搅拌摩擦焊是什么?关于搅拌摩擦焊的详细介绍

创闻科学2020-11-17 13:24:11

摩擦焊是利用工件端面相互运动、相互摩擦所产生的热,使端部达到热塑性状态,然后迅速顶锻,完成焊接的一种方法。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。

搅拌摩擦焊基本原理

搅拌摩擦焊是利用带有特殊形状的硬质搅拌针的搅拌头高速旋转缓慢插入被焊工件,直到轴肩和母材表面接触,此时搅拌头与母材发生剧烈摩擦,通过搅拌摩擦过程中产生的摩擦热和对搅拌头周围金属的挤压,使接头金属处于塑性状态,搅拌针在旋转的同时沿着焊接方向向前移动,在热-机联合作用下形成致密的金属间结合,实现材料的连接。搅拌摩擦焊的工作原理如图1所示。

搅拌摩擦焊接过程分为以下几部分组成:①搅拌针旋转缓慢插进母材过程;②搅拌头旋转预热过程;③搅拌头移动焊接过程;④焊后停留保温过程;⑤搅拌针拔出过程。焊接的前三阶段十分重要,特别是搅拌头移动焊接过程相对稳定时,搅拌头与工件间摩擦产生的热量对整个焊接过程的影响最为强烈。

搅拌摩擦焊特点

相比传统熔焊方法,搅拌摩擦焊技术的优点大致可以概括为:

①可以得到高质量的焊接接头,不会出现裂纹、夹杂、气孔等常规焊接缺陷。

②焊接过程中不需要焊条、焊丝、焊剂等焊接材料,只需消耗搅拌头材料。在用该技术进行铝合金焊接时,若将工具钢作为搅拌头材料则可焊接的焊缝约800m长。相比熔化焊,搅拌摩擦焊过程温度较低产生的热量少,故焊接后接头的变形和残余应力都相对较小。

③搅拌摩擦焊技术不论是在焊接前还是在焊接过程中都不会污染环境。焊前焊件表面无需严格清理,在焊接时搅拌头与焊件间的搅拌和摩擦作用可有效去除焊件表层的氧化膜,从焊接开始至结束整个过程都没有烟尘、飞溅产生,且噪声低。

④搅拌摩擦焊比一般的焊接方法更加节能省材,原因是该方法靠搅拌头的高速旋转并移动来实现被焊工件间的连接。

随着搅拌摩擦焊研究的不断深入,该技术也在不断的完善发展中,但是目前仍然存在许多不足之处,主要有以下几点:

①相比熔焊,搅拌摩擦焊的焊接速度较低,但若采用搅拌摩擦焊技术焊接厚板时可以一次成型,然而若用传统的普通熔焊方法则需要进行多层多道焊接。

②需要特定的夹具将被焊工件夹紧固定,对焊接装配要求很高。

③在被焊工件背面通常需施加垫板来进行刚性支撑,且在焊接完成后会形成匙孔缺陷;搅拌摩擦焊设备要求具有很高的精度和刚性,一次性投资大。

④目前主要适用于焊接大型结构零部件,对精密的小型零件复杂焊缝的焊接暂时还不能实现;目前暂时缺乏统一的搅拌摩擦焊技术标准。

搅拌摩擦焊设备

搅拌摩擦焊接设备是将搅拌摩擦焊技术在工程上得以应用和推广的关键。由于焊接对象的不同所选择的焊接设备也各不相同。目前我国搅拌摩擦焊接主要以简单轨迹焊缝和长直焊缝为主,空间复杂曲线的搅拌摩擦焊接较少。常见的搅拌摩擦焊接设备主要有立式、卧式和龙门式等。

搅拌摩擦焊接设备由许多部件组成,一般来说,搅拌摩擦焊设备主要包括主机、焊接工装及其他辅助设备(控制柜、液压系统和冷却系统等)三大部分。搅拌头在搅拌摩擦焊设备中的地位极为重要,是搅拌摩擦焊技术的关键。它与被焊工件相互作用,从而实现被焊材料间的连接,其质量的好坏程度决定着被焊材料的种类和厚度。搅拌头的形状决定了焊接产热和形成的塑性流体形态;搅拌头的尺寸决定焊缝尺寸和精度、焊接速度以及焊接工具的强度;搅拌头的材料不仅决定摩擦加热速率、焊接工具的强度和工作温度,而且也决定被焊材料的种类。搅拌头主要由轴肩和搅拌针两部分组成。轴肩的作用是在焊接时尽可能的包拢塑性流动的金属,促使形成光滑平整的焊缝,提高焊接效率和精度,同时,它与被焊工件表面间相互摩擦产生的热量,是重要的焊接热源,特别是采用搅拌摩擦焊技术焊接薄板时摩擦产热是最主要的热量来源。搅拌针的主要作用是通过旋转摩擦生热提供焊接所需的热量,与此同时带动周围材料的塑性流动从而形成焊接接头;另外搅拌针提供的机械搅拌力,让焊缝区材料塑性流动更加充分,使得焊接完成后形成的焊缝组织致密。当搅拌摩擦焊方法用于铝合金焊接时,可采用工具钢、高温合金钢等作为搅拌头的制造材料。

搅拌摩擦焊接工艺

搅拌摩擦焊焊接过程非常复杂,焊接工艺参数对焊接接头的组织和性能都具有重要影响,其中搅拌头旋转速度、焊接速度、焊接压力、焊接线能量、接头对接面间隙、板材错边量和焊接前板材表面状态及搅拌头偏移量等因素都会影响接头的性能。

