搅拌摩擦焊
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随着现代制造技术的不断进步,材料焊接技术也在不断发展。
搅拌摩擦焊作为一种新型的焊接方法,因其低能耗、无污染、高效率等优点而备受关注。
在工业界和学术界,对搅拌摩擦焊技术的研究也越来越深入。
一、搅拌摩擦焊简介1. 搅拌摩擦焊的原理和特点搅拌摩擦焊是一种无熔金属的固态焊接方法,通过机械搅拌和摩擦加热的方式将材料焊接在一起。
与传统的熔化焊接方法相比,搅拌摩擦焊具有温度低、热影响区小、焊接变形小等优点。
2. 搅拌摩擦焊的应用领域搅拌摩擦焊技术已广泛应用于航空航天、汽车制造、铁路交通等领域,尤其在焊接铝合金、镁合金等轻金属材料方面具有独特优势。
二、搅拌摩擦焊镁铝异种材料研究现状1. 镁铝异种材料的特点镁铝异种材料因其密度低、强度高、耐腐蚀等特点,被广泛应用于航空航天、汽车制造等领域。
然而,由于镁铝材料的化学性质和熔点差异较大,传统的焊接方法往往难以实现良好的焊接效果。
2. 搅拌摩擦焊镁铝异种材料的研究现状为解决镁铝异种材料的焊接难题,学术界和工业界进行了大量的研究。
目前,搅拌摩擦焊镁铝异种材料的研究已取得了一定进展,但仍存在一些挑战。
3. 研究现状的主要问题(1)焊接接头的组织和性能不稳定,需要进一步优化工艺参数和焊接头形貌。
(2)搅拌摩擦焊镁铝材料的金属间化合物生成机理和影响因素尚不清楚,需要深入研究。
(3)焊接接头的力学性能、耐腐蚀性能等方面还需要进一步评估和提升。
三、未来研究方向1. 优化焊接工艺参数针对搅拌摩擦焊镁铝异种材料存在的问题,未来研究可以进一步优化焊接工艺参数,包括搅拌转速、下压力、焊接速度等,以获得更稳定的焊接接头组织和性能。
2. 深入研究金属间化合物形成机理金属间化合物的生成对搅拌摩擦焊接头的性能具有重要影响,未来的研究可以针对金属间化合物的形成机理和影响因素进行深入探讨,为优化焊接工艺提供理论依据。
3. 综合评价焊接接头性能未来的研究还可以从焊接接头的力学性能、耐腐蚀性能等方面进行综合评价,探索提升镁铝异种材料搅拌摩擦焊接头综合性能的途径。
搅拌摩擦焊工艺流程
《搅拌摩擦焊工艺流程》
搅拌摩擦焊是一种先进的固态焊接工艺,它通过在金属材料接触面上施加轴向力和旋转摩擦热量的方式来实现材料的固态连接。
这种工艺不需要填充材料,避免了传统的熔化焊接中出现的气孔和裂纹等缺陷,因此具有焊接接头强度高、焊接速度快、焊接质量稳定的优点。
搅拌摩擦焊的工艺流程一般包括以下几个步骤:
1. 准备工作:首先需要准备好待焊接的金属材料,确保表面清洁并且没有油污和氧化物。
同时还需要准备好搅拌摩擦焊设备,包括摩擦焊头和加工台等。
2. 对接材料:将待焊接的金属材料对接在一起,并设置合适的摩擦焊头位置和压力,以确保焊接接头的质量。
3. 开始摩擦热:启动设备,让摩擦焊头在两块金属材料的接触面上旋转摩擦,产生摩擦热。
同时施加轴向力,将两块金属材料紧密接触在一起。
4. 搅拌连接:在摩擦热的作用下,金属材料表面开始软化,搅拌摩擦焊头开始向两块材料之间折叠,将材料的粒子分布重新整合,实现固态连接。
5. 冷却固化:当搅拌连接完成后,停止摩擦热和轴向力,让焊
接接头自然冷却,使焊接接头固化并达到理想的焊接强度。
通过以上步骤,搅拌摩擦焊工艺可以实现金属材料的固态连接,无需添加额外材料,焊接接头的质量和性能更加稳定可靠。
在航空航天、汽车制造和核工业等领域,搅拌摩擦焊已经得到广泛应用,并展现出了巨大的潜力和市场价值。
1搅拌摩擦焊概览搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding,FSW)作为一种固相连接技术,在1991年由英国焊接研究所(The Welding Institute, TWI)发明。
