搅拌摩擦焊.doc

铝合金搅拌摩擦焊
前言
铝合金材料由于重量轻、抗腐蚀易成形等优点受到众多工业制造的青睐，随着这种材料的性能的不断提高，如新型牌号的硬铝、超硬铝等材料的出现，在航空、航天、高速列车、高速舰船等工业制造领域得到了越来越广泛的应用。但是，铝合金材料表面的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运。

一、原理搅拌摩擦焊这种连接技术与传统概念中的摩擦焊方法相似，焊接过程没有被焊材料的熔化，形成的是固相接头。对于铝合金材料要获得高效率、高质量的连续对接和搭接接头的焊接，目前在世界范围内公认搅拌摩擦焊是最具潜力和应用前景的新型连接方法。搅拌摩擦焊（简称FSW）是利用一种非耗损的特殊形状的搅拌头，旋转着插入被焊零件，然后沿着被焊零件的待焊界面向前移动，通过搅拌头对材料的搅拌、摩擦，使待焊材料加热至热塑性状态，在搅拌头高速旋转的带动下，处于塑性状态的材料环绕搅拌头由前向后转移，同时结合搅拌头对焊缝金属的挤压作用，在热-机联合作用下材料扩散连接形成致密的金属间固相连接。搅拌摩擦焊的原理如图1.所示，其中搅拌头由特殊形状的搅拌指棒和轴肩组成，轴肩的直径大于特形搅拌指棒的直径，在焊接过程中轴肩与被焊材料的表面紧密接触，防止塑化金属材料的挤出和氧化，同时搅拌轴肩还可以提供部分焊接所需要的搅拌摩擦热，搅拌指棒的形状比较特殊，焊接过程中搅拌指棒要旋转着插入被焊材料的结合界面处，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。
图1.搅拌摩擦焊原理示意图
搅拌摩擦焊要求的特殊形状的搅拌指棒一般要用具有良好耐高温力学和物理特性的抗磨损材料制造，对于铝合金等轻型合金材料，在焊接过程中搅拌头的磨损程度很小；焊接过程中，搅拌头对焊接区域的材料具有向下挤压和侧向挤压的倾向，所以被焊工件要夹装背垫和夹紧固定，以便承受搅拌头施加的轴向力纵向力（沿着焊接方向）以及侧向力。经过研究，在对接接头中，由于焊接方法的优越性，搅拌摩擦焊对焊接接头形状、清洁度以及接头装配间隙均有较大的工艺裕度；如搅拌摩擦焊对接焊时在接头间隙为厚度10%的条件下，可以得到优良的焊接焊头。

二、优点
与普通的摩擦焊相类似，搅拌摩擦焊基于这种连接方法是在被焊材料熔点以下实现固相连接，所以在方法和工艺上具有较多的优越性。例如，搅拌摩擦焊目前可以焊接所有牌号的铝合金，其中包括以前熔焊难以焊接2xxx系列和7xxx系列的铝合金，焊接过程中没有弧光、烟尘、飞溅等，针对工业制造领域归纳起来，搅拌摩擦焊主要具有如下方面优越性：摩擦焊可以降低制造成本--搅拌摩擦焊是一种简单、高效、节能、没有焊接消耗的连接方法。搅拌摩擦焊可以利用现有的通用机床技术（如HYPERLINK"http://cn.newmaker.com/cat_1050005.html"\t"_blank"铣床技术）来实现焊接；搅拌摩擦焊可以节约能源--一台简单的适合于搅拌摩擦焊焊接的设备，对于厚度为12.5mm的6xxx系列的铝合金材料的搅拌摩擦焊，单道焊的总功率输入大约为3kW，而且除了搅拌头和电外没有其他消耗；焊接过程不需要填充HYPERLINK"http://cn.newmaker.com/cat_1210015.html"\t"_blank"焊丝和保护气；焊前不需要开坡口和对材料表面的氧化层等作特殊的处理；搅拌摩擦焊是一种纯机械化的焊接技术，易于实现自动化和工业产品的批量化制造；搅拌摩擦焊是一种固相焊接，焊接过程中没有熔化，可以实现全位置焊接。
搅拌摩擦焊为新产品、新结构的设计提供了可能--对于铝合金材料，优良的搅拌摩擦焊固相接头和高可靠性和重复性的焊接过程可以促进现有工业产品的改进以及铝合金材料在其他工业产品中的应用和创新。例如以前熔焊不能连接的热敏感性很强的硬铝、超硬铝等材料可以用搅拌摩擦焊得到可靠连接；搅拌摩擦焊可以提高热处理铝合金的接头强度；搅拌摩擦焊没有气孔出现的可能性；固相联接方法可以防止铝基复合材料等的合金和强化相的析出和破坏；搅拌摩擦焊可以实现HYPERLINK"http://cn.newmaker.com/cat_1050013.html"\t"_blank"铸造/HYPERLINK"http://cn.newmaker.com/cat_1050012.html"\t"_blank"锻压以及铸造/挤压等不同材料状态的焊接；较小的焊接变形可以实现精密铝合金零部件的制造用搅拌摩擦焊实现小尺寸挤压形材的连接可以用来制造大尺寸的船舶夹板、列车壁板、卡车箱体等。
搅拌摩擦焊具有可靠的质量保证--搅拌摩擦焊是一种完全机械化的连接技术，可以实现焊接过程以及焊接能量输入的精确控制。搅拌摩擦焊的焊接质量完全由搅拌头的形状和焊接参数决定，所以可以实现精密的过程