攪拌摩擦焊介紹.ppt

1、攪拌摩擦焊接，第一節(jié)攪拌摩擦焊接的基本原理第二節(jié)攪拌摩擦焊接的焊接工藝和特性第三節(jié)攪拌摩擦焊接工藝第四節(jié)攪拌摩擦焊接設(shè)備第五節(jié)攪拌摩擦焊接的應(yīng)用，1，攪拌摩擦焊接原理，所有等級的鋁合金和焊接方法都可以焊接難焊接的材料，攪拌摩擦焊接是固體焊接，因此焊接時沒有氣孔、裂紋和合金元素燃燒等缺陷。攪拌摩擦焊的接頭性能通常優(yōu)于熔焊。目前，攪拌摩擦焊接技術(shù)廣泛應(yīng)用于飛機(jī)制造、機(jī)車車輛和船舶制造領(lǐng)域，主要用于鋁及其合金、銅合金、鎂合金、鈦合金、鉛、鋅等有色金屬材料的焊接。FSW (Frictim Stir Welding)-焊接完全焊接，因為使用特殊形狀的攪拌頭邊緣，通過旋轉(zhuǎn)邊通過頭部和工件的摩擦產(chǎn)生熱量，摩

2、擦熱使該部分金屬進(jìn)入熱塑性狀態(tài)，在攪拌頭的壓力下從前到后以塑料流動。2，攪拌摩擦焊接的焊接工藝和特性，(1)攪拌摩擦焊接工藝攪拌摩擦焊接是以摩擦熱作為焊接熱源的固相焊接方法，但與常規(guī)摩擦焊接不同。攪拌摩擦焊接時，首先將焊接件牢牢固定在工作平臺上，然后高速旋轉(zhuǎn)焊接頭，將攪拌焊接針插入焊接接縫的接縫，直到攪拌焊接頭的肩膀與焊接表面緊密接觸。攪拌焊接針與周圍母料摩擦產(chǎn)生的熱量和攪拌焊接頭的肩部因焊接表面摩擦產(chǎn)生的熱量一起工作，從而提高接縫處材料的溫度并使其柔軟。隨著攪拌焊頭向前移動，前方高度塑性變形的材料被擠壓在攪拌焊頭后面。攪拌焊接頭與焊接表面摩擦熱及鍛件共同作用，形成致密堅固的固相焊接接頭。攪拌

3、摩擦焊工藝如圖所示。(2)攪拌摩擦焊的焊接接頭1。接頭的區(qū)域、母材料區(qū)域、圖中的D區(qū)域在接頭中沒有熱作用、沒有可塑性的母材料區(qū)域、熱影響區(qū)域(HAZ)、C區(qū)域的材料受焊接熱循環(huán)的影響，微觀組織和力學(xué)性能都發(fā)生了變化。熱引擎影響區(qū)域，區(qū)域B是材料在一定程度上產(chǎn)生塑料變形，并且受焊接溫度場影響的切換區(qū)域。焊接核區(qū)域，a區(qū)域是焊接中心靠近混合針插入的“焊接核區(qū)域(WNZ)”。經(jīng)過高溫和變形后，焊縫核的中心發(fā)生了強(qiáng)變形。變形會在焊接過程中動態(tài)重新確定焊接核區(qū)域，在該區(qū)域產(chǎn)生高密度沉積相，有助于抑制焊接過程中晶粒的生長。焊接核區(qū)域通常由小的等軸再結(jié)晶組織組成。在焊接過程中，材料和混合銷之間的交互作用導(dǎo)致

4、同心環(huán)(洋蔥環(huán)組織)牙齒出現(xiàn)在焊接核區(qū)域。根據(jù)塑性變形程度和熱作用，攪拌摩擦焊接分為四個區(qū)域。2 .接合力學(xué)性能，焊接狀態(tài)下FSW焊核的強(qiáng)度大于熱影響區(qū)域的強(qiáng)度。退火狀態(tài)的鋁合金，拉伸實驗中首先發(fā)生的破壞部分通常位于遠(yuǎn)離焊接和熱影響區(qū)域的母材料上。變形強(qiáng)化和熱處理強(qiáng)化鋁合金、FSW接頭的多個區(qū)域變軟，但可以通過減少焊接熱引擎影響區(qū)域的退火效果和超額時效的影響來提高接頭性能。也可以通過焊后熱處理提高熱處理強(qiáng)化鋁合金FSW接頭的性能。，實驗結(jié)果表明，攪拌摩擦焊縫對接焊縫的疲勞性能大部分超過相應(yīng)焊縫連接的設(shè)計建議值。總之，對于鋁合金材料，F(xiàn)SW連接器的抗拉強(qiáng)度都可以達(dá)到母材的70以上。接頭性能的具體

