電子束與摩擦焊

電子束與摩擦焊第1頁/共91頁

1.概述

德國的K.-H.Steigerwald和法國的J.A.Stohr首先將電子束應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中。

K.-H.Steigerwald1948年，發(fā)現(xiàn)電子束可以用來加工材料

1951年，打孔，刻蝕，切割

1956年，電子束焊機(jī)J.A.Stohr1954年，真空電子束焊接核工業(yè)燃料元件上的Zr基活潑合金。

1957年，公布研究成果。電子束焊接首先應(yīng)用于原子能及宇航工業(yè)。第2頁/共91頁

2電子束焊的基本原理

2.1電子束的產(chǎn)生高壓加速裝置形成的高功率電子束流，通過磁透鏡會(huì)聚，得到很小的焦點(diǎn)，轟擊置于真空或非真空中的焊件時(shí)，電子的動(dòng)能迅速轉(zhuǎn)化為熱能，熔化金屬，實(shí)現(xiàn)焊接過程。第3頁/共91頁

(1)

陰極鎢。鉭及六硼化鑭制成。(2)

陽極形成束流(3)聚束極控制極、柵極?？刂齐娮邮鳎龢O槍。(4)聚焦透鏡得到107W/cm2以上。(5)偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)適應(yīng)接頭類型和加工工藝。(6)合軸系統(tǒng)得到滿意的電子束斑點(diǎn)。第4頁/共91頁

2.2電子束深熔焊機(jī)理

電子束焊接時(shí)，在加速電壓作用下，電子可被加熱到1/2-2/3的光速，工件材料表面溫度可達(dá)到104℃以上，表層金屬迅速被熔化。高溫還向焊件深層傳導(dǎo)。

Pd＝Pi/пRb2Tc＝(1/λ)PdRb

當(dāng)束斑直徑足夠小時(shí)，功率密度分布曲線變得窄而陡，熱傳導(dǎo)等溫線向深層擴(kuò)散，形成窄而深的加熱模式?；窘Y(jié)論：提高電子束的功率密度可以增加穿透深度。第5頁/共91頁

大厚度電子束焊件中的熱傳導(dǎo)現(xiàn)象。小孔效應(yīng)及其形成高功率密度的電子束轟擊焊件，使焊件表面材料熔化并伴隨著液態(tài)金屬的蒸發(fā)，材料表面蒸發(fā)走的原子的反沖力使焊縫金屬表面壓凹，隨著電子束功率密度進(jìn)一步加大，金屬蒸汽量增多，液面被壓凹的程度也增大，并形成一個(gè)通道。電子束經(jīng)過通道轟擊底部的待熔金屬，使通道逐漸向縱深發(fā)展。小孔的動(dòng)態(tài)平衡與液態(tài)金屬在重力下的浸灌作用和表面張力的封口作用有關(guān)。第6頁/共91頁3.電子束焊接技術(shù)的特點(diǎn)

(1)電子束能量密度高，是理想的焊接熱源

熱源能量密度/W.cm-2熱源直徑/cm電弧1040.2~2等離子104~1050.5~2電子束104~1070.03~1激光103~1070.01~1第7頁/共91頁(2)電子束焊熱源穩(wěn)定性好，易控制(3)真空電子束焊接時(shí)，焊縫免遭大氣污染，在2Pa真空度下焊接相當(dāng)于99.99%氬氣的保護(hù)，真空獲得所消耗的成本遠(yuǎn)低于消耗氬氣的成本。(4)電子束焊機(jī)易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，操作簡單，焊接質(zhì)量易保證，適合批量生產(chǎn)。(5)允許采用的焊接接頭形式較其它焊接方法少，焊接速度快，熱影響區(qū)窄、焊接變形小，可作為最后加工工序或僅保留精加工余量。第8頁/共91頁不同焊接方法的熱影響區(qū)寬度焊接方法熱影響區(qū)各區(qū)平均尺寸/mm熱影響區(qū)總寬度/mm過熱區(qū)相變重結(jié)晶區(qū)不完全結(jié)晶區(qū)埋弧焊2.2~2.01.5~2.52.2~306.0~8.5手工電弧焊0.8~1.20.8~1.70.7~1.02.0~4.0電渣焊18~205.0~7.02.0~2.025~30氧乙炔焊214.02.027氬弧焊6mm20#鋼板2.1~2.20.7~1.11.2~1.95.0~6.2Ф50×4Ф51×2.5管子2.5~2.20.8~1.31.6~2.05.6~6.3電子束焊不預(yù)熱---0.05~0.75180~350預(yù)熱---0.4~1.1第9頁/共91頁不同焊接方法焊縫晶粒尺寸的比較(6Al-6V-25N)焊接方法厚度/mm焊縫寬度/mm熱影響區(qū)寬度/mm晶粒尺寸/mm鎢極氬弧焊1.657.9~9.51.540.892.369.5~11.12.56~4.570.89電子束焊高壓1.272.180.050.25~0.642.411.520.050.25~0.64低壓2.182.561.270.25~0.64第10頁/共91頁不同焊接方法的橫向收縮量焊接方法板厚/mm線能量/kJ·cm-1橫向收縮/mm電子束焊8~182~50.06~0.07手工焊830~320.8~0.9單面自動(dòng)焊1256~600.75~0.8TIG1212~130.35~0.42第11頁/共91頁

