相对较 慢：另外，基于搅拌摩擦焊本身的特点，被焊零件需要由钢结构进行固定支撑来 实现焊接，焊接结束后搅拌头的回抽，焊接末端留匙孔所以必
10、要时焊接工艺需要 加装起焊板，搅拌摩擦焊在焊接时需要很大的顶锻力，但是在焊接圆环形状很难 保证结，束匙孔的处理，只能使用伸缩搅拌针才能达到很好的效果，这也是搅拌 摩擦焊需要发展的重要组成部分。四、在实际生产中的结论实际所使用4.3mm搅拌针焊接的轨道列车的地板，以及侧墙的检测，没有发 现任何异常，在焊接检测方面采用相控阵仪器进行探伤检测，紧接着对焊接的工 件进行弯曲、拉伸、金相的力学检测，保证所有的工件质量符合技术要求，而且 搅拌头的寿命达到2000米，轴肩20mm显得非常合理，焊接压力到达20KN，焊 接速度达到2m搅拌针的寿命已经非常耐用了，经济性能很高。比起传统的弧焊 不仅在环境上有了质的提升，在焊接韧性、硬度、抗拉强度等性能均有提高，而 且还能使操作人员有一个舒服的工作环境。参考文献：1 国内外搅拌摩擦焊用搅拌头的研究现状及发展趋势2 WC Co硬质合金搅拌摩擦焊搅拌头的研制3 搅拌擦焊工艺研究