与传统熔化焊相比,FSW无需添加焊丝、不需要保护气体,焊接过程无污染、无烟尘、无辐射,焊接接头残余应力低,因此具有焊接效率高、焊接变形小、能耗低、设备简单、焊接过程安全等一系列优点。
经过20多年的发展,FSW已经在航空航天、轨道交通、舰船等领域得到了广泛应用。
搅拌摩擦焊的原理如图1所示。
高速旋转的搅拌头扎入被焊工件内,旋转的搅拌针与被焊材料发生摩擦并使其发生塑化,轴肩与工件表面摩擦生热并用于防止塑性状态的材料溢出。
在焊接过程中,工件要刚性固定在背部垫板上,搅拌头边高速旋转边沿工件的接缝与工件相对移动,在搅拌头锻压力的作用下形成焊缝,最终实现被焊工件的冶金结合。
图1 搅拌摩擦焊接原理搅拌摩擦焊广泛适用于各类材料,目前已成功实现了铝、镁等低熔点金属及合金、铜合金、钛合金、钢铁材料、金属基复合材料以及异种金属(铝/铜、铝/镁、铝/钢等)的焊接。
在传统技术的基础上,搅拌摩擦焊有了五大创新发展:双轴肩搅拌摩擦焊、静轴肩搅拌摩擦焊、搅拌摩擦点焊、复合能场搅拌摩擦焊、搅拌摩擦增材制造。
双轴肩搅拌摩擦焊(Bobbin Tool Friction Stir Welding,BT-FSW)与传统FSW相比,其搅拌头为上、下轴肩结构,两个轴肩通过搅拌针连接,下轴肩取代了传统FSW的背部刚性支撑垫板,对工件进行自支撑,实现中空部件的焊接。
其焊接原理如图2所示。
上、下双轴肩的结构在焊接过程中降低了接头厚度方向的温度梯度,减小了接头组织不均匀性,可实现根部全焊透的焊接。
图2 双轴肩搅拌摩擦焊接原理1.上轴肩2.前进侧3.熔合线4.后退侧5.工件6.搅拌针7.下轴肩静轴肩搅拌摩擦焊(Stational Shoulder Friction Stir Welding,SS-FSW)采用轴肩与搅拌针分体式设计,在焊接过程中内部搅拌针处于旋转状态,而外部轴肩不转动,仅沿焊接方向行进。
搅拌摩擦焊原理及其产热特点搅拌摩擦焊,这可是个挺有趣的焊接技术呢。
咱们先得知道它是怎么一回事儿。
这就好比是在做面条的时候,有一根特制的擀面杖,在面团里不停地搅和。
搅拌摩擦焊呢,就是有个特殊的搅拌头,在两块要焊接的材料之间转动、摩擦。
这个搅拌头啊,就像是一个勤劳的小蜜蜂,在材料之间钻来钻去。
它一边旋转,一边沿着焊接的缝儿往前走。
这两块材料呢,就像两个小伙伴,本来是分开的,现在被这个小蜜蜂一样的搅拌头给弄在一起啦。
那搅拌摩擦焊的产热特点可就更有意思了。
你想啊,当这个搅拌头在材料里面转的时候,就像咱们冬天搓手取暖一样。
咱们的手相互摩擦就会发热,搅拌头和材料之间的摩擦也是这个道理。
只不过,这个热可不像咱们搓手那么简单。
它产生的热量是很集中的,就像聚光灯打在舞台上的一个小角落一样。
这种产热方式啊,和传统的焊接可不一样。
传统焊接有时候就像在野外生火,火到处乱窜,热量也散得到处都是。
搅拌摩擦焊的热就规规矩矩地在搅拌头和材料接触的地方产生。
这就好比是在一个小房间里开了个小暖炉,暖炉的热就集中在这个小房间里,不会到处乱跑。
再说说这个热量的大小吧。
它就像是厨师做菜的时候掌握火候一样。
搅拌摩擦焊产生的热量是刚刚好能让材料软下来,能够融合在一起。
不会像有些焊接方法,热太多了,把材料都烧坏了,就像烤焦的面包,黑乎乎的,没法吃了。
也不会像热不够的时候,材料就像两个不熟的朋友,只是表面碰了碰,里面还是各干各的,根本没融合好。
从这个产热的速度来看呢,搅拌摩擦焊就像是短跑运动员起跑一样,很快就能达到需要的热量。
这就保证了焊接的效率。
而且啊,这个热量在整个焊接过程中是比较稳定的。
不像有些焊接,一会儿热一会儿冷,就像那调皮的小孩,一会儿安静一会儿吵闹,这样焊接出来的东西质量肯定不好。
搅拌摩擦焊的这种产热特点,在实际应用中可太有用了。
比如说在汽车制造上,汽车的很多部件都需要焊接。