(6)大功率電子束適合焊接大厚度零件，提高材料利用率，經(jīng)濟(jì)效益好。(7)電子束焊的適用范圍極廣，它可用于焊接貴重部件(如噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)部件)，又可焊接廉價(jià)部件(如齒輪等)；既可適用大批量生產(chǎn)(如汽車、電子元件)，也適用于單件生產(chǎn)(如核反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)件)；既可以焊接微型傳感器，也可焊接結(jié)構(gòu)龐大的飛機(jī)機(jī)身；從薄的鋸片到厚的壓力容器它都能焊接；不但可焊接普通的結(jié)構(gòu)，亦可焊接多種特殊金屬材料，如超高強(qiáng)度鋼、鈦合金、高溫合金及其它貴重稀有金屬。第12頁/共91頁1焊縫深寬比高

束斑尺寸小，能量密度高?？蓪?shí)現(xiàn)高深寬比(即焊縫深而窄)的焊接，深寬比達(dá)60:1，從0.1~300mm厚度不銹鋼板可一次焊透。2焊接速度快，焊縫物理性能好

能量集中，熔化和凝固過程快。例如焊接厚125mm的鋁板，焊接速度達(dá)400mm/min，是氬弧焊的40倍，能避免晶粒長大，使接頭性能改善，高溫作用時(shí)間短，合金元素?zé)龘p少，焊縫抗蝕性好。3工件熱變形小能量密度高，輸入工件的熱量少，工件變形小4焊縫純潔度高真空對焊縫有良好的保護(hù)作用，高真空電子束焊接尤其適合焊接鈦及鈦合金等活性材料。5工藝適應(yīng)性強(qiáng)參數(shù)易于精確調(diào)節(jié)，便于偏轉(zhuǎn)，對焊接結(jié)構(gòu)有廣泛的適應(yīng)性。6可焊材料多不僅能焊金屬，也可焊陶瓷、石英玻璃等，以及非金屬材料與某些金屬的異種材料接頭。7再現(xiàn)性好電子束焊接參數(shù)易于機(jī)械化、自動(dòng)化控制，重復(fù)性、再現(xiàn)性好，提高了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。8可簡化加工工藝可將重復(fù)的或大型整體加工件分為易于加工的、簡單的或小型部件，用電子束焊為一個(gè)整體，簡少加工難度，節(jié)省材料，簡化工藝。第13頁/共91頁Allmetallicmaterialscanbemeltedusingafocusedelectronbeamand,inconsequence,mostpuremetalsandalloyscanbesuccessfullywelded.SteelsandironalloysC-MnandstructuralsteelsAlloysteelsStainlesssteelsSoftironNickelalloysAluminiumandmagnesiumalloysCopperanditsalloysRefractoryandreactivemetalsDissimilarmetalsNon-metalsCastirons:EBweldingisnotrecommendedasajoiningprocessforcastirons。第14頁/共91頁EBWLimitationsHighequipmentcostWorkchambersizeconstraintsTimedelaywhenweldinginvacuumHighweldpreparationcostsX-raysproducedduringweldingRapidsolidificationratescancausecrackinginsomematerials第15頁/共91頁EBWProblemsandDiscontinuities

Undercutting（咬邊）

Porosity

Cracking

Underfill

Lackoffusion

Shrinkagevoids

Missedjoints

第16頁/共91頁

4.電子束焊接設(shè)備按真空狀態(tài)分真空型局部真空型非真空型按加速電壓分高壓型：大于80KV

中壓型：40-60KV

低壓型：小于等于30KV主要組成：電子槍、工作真空室、工作臺(tái)、高壓電源、控制及調(diào)整系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和焊接夾具。第17頁/共91頁

(1)電子槍產(chǎn)生電子使之加速、會(huì)聚成電子束的裝置。影響電子束穩(wěn)定性的主要原因是高壓放電，往往使電子束偏轉(zhuǎn)以避免金屬蒸汽對束源段產(chǎn)生直接的影響。電子槍一般安裝在真空室外，有時(shí)安裝在真空室內(nèi)可運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)上，動(dòng)槍。(2)高壓電源及控制系統(tǒng)為電子槍提供加速電壓、控制電壓及燈絲加熱電流。(3)控制及調(diào)整系統(tǒng)

第18頁/共91頁

(4)工作室及抽真空系統(tǒng)工作室尺寸及設(shè)計(jì)。氣密性、剛度要求、X射線防護(hù)。電子槍抽真空系統(tǒng)、工作室抽真空系統(tǒng)(5)電子束焊機(jī)現(xiàn)狀1)大型真空電子束焊機(jī)幾十立方米到幾百立方米：280、110、400、8002)局部真空電子束焊機(jī)節(jié)省抽氣時(shí)間3）通用電子束焊機(jī)4）批量生產(chǎn)用小型真空電子束焊機(jī)第19頁/共91頁

7電子束焊的焊接工藝(1)焊接參數(shù)1)加速電壓Ua大多數(shù)保持不變。提高加速電壓可以增加焊縫的熔深。2)電子束流Ib主要調(diào)整參數(shù)，以適應(yīng)不同焊接工藝的需要。3)焊接速度Vb和電子束功率一起決定著焊縫的熔深、焊縫寬度以及被焊材料熔池行為。4)聚焦電流If當(dāng)焊件厚度大于10mm時(shí)，通常采用下焦點(diǎn)，且焦點(diǎn)在焊縫熔深的30％處。5)工作距離H焊件表面至電子槍的距離盡可能短。第20頁/共91頁