5、數(shù)值在很大程度上取決于母材本身的性能，以及FSW的焊接參數(shù)。目前國內(nèi)外攪拌摩擦焊接的研究和應(yīng)用主要集中在鋁合金鎂合金純銅等柔軟易成型的材料上，在鈦、不銹鋼、鋁基復(fù)合材料等方面的研究和應(yīng)用也取得了很大進(jìn)展。噴氣客機(jī)的攪拌摩擦焊接，鎂合金的攪拌摩擦焊接，(3)攪拌摩擦焊接的特性，焊接質(zhì)量，焊接屬于塑料狀態(tài)下擠壓的固相焊接，因此接合不會引起與冶金凝固相關(guān)的裂紋、夾雜物、氣孔、合金元素燃燒等焊接缺陷和脆性現(xiàn)象，焊接性能接近于母鋁、銅、鉛、無軸零件限制、無軸零件限制、平板對接和搭接、直焊、角焊和環(huán)焊、大型框架結(jié)構(gòu)和大型筒體制造、大型板對接等。擴(kuò)大復(fù)蓋范圍。無需高操作技能和訓(xùn)練，優(yōu)點：攪拌摩擦焊使用自動化

6、機(jī)械設(shè)備焊接，避免依賴操作工人技術(shù)的熟練程度，質(zhì)量穩(wěn)定，重復(fù)性高。不需要焊工和保護(hù)氣氛，焊接時填充材料，不需要氣體保護(hù)，不需要焊前焊接表面字典處理，焊接時不需要保護(hù)措施，不需要厚焊接件邊加工邊，簡化焊接工藝焊接鋁合金材料不需要去除氧化膜，只需去除油。焊接尺寸精度高。攪拌摩擦焊是固相焊接，因此加熱過程具有能量密度高、熱輸入速度等特點，焊接變形小，焊接后殘余應(yīng)力小。焊接設(shè)備剛度充分，焊接件裝配位置準(zhǔn)確，焊接參數(shù)控制嚴(yán)格的條件下，焊接件的尺寸精度高。綠色焊接方法，優(yōu)點：攪拌摩擦焊工藝不產(chǎn)生電弧輻射、煙塵和飛濺、低噪聲、焊接工藝的環(huán)境保護(hù)。因此，攪拌摩擦焊稱為“綠色焊接方法”。缺點：焊接時機(jī)械力大，焊

7、接設(shè)備必須很強(qiáng)，焊接操作缺乏靈活性，攪拌焊接頭的磨損相對較高。焊接端通常有“匙孔”牙齒(目前可以無污染焊接)。3、攪拌摩擦焊接工藝、焊接類型：圓形、圓形、非線性和立體聲焊接。焊接位置：全位置焊接。(b)攪拌摩擦焊接的熱輸入和焊接參數(shù)、焊接熱源體、攪拌銷和連接面之間的摩擦熱、凸肩和焊接材料的表面摩擦熱、攪拌銷附近的材料發(fā)生塑料變形和流體流動，從而產(chǎn)生變形熱，牙齒部分相對較小。因此，攪拌摩擦焊接本質(zhì)上是以摩擦熱作為焊接熱源的焊接方法，因此摩擦熱是影響焊接質(zhì)量的關(guān)鍵因素。攪拌摩擦熔接的熱動力在攪拌摩擦熔接的穩(wěn)態(tài)熔接中，摩擦系數(shù)和熔接壓力均為值，因此可以將幾何系數(shù)與新的常數(shù)系數(shù)Km相結(jié)合。攪拌摩擦焊接

