搅拌摩擦焊原理
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与塑性变形热作为焊接热源。不同之处在于搅拌摩擦焊焊接过程是由一个圆柱体或其他形状(如带螺纹圆柱体)的搅拌针(weldingpin)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,搅拌针在旋转的同时伸入工件的接缝中,旋转搅拌头(主要是轴肩)与工件之间的摩擦热,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逐渐沉积在搅拌头的背后,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。搅拌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。针对匙孔问题,已有伸缩式搅拌头研发成功,焊后不会留下焊接匙孔。
搅拌摩擦焊的应用
随着近年技术不断发展,为了保护环境、节约能源,人们强烈希望汽车、飞机、机车车辆、船舶等运输机械轻量化。为此,积极开发、研制适用于这些运输机械的轻金属材料,例如铝及其铝合金。
铝及其铝合金材料由于重量轻、抗腐蚀、易成形等优点;随着新型硬铝、超硬铝等材料的出现,使得这类材料的性能不断提高,因而在航空、航天、高速列车、高速舰船、汽车等工业制造领域得到了越来越广泛的应用。除了运输机械外,土木建筑、桥梁等领域也引入了铝及其铝合金。
这些结构的安装连接主要以焊接为主要连接方式。在铝及其铝合金的焊接中,存在的主要问题之一是由于它的膨胀系数大而在焊接时产生较大的变形。
为了防止变形,在施工现场,必须采用胎卡具固定,和由培训过的熟练工人操作。因为铝及其铝合金容易氧化,表面存在一层致密、坚固难熔的氧化膜,所以焊前要求对其表面进行去膜处理;焊接时,要用氩等惰性气体进行保护。
铝及铝合金焊接时,易产生气孔、热裂纹等缺陷,也是焊接时必须注意的问题。对于热处理型铝合金来说,必须避免在焊接时热影响区产生软化,强度降低的问题。
为了解决铝及铝合金熔化焊时出现的以上问题,开发研制出一种新的固相焊接方法,即搅拌摩擦焊。
搅拌摩擦焊经历十几年的研究发展,已经进入工业化应用阶段。搅拌摩擦焊在美国的宇航工业、欧洲的船舶制造工业、日本的高速列车制造等制造领域得到了非常成功的应用。
船舶制造和海洋工业是搅拌摩擦焊首先获得应用的领域,主要应用于船舶零部件的焊接上,如甲板、侧板、防水壁板和地板;还有船体外壳和主体结构件等。已成功焊接了6m×16m的大型铝合金船甲板。此甲板采用厚度甲板6mm、宽为-mm的-T6铝合金进行纵逢拼焊焊成。
在航空制造方面,搅拌摩擦焊在飞机制造领域的开发和应用还处于试验阶段。主要利用FSW实现飞机蒙皮和衍梁、筋条、加强件之间的连接,以及框架之间的连接。图2-32是欧洲计划用搅拌摩擦焊焊接的空中列车A机、A机和大型空中列车A的机身结构图。
在铁道车辆中,搅拌摩擦焊已经用来制造高速列车、货车车厢、地铁车厢和有轨电车等;搅拌摩擦焊为汽车轻合金结构的制造也提供了巨大的可能。
在电子工业方面,搅拌摩擦焊已用于大型铝合金散热片的焊接,使散热片具有很好的热性能和耐振动特性。
随着人们对搅拌摩擦焊技术认识的提高,预计在不远的将来,铝合金材料的连接将主要由搅拌摩擦焊来完成,尤其在运载火箭、高速铝合金列车、铝合金高速快艇、全铝合金汽车等项目中搅拌摩擦焊技术将会占到主导地位。
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