(2)獲得深熔焊的工藝方法

1）電子束水平入射焊降低了小孔通道封堵作用。自下而上或水平橫焊。2)脈沖電子束焊功率相同，脈沖更有效的增加熔深。3）變焦電子束焊焊接大厚度焊件時(shí)，使焦點(diǎn)位置隨著焊件熔化深度度變化而變化，始終以最大功率密度進(jìn)行焊接。4）焊前預(yù)熱或預(yù)置坡口減少熱量沿焊縫橫向的熱傳導(dǎo)損失，利于增加熔深。第21頁/共91頁

8.電子束焊接技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展前景(1)國外

1)大功率電子槍的開發(fā)大阪大學(xué)，600kv、300kv的超高壓電子束熱源裝置，200mm厚不銹鋼的焊接，深寬比達(dá)70：1。2)電子束特性的定量研究3)雙搶電子束及填絲電子束焊接技術(shù)的研究日、德、俄等開展填絲電子束焊。大厚板采用二次焊4)大功率表面處理技術(shù)日、俄研究500kv的電子束熱源，用于涂層處理工藝5)復(fù)合式電子束加工設(shè)備的研制俄羅斯，具備電子束焊、釬焊、局部熱處理、表面強(qiáng)化等功能6)非真空電子束焊接設(shè)備及工藝的研究和應(yīng)用克服大型真空造價(jià)高、抽真空時(shí)間長缺點(diǎn)，英、德開展研究非真空電子束焊接設(shè)備。第22頁/共91頁(2)國內(nèi)1)電子束焊接設(shè)備中壓真空電子束焊機(jī)較成熟，高壓大部分進(jìn)口。北京航空工藝研究所1992年研制成功了ZD150-15A型高壓電子束焊機(jī)。國內(nèi)第一臺(tái)自行設(shè)計(jì)、自行制造的高壓電子槍和大型真空室。2)電子束焊接工藝(3)應(yīng)用前景1)大批量生產(chǎn)中將有較大的發(fā)展2)航空航天工業(yè)中，將繼續(xù)擴(kuò)大其應(yīng)用3)厚大焊件場合的應(yīng)用，如能源、重工業(yè)4)修復(fù)領(lǐng)域5)設(shè)備趨向多功能及柔性化6)實(shí)現(xiàn)空間結(jié)構(gòu)焊接的強(qiáng)有力工具第23頁/共91頁

9.其它電子束加工技術(shù)(1)電子束打孔

始于1938年，1958年生產(chǎn)了第一臺(tái)電子束打孔機(jī)。柔性好，速度高，每秒最多打3000個(gè)孔束的入射角變化范圍打，最大傾角可達(dá)70度典型產(chǎn)品玻璃纖維整流罩離心分離器管，50000個(gè)衛(wèi)星燃料系統(tǒng)中多孔鈦板，20×106個(gè)/m2第24頁/共91頁

(2)表面改性1)表面淬火相變溫度以上2)表面回火/退火3)表面重熔熔化溫度以上4)表面合金化5)表面涂層第25頁/共91頁第26頁/共91頁

(4)電子束物理氣相沉積

1970年代，巴頓焊研所開始了電子束物理氣相沉積設(shè)備及工藝的研究。設(shè)備功率一般在40-200kW，加速電壓20kV左右第27頁/共91頁第三講摩擦焊

第28頁/共91頁

利用焊件相對摩擦運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的熱量來實(shí)現(xiàn)材料可靠連接的壓力焊方法焊接過程：在壓力的作用下，相對運(yùn)動(dòng)的待焊材料之間產(chǎn)生摩擦，使界面及附近溫度升高，并達(dá)到熱塑性狀態(tài)，隨著頂鍛力的作用，材料發(fā)生塑性變形與流動(dòng)，通過界面元素?cái)U(kuò)散及再結(jié)晶冶金反應(yīng)形成接頭。

1891年，美國批準(zhǔn)了第一個(gè)專利，連接鋼纜。德國、英國、前蘇聯(lián)、日本等國家相繼開展。中國是世界上研究摩擦焊最早的國家之一，1957年實(shí)現(xiàn)了Al/Cu摩擦焊接。第29頁/共91頁1摩擦焊原理及技術(shù)優(yōu)勢(1)原理第30頁/共91頁第31頁/共91頁

（2）摩擦焊技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)1)接頭質(zhì)量好且穩(wěn)定焊接過程由機(jī)器控制，參數(shù)設(shè)定后容易監(jiān)控，重復(fù)性好，不依賴于操作人員的技術(shù)水平和工作態(tài)度。焊接過程不發(fā)生熔化，屬固相熱壓焊，接頭為鍛造組織，因此焊縫不會(huì)出現(xiàn)氣孔、偏析和夾雜，裂紋等鑄造組織的結(jié)晶缺陷，焊接接頭強(qiáng)度遠(yuǎn)大于熔焊、釬焊的強(qiáng)度，達(dá)到母材的強(qiáng)度；

2)

效率高。對焊件準(zhǔn)備通常要求不高，焊接設(shè)備容易自動(dòng)化，可在流水線上生產(chǎn)，每件焊接時(shí)間以秒計(jì)，一般只需零點(diǎn)幾秒至幾十秒，是其它焊接方法如熔焊、釬焊不能相比的；第32頁/共91頁