如果用传统焊接,可能就会有很多问题,像是焊接处不牢固啦,外观不好看啦。
搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding,简称FSW)是英国焊接研究所(The Welding Institute)于1991年发明的专利焊接技术。
搅拌摩擦焊除了具有普通摩擦焊技术的优点外,还可以进行多种接头形式和不同焊接位置的连接。
挪威已建立了世界上第一个搅拌摩擦焊商业设备,可焊接厚3—15mm、尺寸6×16的Al船板;1998年美国波音公司的空间和防御实验室引进了搅拌摩擦焊技术,用于焊接某些火箭部件;麦道公司也把这种技术用于制造Delta运载火箭的推进剂贮箱。
下面主要介绍搅拌摩擦焊的方法、过程、特点以及搅拌摩擦焊在中国的发展现状。
2.搅拌摩擦焊的原理搅拌摩擦焊方法与常规摩擦焊一样.搅拌摩擦焊也是利用摩擦热作为焊接热源。
不同之处在于.搅拌摩擦焊焊接过程是由一个圆柱体形状的焊头(welding pin)伸入工件的接缝处,通过焊头的高速旋转,使其与焊接工件材料摩擦,从而使连接部位的材料温度升高软化.同时对材料进行搅拌摩擦来完成焊接的。
焊接过程如图所示。
在焊接过程中工件要刚性固定在背垫上,焊头边高速旋转.边沿工件的接缝与工件相对移动。
焊头的突出段伸进材料内部进行摩擦和搅拌,焊头的肩部与工件表面摩擦生热,并用于防止塑性状态材料的溢出,同时可以起到清除表面氧化膜的作用。
在焊接过程中,焊头在旋转的同时伸入工件的接缝中,旋转焊头与工件之问的摩擦热,使焊头前面的材料发生强烈塑性变形,然后随着焊头的移动,高度塑性变形的材料流向焊头的背后,从而形成搅拌摩擦焊焊缝。
搅拌摩擦焊对设备的要求并不高,最基本的要求是焊头的旋转运动和工件的相对运动,即使一台铣床也可简单地达到小型平板对接焊的要求。
但焊接设备及夹具的刚性是极端重要的。
焊头一般采用工具钢制成,焊头的长度一般比要求焊接的深度稍短应该指出,搅拌摩擦焊缝结束时在终端留下个匙孔。
通常这个匙孔可以切除掉,也可以用其它焊接方法封焊住。
关于在搅拌摩擦过程中界面原子的运动现在仍处于研究阶段。
搅拌摩擦焊原理:搅拌摩擦焊是一种先进的固态连接技术,主要利用搅拌摩擦过程的热量和机械力来实现材料的连接。
该技术在铝、铜、钢等各类金属材料的连接中均有广泛应用。
以下是对搅拌摩擦焊原理的详细介绍。
一、搅拌摩擦焊的基本原理搅拌摩擦焊的核心原理在于利用一个特殊形状的搅拌头来刮擦待连接的材料表面。
搅拌头的形状通常为圆锥形或圆柱形,材料一般选用具有高强度和耐磨性的硬质合金。
在焊接过程中,搅拌头插入待连接的两块材料之间,通过旋转和向前推移的方式对材料表面进行刮擦。
搅拌摩擦焊过程中的热量主要来源于搅拌头的摩擦和塑性变形产生的热量。
当搅拌头向前推移时,刮擦产生的塑性变形会引发材料内部的热量。
这些热量不仅使材料表面软化,还产生大量的热塑性流体,这些流体在搅拌头的压力下填充了材料表面的微小缝隙,从而实现了材料的连接。
二、搅拌摩擦焊的工艺特点1.固态连接:搅拌摩擦焊是一种固态连接技术,焊接过程中没有熔融态材料的参与,因此具有无液相、无污染的优点。
2.温度适中:相较于传统的熔焊方法,搅拌摩擦焊的温度较低,可以有效降低材料的热损伤,适用于对温度敏感的材料。
3.适用范围广:搅拌摩擦焊可以适用于不同种类的金属材料,包括铝、铜、钢等,具有广泛的应用前景。
4.高效节能:由于搅拌摩擦焊没有熔融态材料的消耗,因此其能源消耗远低于传统熔焊方法。
5.操作简单:搅拌摩擦焊的焊接过程相对简单,操作方便,对操作人员的技术要求较低。
三、搅拌摩擦焊的应用由于其独特的优点,搅拌摩擦焊在许多领域都得到了广泛应用。
1.航空航天:在航空航天领域,许多结构组件需要高强度、高可靠性的连接。
搅拌摩擦焊能够满足这些严苛的要求,因此在飞机和火箭等结构中得到了广泛应用。