(1)搅拌头旋转速度:搅拌头的旋转速度对接头的力学性能产生影响,主要是通过改变焊接热输入和材料塑性流动影响微观组织来实现的。当搅拌头的转速较低时,不能产生足够的摩擦热,从而热塑性流动层难以形成,最终导致固相连接不能实现,并且在焊缝中还特别容易形成孔洞等缺陷。由搅拌摩擦焊产热机制可知,随着旋转速度的增加,热输入便增加,热塑性流动层自上而下也逐渐扩大,使得焊缝中的孔洞逐步减小,当转速增加到特定值时,孔洞便开始慢慢消失,从而形成组织致密的高质量焊缝。但如果搅拌头转速太高,则会导致过高的焊接温度,产生其他影响焊接质量的缺陷。

(2)焊接速度:从焊接热输入可知,当搅拌头旋转速度一定时,如果焊接速度较低则会导致搅拌头与焊件界面摩擦产生大量热,使得输入较高;同时从工程实际角度来看,焊接速度太慢会导致生产效率不高。如果焊接速度高于特定值时,会导致材料塑性流动不充分,填充因搅拌针前行而生成的空腔的能力变弱,软化材料不能很好的填充空腔,在焊缝内易形成一条狭小且与焊接方向相平行的疏松孔洞缺陷,极大的降低接头强度,影响焊接质量。

(3)焊接压力:搅拌摩擦焊是一种将摩擦热作为热源的焊接方法,因此,评价焊接接头质量好坏最直接、最有效的参数是焊接热输入。大量文献结果显示,焊接工艺参数和搅拌头的几何形状对焊接压紧力和摩擦力具有较大影响。当压紧力不足时,焊缝内组织疏松,出现孔洞,甚至轴肩对焊接区起不到很好的包拢作用而导致焊缝塑性金属流外溢。当压紧力过大时,轴肩与被焊工件表面的摩擦力增加,搅拌头向前移动的阻力也随之增加,导致焊缝表面易形成飞边、毛刺等焊接缺陷。

(4)焊接线能量:搅拌摩擦焊焊接过程中常用的参数为搅拌头旋转速度和焊接速度,这些参数直接影响到焊接过程中的产热情况。通常情况下,焊接过程的产热量随着搅拌头旋转速度的增加而增大;当焊接速度增加时,单位长度焊缝获得的热量减少。焊接过程的热输入可用公式qE=kw/v 表示,式中k为热输入常数;w为搅拌头旋转速度;v为焊接速度;由公式可以看出,搅拌头旋转速度与焊接速度的比值直接表征了焊接热输入量的大小,即线能量密度n,表示焊接单位长度的旋转速度。

搅拌摩擦焊的应用

搅拌摩擦焊自1991年发明以来,在船舶、高速列车、航空航天、核工业等领域得到了广泛的应用,可以说是当前有着巨大开发潜力的焊接技术之一。

(1)在造船业的应用:由于铝合金材料具有质量轻、强度高、耐腐蚀性能好、易加工等优点, 在船舶设计建造中发挥着重要作用。1995年,挪威Hydro Marine公司就将搅拌摩擦焊技术用于双体快艇和巡航班轮等结构件的制造过程中,包括铝板、壳体、船舱壁部位、船舶的上层结构、直升机起降平台、船舶码头、运输工具及船上制冷设备用的中空挤压铝板等零部件的焊接[2],美国华盛顿 Freeland 的尼科尔斯兄弟造船公司将搅拌摩擦焊铝板用在了航速达 55km 的 X-Craft 级别的名为“Sea Fighter”的军用船只上,并获得成功。2000年,澳大利亚在轻型高速海洋游船的曲面壁板的焊接时就采用了搅拌摩擦焊技术,焊接5mm厚的船体材料5083-H321铝合金板材。焊接完成后进行检测,发现接头质量良好无缺陷。2006 年,我国自主设计制造了第一台宽幅船舶铝合金壁板搅拌摩擦焊设备。

(2)在航天制造业中的应用:搅拌摩擦焊接技术自发明以来一直都被各国航空航天部门所高度重视。目前,搅拌摩擦焊焊技术已成功应用于美国 Delta型 、Atlas型火箭贮箱、航天飞机外贮箱等航天产品的焊接。日本三菱重工在火箭贮箱的制造过程中应用了双轴肩搅拌摩擦焊技术。欧洲Fokker宇航公司在制造Ariane5发动机主承力框的过程中也成功应用了搅拌摩擦焊接技术。随着该技术研究的不断深入,搅拌摩擦焊在航天产品应用方面不断扩大,目前,在飞机的机翼结构、 翼盒结构、 机身结构及机舱气密隔板等结构的制造过程中均可采用搅拌摩擦焊接技术。

(3)在车辆制造业中的应用:目前,汽车制造朝着轻量化、舒适化、高强度的方向发展,使得镁合金、铝合金等轻质材料成为汽车实现节能、环保和安全的首选材料,这就对焊接方法的要求更高,而搅拌摩擦焊技术恰好适用于焊接镁铝合金等轻质材料,且不会产生传统熔化焊常见缺陷。搅拌摩擦焊技术由于其固有的特点,在汽车制造工业中可用于发动机、底盘、车身支架、车门、轿车铝合金车身框架、载货车车身轻质合金部件、旅行车的铝合金车身、客车车身等部件的焊接。

随着焊接技术的不断发展和焊接设备的研发,相信在不久的将来可以应用于搅拌摩擦焊接技术的材料会更多,且搅拌摩擦焊接头具有质量高、缺陷少、变形小等优点,同时该焊接技术还比较容易实现自动化焊接,可以有效的提高产品生产效率,降低成本,提高产品的综合竞争力。因此,随着新材料的开发推广和搅拌摩擦焊接技术的不断发展,相信搅拌摩擦焊技术必将会在更多的领域得到推广和应用。