3)

節(jié)能、節(jié)材、低耗所需功率僅及傳統(tǒng)焊接工藝的1/5～1/15，不需焊條、焊劑、釬料、保護(hù)氣體，不需填加金屬，也不需消耗電極；

4)

焊接性好特別適合異種材料的焊接，與其它焊接方法相比，摩擦焊有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，如鋼和紫銅、鋼和鋁、鋼和黃銅等等；

5)環(huán)保，無污染焊接過程不產(chǎn)生煙塵或有害氣體，不產(chǎn)生飛濺，沒有孤光和火花，沒有放射線。由于以上這些優(yōu)點(diǎn)，摩擦焊技術(shù)被譽(yù)為未來的綠色焊接技術(shù)。第33頁/共91頁2

摩擦焊工藝及其新近展第34頁/共91頁(1)連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊(2)慣性摩擦焊旋轉(zhuǎn)焊件與一個(gè)飛輪相連(3)線性摩擦焊

線性摩擦焊技術(shù)，是兩個(gè)工件以一定的頻率和振幅進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生熱量進(jìn)行的焊接，它可以將方形、圓形、多邊形截面的金屬或塑料焊接在一起。它可以焊接更不規(guī)則截面的構(gòu)件，象葉片與渦輪等。最初應(yīng)用于塑料焊接，80年代后期用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體鈦合金葉盤的制造。第35頁/共91頁(4)攪拌摩擦焊

攪拌摩擦焊技術(shù)是1991年英國焊接研究所發(fā)明的固相連接技術(shù)，它在航空、航天、船舶、海洋工業(yè)、武器裝備以及高速列車等領(lǐng)域的輕結(jié)構(gòu)制造中的應(yīng)用研究得到廣泛開展。同時(shí)也引起了我國科技工作者的高度重視，先后開展了一些攪拌摩擦焊的研究工作。(5)相位摩擦焊

可實(shí)現(xiàn)有相位要求的工件的摩擦焊接，擴(kuò)大了摩擦焊的應(yīng)用領(lǐng)域。目前生產(chǎn)中對如六方形斷面的零件、八方鋼、汽車操作桿、花鍵軸、撥叉、兩端帶法蘭的軸等均要求采用相位摩擦焊。在電控技術(shù)和機(jī)械技術(shù)高度發(fā)展的前提下，為大噸位相位摩擦焊機(jī)的研制提供了可能。第36頁/共91頁

(6)徑向摩擦焊

徑向摩擦焊由于其引入中間旋轉(zhuǎn)加壓圓環(huán)，不僅改變了摩擦面的方向，焊件也由相對旋轉(zhuǎn)加壓變?yōu)橄鄬潭訅?，它非常適合于長管子的焊接，同時(shí)它還可以把薄壁銅環(huán)焊接到彈體外壁上，能夠使軍工產(chǎn)品升級(jí)換代。第37頁/共91頁

3摩擦焊設(shè)備與工程應(yīng)用

隨著摩擦焊技術(shù)的廣泛應(yīng)用，摩擦焊設(shè)備也得到了迅速的發(fā)展，2000年不完全統(tǒng)計(jì)全世界共有5000多臺(tái)摩擦焊機(jī)用于焊接生產(chǎn)。

為了適應(yīng)大型和特殊部件的焊接，要研制我國的大型和微型的摩擦焊機(jī)。為適應(yīng)特種用途還要開發(fā)慣性摩擦焊、徑向摩擦焊，攪拌摩擦焊、雙頭摩擦焊，立式摩擦焊及水下摩擦焊等多種特種摩擦焊機(jī)。在制造及監(jiān)控技術(shù)方面要本著柔性和自動(dòng)化來設(shè)計(jì)。焊機(jī)可附加很多自動(dòng)化設(shè)備和加工裝置，從而創(chuàng)造出一個(gè)高度柔性和自動(dòng)化的完整系統(tǒng)，以適應(yīng)用戶的各種要求。第38頁/共91頁

攪拌摩擦焊(frictionstirwelding,簡稱FSW)是由英國焊接研究所(TheWeldingInstitute,簡稱TWI)于1991年提出的一種固態(tài)連接方法攪拌摩擦焊技術(shù)是世界焊接技術(shù)發(fā)展史上自發(fā)明到工業(yè)應(yīng)用時(shí)間跨度最短和發(fā)展最快的一項(xiàng)固相連接新技術(shù)截止2002年9月15日,得到英國焊接研究所(TWI)攪拌摩擦焊專利技術(shù)許可的用戶己經(jīng)有78家,與攪拌摩擦焊技術(shù)相關(guān)的專利技術(shù)有551項(xiàng)。4攪拌摩擦焊第39頁/共91頁

北京賽福斯特技術(shù)有限公司（中國攪拌摩擦焊中心）相關(guān)技術(shù)人員采用自主研制的攪拌摩擦焊設(shè)備成功實(shí)現(xiàn)了3mm的紫銅板對接（如圖1所示）第40頁/共91頁

采用攪拌摩擦焊技術(shù)不僅能焊接幾乎所有熔焊能夠焊接的金屬,而且能焊接許多熔化焊接性能差的金屬,如鋁合金、鈦合金、銅合金等攪拌摩擦焊除了具有摩擦焊的特點(diǎn)外，更重要的是可焊接各種板材的焊接接頭，因此可用于結(jié)構(gòu)焊接.第41頁/共91頁