8、的熱輸入的大小表達(dá)可以用n/v表示。給定混合焊頭和焊接壓力的熱輸入主要取決于NV。n/v減少、旋轉(zhuǎn)速度太低或熔接速度太高時，NV降低。也就是說，熔接熱輸入較小，熱不足，無法使熔接區(qū)域金屬進(jìn)入熱塑型狀態(tài)，從而導(dǎo)致熔接中出現(xiàn)孔、成本接觸等缺陷，熔接聯(lián)珠不良。隨著n/v過大，旋轉(zhuǎn)速度增加或熔接速度降低，n/v會逐漸增大，熔接熱輸入合理，熔接聯(lián)珠更好。旋轉(zhuǎn)速度過高或焊接速度過高導(dǎo)致n/v過大，單位長度焊接的熱輸入量過高，焊接區(qū)域金屬過熱，導(dǎo)致焊接表面的凹入、焊透等缺陷，從而降低整形和質(zhì)量。僅當(dāng)Nv在一定范圍內(nèi)(即焊接速度與攪拌焊接頭的旋轉(zhuǎn)速度一致)時，才能獲得適當(dāng)?shù)暮附訜彷斎?，從而獲得成型美觀、性能優(yōu)

9、良的焊接。圖4-23是Al-5Mg合金采用攪拌摩擦焊，旋轉(zhuǎn)速度n=1000 rmin時徐璐不同NV比對拉伸強(qiáng)度的影響。如圖所示，隨著NV值的增加，強(qiáng)度和塑料都增加，最大拉伸強(qiáng)度達(dá)到310 MPa，與母材的實測值相同，伸長系數(shù)為17，為母材的實測值63。達(dá)到“最大強(qiáng)度”值后，繼續(xù)增加n/v值會降低強(qiáng)度和塑料。(3)攪拌摩擦焊接參數(shù)選擇，攪拌摩擦焊接參數(shù)，主要包括焊接速度(焊頭沿焊接方向移動的速度)、攪拌頭速度、焊接壓力、攪拌焊頭結(jié)構(gòu)參數(shù)(傾斜)、攪拌焊頭插入速度和保持時間。1焊接速度也為4-24，是焊接速度對鋁合金攪拌摩擦焊縫拉伸強(qiáng)度的影響。如圖所示，接合強(qiáng)度與熔接速度的關(guān)系不是簡單的線性比例關(guān)

10、系，而是曲線變更。如果熔接速度小于160mmmin，則接合強(qiáng)度會隨熔接速度的增加而增加。從焊接熱輸入計算公式中可以看出，旋轉(zhuǎn)速度為值，焊接速度低時，焊頭焊接界面的整體摩擦熱輸入較高。焊接速度過高，熱輸入不足，熱塑性材料填充用混合針行走的空腔的能力減弱，熱塑性材料填充空腔的能力不足，焊接內(nèi)容易出現(xiàn)松散的孔洞缺陷，嚴(yán)重時焊接表面形成長且平行于焊接方向的隧道溝，連接強(qiáng)度明顯降低。2如果攪拌焊接頭旋轉(zhuǎn)速度恒定，即焊接速度恒定，攪拌焊接頭旋轉(zhuǎn)速度低，則焊接熱輸入低。攪拌焊頭前沒有形成足夠的熱塑性材料來填充攪拌銷后形成的空腔。焊縫內(nèi)容易形成孔、槽等缺陷，從而削弱了連接強(qiáng)度。隨著旋轉(zhuǎn)速度的增加，槽的寬度減小

11、，旋轉(zhuǎn)速度增加到特定值，焊肉良好，內(nèi)部孔也逐漸消失。在適當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)速度下，接頭可以取得最佳強(qiáng)度值。攪拌熔接頭的旋轉(zhuǎn)速度會變更熱輸入和熱塑型材料流動，以影響接合微結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響接合力學(xué)效能。對于高強(qiáng)度鋁合金，熔接速度n160mlnmin，攪拌頭傾斜2，攪拌頭速度對接合強(qiáng)度的影響如圖4-25所示。如牙齒圖中所示，在n 800r/min下，連接器強(qiáng)度隨著旋轉(zhuǎn)速度的增加而增加，在n 800r/min下達(dá)到最大值。在N 800r/min下，隨著旋轉(zhuǎn)速度的提高，接頭強(qiáng)度會迅速下降。焊接壓力、焊接壓力不僅影響摩擦生熱，而且對彎曲后的塑料金屬施加壓力。實驗表明，焊接壓力不足時，表面熱塑性金屬“浮”、溢出焊接表面