2.轨道交通:在轨道交通领域,为了保证车辆和轨道的安全性,需要对各种金属材料进行高质量的连接。
搅拌摩擦焊以其固态连接、高效节能等优点,在该领域得到了广泛应用。
3.电子封装:在电子封装领域,由于电子元件需要微型化和高度集成化,因此需要精确控制连接的质量和可靠性。
搅拌摩擦焊的原理及其特点搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding,简称FSW)是一种新型的固态焊接技术,其原理是利用专用的搅拌工具在焊接接头处进行搅拌和摩擦加热,使焊缝材料发生塑性变形并实现焊接连接。
搅拌摩擦焊具有许多独特的特点,使其在航空航天、汽车、船舶等领域得到广泛应用。
搅拌摩擦焊的原理是通过旋转的搅拌工具将焊接接头中的材料进行搅拌和摩擦加热,从而实现焊接连接。
搅拌工具通常由一个圆柱形肩部和一个锥形销钉组成,通过该工具在焊接接头中进行搅拌和摩擦加热时,焊缝材料发生塑性变形,形成焊接接头。
搅拌工具在焊接过程中施加的压力使焊缝材料得到良好的连接,而没有融化的现象发生。
这种固态焊接技术不仅具有高强度、高质量的焊接接头,而且可以焊接多种金属材料,包括高强度铝合金、镁合金等。
搅拌摩擦焊具有以下特点:1. 无需填充材料:搅拌摩擦焊是一种固态焊接技术,焊接过程中没有熔化的现象发生,因此不需要额外的填充材料。
这不仅节约了材料成本,而且避免了因填充材料导致的气孔、夹杂物等缺陷。
2. 焊接接头质量高:搅拌摩擦焊技术通过搅拌工具的旋转和摩擦加热,使焊缝材料发生塑性变形,形成均匀致密的焊接接头。
焊接接头的质量高,具有良好的力学性能和疲劳寿命。
3. 可焊接多种金属材料:搅拌摩擦焊技术可以焊接多种金属材料,包括铝合金、镁合金、不锈钢等。
这使得搅拌摩擦焊在航空航天、汽车、船舶等领域得到广泛应用。
4. 适用于大尺寸焊接:搅拌摩擦焊技术适用于大尺寸的焊接接头,可以实现长焊缝的连续焊接。
这在船舶、桥梁等领域具有重要意义。
5. 减少热影响区:搅拌摩擦焊焊接过程中没有融化现象发生,因此热影响区较窄,焊接接头周围的材料不会受到过热的影响,减少了变形和残余应力的产生。
6. 环保节能:搅拌摩擦焊焊接过程中无需使用额外的填充材料和保护气体,减少了环境污染和能源消耗。
7. 适应性强:搅拌摩擦焊技术适应性强,可以适应不同形状、尺寸和材料的焊接接头,具有良好的工艺适应性。
搅拌摩擦焊工作原理
搅拌摩擦焊是一种金属材料的焊接方法,它利用摩擦热产生的高温将金属材料加热到软化状态,然后通过机械搅拌的作用将两个金属材料表面摩擦、塑性变形、混合以及扩散,最终实现焊接。
具体工作原理如下:
1. 加热:将需要焊接的两个金属材料的接触面通过旋转的方式摩擦,从而产生摩擦热。
摩擦热会加热金属材料,使其软化达到焊接温度。
2. 搅拌:在材料软化的状态下,通过一个专门的工具,如钳子夹具、旋转刀具等,对材料表面进行强制搅拌。
搅拌的目的是促使熔融金属混合和扩散,从而进一步提高焊接质量。
3. 磨合:磨合是指在搅拌过程中,金属材料表面存在的氧化膜、污染物等被搅拌剪切而排除,或被高温软化后破坏,从而实现材料表面的清理和净化。
4. 固化:当搅拌摩擦焊过程结束后,通过冷却或者其他方式将金属材料冷却至室温,焊缝即可固化。
总的来说,搅拌摩擦焊的主要原理是通过摩擦热加热金属材料并使其软化,然后通过搅拌的方式混合和扩散金属材料,最后冷却固化形成焊缝。
这种焊接方法具有热效应小、焊缝质量高等优点,广泛应用于航空航天、汽车制造、轨道交通等领域。
搅拌摩擦焊和熔焊对比优劣
搅拌摩擦焊和熔焊对比优劣
FSW(搅拌摩擦焊)的特点
搅拌摩擦焊(FSW)实践证明是非铁金属连接工艺,它没有母材熔化、填充金属和保护
气体。
因为它是固态连接工艺,搅拌摩擦焊消除了传统熔焊本身存在的大多数与再凝固相关
的副作用。
该工艺同时也能应用于全位置焊。