攪拌摩擦焊發(fā)明初期主要解決厚度1.2~6毫米的鋁合金板材焊接問題;1996年，用FSW技術(shù)解決了6～12毫米的鋁、鎂、銅合金的連接。1997年實(shí)現(xiàn)了12~25毫米厚鋁合金板的攪拌摩擦焊，并且在宇航結(jié)構(gòu)件上得到應(yīng)用。1999年攪拌摩擦焊可以焊接50毫米厚的銅合金及75毫米厚度的鋁合金零件和產(chǎn)品。2004年，英國焊接研究所已經(jīng)能夠單道單面實(shí)現(xiàn)100毫米厚鋁合金板材的攪拌摩擦焊。迄今，在材料的厚度上，單道焊可以實(shí)現(xiàn)厚度為0.8~100mm鋁合金材料的焊接；雙道焊可以焊接180mm厚的對接板材。最近,又開發(fā)了可以連接0.4mm鋁板的微型攪拌摩擦焊技術(shù)。第42頁/共91頁

攪拌摩擦焊為固相連接方法，采用該方法實(shí)現(xiàn)銅連接避免了熔焊方法的諸多缺陷和不足。焊縫外觀均勻光滑，無缺陷，相對于熔焊焊接變形極小。焊接操作簡單，焊前只需丙酮等有機(jī)溶劑去除結(jié)合面油脂，無需開坡口去除氧化膜；焊后無需去除余高，提高了生產(chǎn)效率。焊接過程能耗小，無需填充材料，焊接成本低.圖攪拌摩擦焊焊接紫銅板全貌第43頁/共91頁

圖攪拌摩擦焊焊接黃銅板全貌第44頁/共91頁

金屬在焊接過程中不熔化，熱輸入量??；焊縫的連接是在金屬受擠壓的狀態(tài)下完成的，焊接接頭不會(huì)產(chǎn)生熔化焊焊接接頭的氣孔和裂紋等一類缺陷，焊縫缺陷少；攪拌摩擦焊類似于機(jī)械加工過程，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，而且沒有熔化焊中的電壓，電流，強(qiáng)光，金屬粉塵等現(xiàn)象，工作環(huán)境環(huán)保清潔。最重要的是，攪拌摩擦焊接頭的力學(xué)性能優(yōu)于熔焊接頭。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明焊接接頭的抗拉強(qiáng)度達(dá)到了母材的91％，試樣延伸率達(dá)到了25％，接頭組織晶粒細(xì)化、均勻而致密，消除了母材的鑄造缺陷。第45頁/共91頁

與傳統(tǒng)鎢極氬弧焊（TIG）和熔化極氬弧焊（MIG）焊接相比較，攪拌摩擦焊在接頭力學(xué)性能上具有明顯的優(yōu)越性。例如,對于6.4mm厚的2014-T6鋁合金，F(xiàn)SW焊接頭性能比TIG焊高16％;對于12.7毫米厚的2014-T6鋁合金，F(xiàn)SW焊接頭性能比TIG焊高22％。

攪拌摩擦焊接頭性能數(shù)據(jù)一致性較好，工藝穩(wěn)定，焊接接頭質(zhì)量容易保證。第46頁/共91頁不銹鋼的攪拌摩擦焊接接頭及金相

第47頁/共91頁

攪拌摩擦焊也有其局限性，例如：焊縫末尾通常有匙孔存在（目前已可以實(shí)現(xiàn)無孔焊接）；焊接時(shí)的機(jī)械力較大，需要焊接設(shè)備具有很好的剛性；與弧焊相比,缺少焊接操作的柔性；不能實(shí)現(xiàn)添絲焊接。第48頁/共91頁

5攪拌摩擦焊原理第49頁/共91頁

(1)一個(gè)帶有特型攪拌針的攪拌頭旋轉(zhuǎn)并緩慢的將攪拌針插入兩塊對接板材之間的焊縫處。一般來講,攪拌針的長度接近焊縫的深度。(2)當(dāng)旋轉(zhuǎn)的攪拌針接觸工件表面時(shí),與工件表面的快速摩擦產(chǎn)生的摩擦熱使接觸點(diǎn)材料的溫度升高,強(qiáng)度降低。攪拌針在外力作用下不斷頂鍛和擠壓接縫兩邊的材料，直至攪拌頭軸肩緊密接觸工件表面為止，由旋轉(zhuǎn)軸肩和攪拌針產(chǎn)生的摩擦熱在軸肩下面和攪拌指頭周圍形成大量的塑化層。第50頁/共91頁(3)當(dāng)工件相對攪拌針移動(dòng)或攪拌針相對工件移動(dòng)時(shí),在攪拌針側(cè)面和旋轉(zhuǎn)方向上產(chǎn)生的機(jī)械攪拌和頂鍛作用下,攪拌針的前表面把塑化的材料移送到攪拌針后表面。(4)在攪拌針沿著接縫前進(jìn)時(shí),攪拌頭前部的對接接頭表面被摩擦加熱至超塑性狀態(tài)。攪拌針和軸肩磨擦接縫,破碎氧化膜，攪拌和重組攪拌針后方的磨碎材料。攪拌針后方的材料冷卻后就形成焊縫，可見此焊縫是在熱—機(jī)聯(lián)合作用下形成的固態(tài)焊縫。第51頁/共91頁攪拌摩擦焊技術(shù)所涉及到的主要技術(shù)術(shù)語定義攪拌頭（Pintool）－攪拌摩擦焊的施焊工具；攪拌頭軸肩（ToolShoulder）－攪拌頭與工件表面接觸的肩臺(tái)部分；攪拌針（ToolPin）－攪拌頭插入工件的部分；前進(jìn)側(cè)（AdvancingSide）－焊接方向與攪拌頭軸肩旋轉(zhuǎn)方向一致的焊縫側(cè)面；回轉(zhuǎn)側(cè)（RetreatingSide）－焊接方向與攪拌頭軸肩旋轉(zhuǎn)方向相反的焊縫側(cè)面第52頁/共91頁

