搅拌摩擦焊
4页1、1搅拌摩擦焊的发展历史搅拌摩擦焊(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315mm、尺寸6x16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(weld ing 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。
2、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,即使一台铳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。3搅拌摩擦焊的特点焊接过程中也不需要其它焊接消耗材料,如焊条、焊丝、焊剂及保护气体等。唯一消耗 的是焊接搅拌头。通常在Al合金焊接时,一个工具钢搅拌头可焊到800m长的焊缝。同时,由于搅拌摩擦焊接时的温度相对较低,因此焊接后结构的残余应力或变形也较熔 化焊小得多。特别是Al合金薄板熔化焊接时
3、,结构的平面外变形是非常明显的,无论是采 用无变形焊接技术还是焊后冷、热校形技术,都是很麻烦的,而且增加了结构的制造成本。目前搅拌摩擦焊主要是用在熔化温度较低的有色金属,如Al、cu等合金。这和搅拌头 的材料选择及搅拌头的工作寿命有关。当然,这也和有色金属熔化焊接相对困难有关,迫使 人们在有色金属焊接时寻找非熔化的焊接方法。对于延性好、容易发生塑性变形的黑色材料, 经辅助加热或利用其超塑性,也有可能实现搅拌摩擦焊,但这就要看熔化焊和搅拌摩擦焊哪 个技术经济指标更合理来决定。搅拌摩擦焊在有色金属的连接中已获得成功的应用,但由于焊接方法特点的限制,目前 仅限于结构简单的构件,如平直的结构或圆筒形结构的焊接,而且在焊接过程中工件要有良 好的支撑或村垫。原则上,搅拌摩擦焊可进行多种位置焊接,如平焊,立焊,仰焊和俯焊; 可完成多种形式的焊接接头,如对接、角接和搭接接头,甚至厚度变化的结构和多层材料的 连接,也可进行异种金属材料的焊接。另外,搅拌摩擦焊作为一种固相焊接方法,焊接前及焊接过程中对环境的污染小。焊前 工件无需严格的表面清理准备要求,焊接过程中的摩擦和搅拌可以去除焊件表面的氧化膜, 焊接
4、过程中也无烟尘和飞溅.同时噪声低。由于搅拌摩擦焊仅仅是靠焊头旋转并移动,逐步 实现整条焊缝的焊接,所以比熔化焊甚至常规摩擦焊更节省能源。特点小结:1)搅拌摩擦焊是一种新型焊接方法,可以焊接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。2)搅拌摩擦焊的出现扩大了结构设计过程中材料的选择范围,由于焊接问题而避免使用 铝合金的场合,现在可以选用比强度高的铝合金等材料。3)搅拌摩擦焊的工业应用刚刚开始,理论研究更显不足,有必要对其进行深入的研究, 以扩大其应用范围,促进科学技术的发展。4研究现状搅拌摩擦焊工艺最初主要用于解决铝合金等低熔点材料的焊接,关于搅拌摩擦焊工艺的 特点和应用等,TWI进行了较多的研究,并于1993年、1995年申请了专利。目前,TWI 主要是与航空航天、海洋、道路交通、铝材厂、焊接设备制造厂等大公司联合,以团体赞助 或合作的形式开发这种技术,扩大其应用范围。他们正在进行的由工业企业赞助的研究项 目包括:钢的搅拌摩擦焊、汽车轻型构件的搅拌摩擦焊等。美国的爱迪生焊接研究所(Edison welding Institute,简称EWI)与TWI密切协作,也在进
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