FSW的优点
三个重要特征展现了搅拌摩擦焊较之传统熔焊工艺的优势:高效率,低成本和有效连接
铝合金。
用传统熔焊法连接铝合金很难,或者几乎是不可能的。
FSW的优势
搅拌摩擦焊是一种快速工艺,变形小,没有气孔,无热裂纹,能在单焊道内焊接厚铝板。
这些都是效率高,生产成本低的原因。
表1显示的数据在焊接2in.厚铝型材时对FSW和GMAW两种焊接工艺作了比较。
虽然FSW投资成本要高些,但由于焊接速度快,焊接准备工作成本低,所以每段长度的成本
更少。
对焊接厚铝板来说,由于搅拌摩擦焊不熔化铝,所以不需要多焊道来限制线能量。
它有
足够的热来塑化铝,很像热压时的情况。
双重焊头设置也可用,能让用户同时焊接厚铝板的正反面,或同时焊接夹层板,从而进
一步减少了线能量。
同时,由于每个焊头负责材料厚度的一半,焊接总速度实质上加了倍。
使用搅拌摩擦焊的一个缺陷可能是焊接夹具投资成本,尤其是在更为复杂的焊接应用中。
每边必须有足够的侧边和向下夹紧压力,以夹紧它们不离原位。
这一方法可能需要用到液压传动装置。
这一压力可能很大,但很合理。
减少生产成本。
搅拌摩擦焊标准
一。
搅拌摩擦焊这门技术,那可是现代工业领域的一把利剑!它的标准,就是确保这把剑锋利无比、精准无误的关键所在。
1.1 首先咱得说说这焊接质量的标准。
这就好比盖房子打地基,基础不牢,地动山摇。
焊接接头的强度、韧性,那得经得起考验,不能有丝毫马虎。
强度不够,就像纸糊的老虎,一戳就破;韧性不足,稍微受点力就裂成两半。
1.2 再讲讲焊缝的外观标准。
这焊缝啊,就像是人的脸面,得干净、整齐、美观。
不能有气孔、夹渣这些瑕疵,否则就像脸上长了麻子,看着就不舒服。
二。
接下来,咱们聊聊工艺参数的标准。
2.1 搅拌头的旋转速度,那可得恰到好处。
太快了,热输入过大,材料都被“煮烂”了;太慢了,又焊不透,成了“夹生饭”。
2.2 焊接的行进速度也有讲究。
快了慢了都不行,得像老牛拉车,稳稳当当,才能保证焊缝质量均匀一致。
2.3 还有焊接压力,这就好比给庄稼浇水,多了少了都长不好。
压力太大,容易把材料压坏;压力太小,又焊不结实。
三。
最后说说设备和操作的标准。
3.1 设备得精良,就像战士手里的枪,得好使。
定期维护保养,不能关键时刻掉链子。
3.2 操作人员那得是行家里手,技术娴熟,严格按照标准操作,不能随心所欲。
俗话说,没有规矩,不成方圆。
只有遵守标准,才能让搅拌摩擦焊发挥出最大的威力,为工业生产保驾护航!。
搅拌摩擦焊的应用
搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding,简称FSW)是一种高效、高质量的焊接技术,广泛应用于各种工业领域。
以下是搅拌摩擦焊的一些应用领域:
1、汽车制造:搅拌摩擦焊在汽车制造中得到了广泛的应用,用于焊接汽车的底盘、车身、车顶、车门等部件。
这种焊接方法可以大大提高生产效率,降低生产成本,同时保证焊接质量。
2、航空领域:在航空领域,搅拌摩擦焊用于焊接飞机机身、机翼、起落架等部件。
这种焊接方法可以保证焊接质量,提高飞行安全性。
3、铁路运输:在铁路运输领域,搅拌摩擦焊用于焊接火车车厢、铁路桥梁等部件。
这种焊接方法可以提高焊接质量,延长设备使用寿命。
4、船舶制造:在船舶制造领域,搅拌摩擦焊用于焊接船体、甲板、船舱等部件。
这种焊接方法可以提高焊接质量,保证船舶安全性能。
5、能源工程:在能源工程领域,搅拌摩擦焊用于焊接石油管道、天然气管道、水处理设施等部件。
这种焊接方法可以提高焊接质量,保证能源输送安全。
6、机械制造:在机械制造领域,搅拌摩擦焊用于焊接各种机械设备的关键部件,如压力容器、泵、阀门等。
这种焊接方法可以提高焊接质量,保证设备运行安全。
总之,搅拌摩擦焊作为一种高效的焊接技术,已经在各个工业领域得到了广泛的应用,大大提高了生产效率和质量。