攪拌摩擦焊除了具有普通摩擦焊技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)外，還可以進(jìn)行多種接頭形式和不同焊接位置的連接。

a.直口對接 b.對搭混合 c.單搭界 d.多搭界 e.三片T形對接 f.雙片T形對接 g.邊緣對接

h.角接幾種攪拌摩擦焊的接頭形式第53頁/共91頁

攪拌摩擦焊焊縫組織分區(qū)A區(qū)為母材區(qū)(basicmetal,簡稱BM)B區(qū)為熱影響區(qū)(heataffectedzone,簡稱HAZ）C區(qū)為熱力影響區(qū)(thermomechanicallyaffectedzone,簡稱TMAZ)D區(qū)為焊核(dynamicallyrecrystallizedzone,簡稱DXZ)第54頁/共91頁

焊核是最接近攪拌頭軸肩的區(qū)域,組織結(jié)構(gòu)通常有較大的變化。在焊接接頭的熱影響區(qū)中,除了腐蝕反應(yīng)比母材快一些外,其金相組織與母材沒有多大區(qū)別。在焊接接頭的熱力影響區(qū),焊接過程引起長晶粒的彎曲和輕微的重結(jié)晶。焊核由纖細(xì)的經(jīng)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的等軸晶構(gòu)成,晶粒尺寸比母材小得多。

5083鋁合金的攪拌摩擦焊實(shí)驗(yàn)表明,焊縫最薄弱的環(huán)節(jié)不在焊核區(qū),而是在熱影響區(qū)。經(jīng)過固溶處理和人工時(shí)效處理的2系列、6系列鋁合金的攪拌摩擦焊焊縫,經(jīng)過時(shí)效處理后,強(qiáng)度接近于基體材料的強(qiáng)度.

組織分區(qū)分析：第55頁/共91頁

(a)母材微觀組織(b)焊核微觀組織

ZL114A母材與焊接接頭微觀組織對比，從圖中可觀察到焊核區(qū)微觀組織是無方向性的、細(xì)小的等軸晶粒，母材區(qū)為粗大的樹枝狀鑄造組織第56頁/共91頁

焊接狀態(tài)下，焊縫焊核的強(qiáng)度要大于熱力影響區(qū)的強(qiáng)度。就退火狀態(tài)的材料而言，拉伸試驗(yàn)的破壞通常發(fā)生在遠(yuǎn)離焊縫和熱影響區(qū)的母材上。對于形變強(qiáng)化和熱處理強(qiáng)化的鋁合金，攪拌摩擦焊后熱力影響區(qū)的硬度和強(qiáng)度最低，可以通過控制熱循環(huán)，尤其是通過降低焊縫熱力影響區(qū)的退火和過時(shí)效來改善焊縫的性能。為獲得最佳的性能，焊后熱處理是熱處理強(qiáng)化材料提高焊縫性能的最好選擇，但在許多工況下，焊后無法進(jìn)行熱處理。焊縫質(zhì)量第57頁/共91頁

攪拌摩擦焊是在剛性固定下焊接的，熱源來自焊口表面并以面狀向工件傳遞，并在隨后的旋轉(zhuǎn)壓力頭的擠壓下變形，快冷，再結(jié)晶形成焊縫，在膨脹中3個(gè)方向受壓，在收縮中釋放壓應(yīng)力，使橫向和縱向殘余應(yīng)力及變形都大大減少。從焊縫形成來看，基本上成矩形，所以角變形極小。再則由于是固相焊，加熱溫度低，與熔化焊相比，最高溫度和溫度梯度小得多，無焊縫的凝固收縮和高溫區(qū)的膨脹與收縮，這樣也有利于減少焊接變形與應(yīng)力，不只減少了焊接過程中的裂紋傾向，也減少了焊后的殘余應(yīng)力，大大提高了焊接結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。攪拌摩擦焊的焊接變形與應(yīng)力第58頁/共91頁

攪拌摩擦焊主要工藝參數(shù)：攪拌針的移動(dòng)（焊接）速度攪拌針的旋轉(zhuǎn)速度攪拌頭的仰角壓緊力第59頁/共91頁

攪拌頭的發(fā)展帶來新型攪拌摩擦焊工藝攪拌頭材料、攪拌頭軸肩和攪拌針的形狀是攪拌頭優(yōu)劣的3個(gè)主要決定性因素，關(guān)系到連接接頭的性能與生產(chǎn)成本和效率。攪拌頭的主要功能如下：

加熱和軟化被焊接材料（工件材料）；破碎和彌散接頭表面的氧化層；驅(qū)使攪拌針前部的材料向后部轉(zhuǎn)移；

驅(qū)使接頭上部的材料向下部轉(zhuǎn)移；使轉(zhuǎn)移后的熱塑化的材料形成固相接頭。

攪拌頭的發(fā)展第60頁/共91頁

攪拌頭的形狀與熱塑化材料的流變密切相關(guān)，并且直接影響到接頭的質(zhì)量，在攪拌摩擦焊發(fā)展初期，TWI開發(fā)成功了柱形攪拌頭，這種攪拌頭在攪拌摩擦焊初期開發(fā)研究中得到了廣泛應(yīng)用。隨著攪拌摩擦焊技術(shù)的發(fā)展，針對不同的焊接材料和結(jié)構(gòu)，目前已有系列化的攪拌頭。英國焊接研究所研制的WhorlTM和MXTrifluteTM攪拌頭，可以在提高焊接速度的條件下,得到焊縫成形良好、性能更加優(yōu)良的焊縫。第61頁/共91頁

TWI開發(fā)的MXTrifluteTM（左）和Skem-StirTM（右）攪拌頭第62頁/共91頁

攪拌針的直徑為焊件厚度的0．9～1．1倍時(shí)，焊縫質(zhì)量較好。攪拌針的直徑過大時(shí)，焊接區(qū)斷面面積增大，熱影響區(qū)變寬，同時(shí)攪拌針向前移動(dòng)時(shí)阻力增大；攪拌針的尺寸過小時(shí)，焊接區(qū)熱塑性金屬的流動(dòng)性差，攪拌針向前移動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的側(cè)向擠壓力減小，不利于形成致密的焊縫組織。攪拌針的長度與焊縫的背面成形有關(guān)，攪拌焊針過短，背面焊不透；攪拌針過長，則背面易過熱，導(dǎo)致成形較差。攪拌針長度的選取與其直徑有關(guān)。當(dāng)攪拌針的直徑較大時(shí)，其長度可以略短。對于厚度為3mm的鋁合金薄板，攪拌針的直徑為3mm時(shí)，其長度應(yīng)在2．5mm-2．8mm范圍。攪拌針第63頁/共91頁6.典型材料的攪拌摩擦焊鋁合金的焊接鋁合金的攪拌摩擦焊克服了熔焊時(shí)產(chǎn)生氣孔、裂紋等缺陷。

目前，國內(nèi)外在高強(qiáng)鋁合金的攪拌摩擦焊研究中采用的單道對接焊厚度一般為1～8mm，焊接性能較好，焊縫強(qiáng)度一般在母材強(qiáng)度的60%以上。第64頁/共91頁

25mm厚的7A52鋁合金軋制板焊接速度v=40mm/min,攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度N=1300～1700r/min厚板焊縫抗拉強(qiáng)度與旋轉(zhuǎn)速度的關(guān)系第65頁/共91頁

7A52焊縫的顯微硬度分布（攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為1500r/min、焊接速度為40mm/min）第66頁/共91頁7.攪拌摩擦焊在世界工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括以下方面

1)船舶和海洋工業(yè)：快艇、游船等的甲板、側(cè)板、防水隔板、船體外殼、主體結(jié)構(gòu)件、直升機(jī)平臺(tái)、離岸水上觀測站、船用冷凍器、帆船桅桿和結(jié)構(gòu)件。

2)航天：運(yùn)載火箭燃料貯箱、發(fā)動(dòng)機(jī)承力框架、鋁合金容器、航天飛機(jī)外貯箱、載人返回倉等。

3)航空：飛機(jī)蒙皮、衍條、加強(qiáng)件之間連接、框架連接、飛機(jī)壁板和地板連接、飛機(jī)門預(yù)成形結(jié)構(gòu)件、起落架倉蓋、外掛燃料箱。

4)車輛工業(yè)：高速列車、軌道貨車、地鐵車廂、輕軌電車。

5)汽車工業(yè)：汽車發(fā)動(dòng)機(jī)引擎、汽車底盤支架、汽車輪鼓、車門預(yù)成形件、車體框架、升降平臺(tái)、燃料箱、逃生工具等。

6)建筑行業(yè)：鋁、銅、鈦等制作的面板、門窗框架、發(fā)電廠和化工廠的反應(yīng)器、鋁管道、熱交換器和空調(diào)器等。

7)其他工業(yè)：發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、冰箱冷卻板、電器分封裝、天然氣、液化氣貯箱、輕合金容器、家庭裝飾、鎂合金制品等。第67頁/共91頁(1)攪拌摩擦焊在船舶制造工業(yè)中的應(yīng)用

早在1995年，挪威HydroMarineAluminium公司就將FSW技術(shù)應(yīng)用于船舶結(jié)構(gòu)件的制造。采用攪拌摩擦焊技術(shù)將普通型材拼接，制造用于造船業(yè)的寬幅型材。該焊接設(shè)備以及工藝已經(jīng)獲得DetNorskeVeritas和GermanischerLloyd的認(rèn)可。從1996到1999，已經(jīng)成功焊接了1700塊船舶面板，焊縫總長度超過110km。在造船領(lǐng)域，攪拌摩擦焊適用面很寬：船甲板、側(cè)板、船頭、殼體、船艙防水壁板和地板，船舶的上層鋁合金建筑結(jié)構(gòu)，直升飛機(jī)起降平臺(tái)，離岸水上觀測站，船舶碼頭，水下工具和海洋運(yùn)輸工具，帆船的桅桿及結(jié)構(gòu)件，船上制冷設(shè)備用的中空擠壓鋁板等。第68頁/共91頁