搅拌摩擦焊焊机操作规程搅拌摩擦焊(Friction stir welding,简称FSW)是一种相对较新的焊接技术,可用于连接具有较高熔点和难于熔合的材料。
在搅拌过程中热力和机械能作用于工件,金属颗粒被搅拌并进行连接。
与传统的焊接技术相比,FSW具有以下优点:无需使用焊接材料,不产生气体、飞溅、压力变化等缺陷,焊接后的连接面光滑。
一、设备及工具搅拌摩擦焊设备:包括FSW主体、系统控制面板、冷却系统、工件夹具、夹具调节工具等。
工作服:穿戴服装应严格按照公司规定,防护服应完整、无污渍,工作鞋应穿戴整洁。
工具箱:包括绝缘手套、扳手、螺丝刀、剪刀等。
二、操作步骤1. 准备工作(1)检查设备:检查FSW设备和附属设备是否正常工作。
检查液压油位置和状态,检查冷却水流量和水温,检查机器受力是否平衡。
(2)准备工件:将要焊接的材料放在夹具上,将夹具放置在设备上进行调整。
保证工件能够平稳地进入到FSW主体中。
2. 进行焊接(1)将工件放置在夹具上:将要焊接的工件放置在夹具上,保证工件夹紧,紧固螺丝牢固。
(2)调整设备:调整设备,将工件夹具放置在FSW主体上,升降台升高使设备进入焊接位置,确认位置合适。
(3)启动设备:启动设备,让搅拌头和工件接触,调整设备,进行初始搅拌。
(4)设置阀门/电磁阀:在相应的工作阶段设置阀门/电磁阀开关。
(5)进行焊接:搅拌头前进,将它们切入工件并进行摩擦。
从后往前,用步进形式将杆子搅拌到达焊接区域的尽头。
搅拌头回到工件的起点,浸入材料并消失,焊接结束。
3. 完成后的操作(1)检查工件:离开焊接机后,工件应当冷却30分钟,在此期间进行检查,观察焊接情况。
检查焊接部位是否完整、表面是否平整、气孔是否存在等。
(2)处理废料:处理废料和蒸气,保证工作区整洁干净。
(3)关机:按照公司指定的方式对FSW主体和附属设备进行关闭和封存。
总之,搅拌摩擦焊工作安全且易于操作,员工在操作FSW焊接过程中需注意安全保障,严格按照操作规程步骤操作。
目录1绪论 (2)2搅拌头的设计 (4)2.1搅拌头材料的选择 (4)2.2搅拌头结构尺寸设计 (5)2.2.1轴肩 (5)2.2.1搅拌针 (6)3搅拌头的具体设计 (7)3.1搅拌头的材料选择 (7)3.2轴肩及搅拌针的具体设计尺寸 (7)3.3轴肩及搅拌针的几何形状设计 (8)3.3.1设计原理 (8)3.3.2形状设计 (9)参考文献 (10)1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。
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;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,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。
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。
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111~118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2014.06.09第1~3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5~8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59~60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10~12页。