挪威HydroMarineAluminium采用攪拌摩擦焊技術(shù)制造船用寬幅鋁合金型材

第69頁/共91頁(2)攪拌摩擦焊在航空航天工業(yè)中的應(yīng)用

航空航天飛行器鋁合金結(jié)構(gòu)件，如飛機(jī)機(jī)翼壁板、運(yùn)載火箭燃料儲(chǔ)箱等，選材多為熔焊焊接性較差的2000及7000系列鋁合金材料，而攪拌摩擦焊可以實(shí)現(xiàn)這些系列鋁合金的優(yōu)質(zhì)連接，國外已經(jīng)在飛機(jī)、火箭等宇航飛行器上得到應(yīng)用。

第70頁/共91頁

波音公司首先在加州的HuntingtonBeach工廠將攪拌摩擦焊應(yīng)用于DeltaII運(yùn)載火箭4.8米高的中間艙段的制造（縱縫，厚度22.22毫米，2014鋁合金），該運(yùn)載火箭于1999年8月17日成功發(fā)射升空。

2001年4月7日，“火星探索號(hào)”發(fā)射升空，采用攪拌摩擦焊技術(shù)，壓力貯箱焊縫接頭強(qiáng)度提高了30％，

攪拌摩擦焊制造技術(shù)首次在壓力結(jié)構(gòu)件上得到可靠地應(yīng)用。第71頁/共91頁

波音公司在阿拉巴馬州的Decatur工廠將攪拌摩擦焊技術(shù)用于制造DeltaⅣ運(yùn)載火箭中心助推器。DeltaⅣ運(yùn)載火箭貯箱直徑為5m，材料改為2219-T87鋁合金。到2002年4月為止，攪拌摩擦焊已成功焊接了2100m無缺陷焊縫應(yīng)用于DeltaII火箭，1200m無缺陷焊縫應(yīng)用于DeltaIV火箭。采用攪拌摩擦焊節(jié)約了60％的成本，制造周期由23天降低為6天。歐洲Fokker宇航公司將攪拌摩擦焊技術(shù)用于Ariane5發(fā)動(dòng)機(jī)主承力框的制造，承力框的材料為7075-T7351，主體結(jié)構(gòu)由12塊整體加工的帶翼狀加強(qiáng)的平板連接而成，結(jié)構(gòu)制造中用攪拌摩擦焊代替了螺栓連接，為零件之間的連接和裝配提供了較大的裕度，并可減輕結(jié)構(gòu)重量，提高生產(chǎn)效率。第72頁/共91頁

波音公司阿拉巴馬州的工廠

第73頁/共91頁

采用攪拌摩擦焊連接的DeltaII型火箭燃料貯箱截面

第74頁/共91頁

采用攪拌摩擦焊連接的DeltaII型火箭航天燃料貯箱

第75頁/共91頁

采用攪拌摩擦焊連接的DeltaIV型火箭航天燃料貯箱

第76頁/共91頁

歐洲FokkerSpace公司采用FSW制造Ariane5發(fā)動(dòng)機(jī)主承力框第77頁/共91頁

美國Eclipse飛機(jī)制造公司斥資3億美元用于攪拌摩擦焊的飛機(jī)制造計(jì)劃，其制造的第一架攪拌摩擦焊商用噴氣客機(jī)（Eclipse500）于2002年8月在美國進(jìn)行了首飛測試。其機(jī)身蒙皮、翼肋、弦狀支撐、飛機(jī)地板以及結(jié)構(gòu)件的裝配等鉚接工序均由攪拌摩擦焊替代，提高了生產(chǎn)效率、節(jié)約了制造成本并且減輕了機(jī)身重量。第78頁/共91頁

Eclipse500型商用噴氣客機(jī)的攪拌摩擦焊焊接構(gòu)件之一第79頁/共91頁(3)攪拌摩擦焊在軌道交通及陸路交通工業(yè)中應(yīng)用

日本住友輕金屬公司已將FSW工藝用于地鐵車輛，采用這種工藝制造的工件長度已經(jīng)超過了3km，接頭質(zhì)量良好。由住友輕金屬公司生產(chǎn)的擠壓型材FSW焊接拼板，用于日本新干線車輛的制造，車輛時(shí)速可達(dá)285km/h。第80頁/共91頁

左：日本住友輕金屬公司FSW生產(chǎn)的新干線列車壁板；右：法國阿爾斯通FSW制造的列車車頂?shù)?1頁/共91頁(4)攪拌摩擦焊在汽車工業(yè)中應(yīng)用

為了提高運(yùn)載能力和速度，汽車制造呈現(xiàn)出材料多樣化、輕量化、高強(qiáng)度化的發(fā)展趨勢，鋁合金、鎂合金等輕質(zhì)合金材料所占的比重越來越大，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)以及接頭形式都在設(shè)法改進(jìn)。攪拌摩擦焊技術(shù)的發(fā)明恰好滿足了這種新材料、新結(jié)構(gòu)對新型連接技術(shù)的需求。挪威Hydro公司采用攪拌摩擦焊技術(shù)制造汽車輪轂，將鑄造或