12、、焊接內(nèi)部金屬填充不足，產(chǎn)生了孔。焊縫壓力太大，肩部和焊接件的表面摩擦增加，摩擦熱導(dǎo)致肩部平臺粘合，焊縫兩側(cè)有飛邊和毛刺，焊縫中心以下有很多凹楊怡，無法形成良好的焊接接頭，表面形成熱。(威廉莎士比亞、焊接、焊接、焊接、焊接、焊接、焊接、焊接、焊接、焊接、焊接、焊接)、攪拌焊接頭傾斜、攪拌焊接頭的傾斜角度會影響塑料流體的運(yùn)動狀態(tài)，因此焊接成核過程、攪拌頭插入速度、攪拌焊接頭插入，4、攪拌摩擦焊接設(shè)備，根據(jù)設(shè)備功能結(jié)構(gòu)，攪拌摩擦焊接工具、攪拌摩擦焊機(jī)、機(jī)械旋轉(zhuǎn)部分、行走部分、控制部分、工件夾緊機(jī)構(gòu)、剛性機(jī)架、攪拌焊接頭、(1)攪拌摩擦焊接工具、攪拌摩擦焊接是攪拌摩擦的核心和核心在焊接過程中，焊頭與

13、焊接材料摩擦，產(chǎn)生熱，制造焊接材料的熱塑性化、粉碎和分散連接表面的氧化層，使熱塑性化材料產(chǎn)生良好的塑性流動和轉(zhuǎn)移。對焊接區(qū)金屬施加鍛造壓力，使焊接材料在壓力下形成固相聯(lián)接。攪拌焊接頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計是攪拌摩擦焊的關(guān)鍵技術(shù)之一，其形狀決定了加熱和塑性流體的形成形式。尺寸確定焊接尺寸、焊接速度和工具強(qiáng)度。該材料決定摩擦加熱速度、工具強(qiáng)度、工作溫度和焊接材料的種類。因此，必須在適當(dāng)?shù)幕旌虾附宇^和優(yōu)化的焊接參數(shù)之間配合，才能獲得高質(zhì)量的焊接。1 .肩，主要作用：摩擦生熱，盡可能塑料區(qū)域金屬包裝，形成封閉焊接環(huán)境，驅(qū)動周圍材料的塑料流動以形成接頭。凸肩形式：平面、凹、同心環(huán)槽、旋渦線等，凸肩表面采用環(huán)形槽或旋

14、渦線等凹陷設(shè)計，使熱塑性材料具有向內(nèi)的作用力。這樣有助于將軸端下方的熱塑性材料收集到軸端面的中心。在填充混合針后形成的空腔的同時，減少焊接過程中攪拌焊頭內(nèi)部的應(yīng)力集中。2 .混合針，主要作用：通過旋轉(zhuǎn)摩擦熱提供焊接所需的熱量，同時改善熱塑性材料的流動路徑并改善行為。彎針形式：彎針主要有圓柱光澤，圓柱螺紋彎針，錐形螺紋彎針，3槽錐形螺紋彎針，偏心圓形彎針，偏心圓形螺紋彎針，不對稱彎針，彈性彎針等多種形式。如圖所示，由英國焊接研究所開發(fā)的兩種茄子混合焊頭，即三槽錐形螺紋和錐形螺紋混合焊頭。三槽錐形螺紋攪拌焊接頭在焊接針的錐形面打開三個螺旋槽，減少混合針的體積，提高軟化材料的流動性，同時破壞分散附著

15、在工件表面的氧化物，擴(kuò)大焊接材料的厚度范圍。攪拌摩擦焊接完成后，焊接末端留下一個勺子孔，為解決牙齒問題，開發(fā)了彈性攪拌焊頭，可以分為自動和手動收縮。伸縮式攪拌焊接頭可以調(diào)整焊接針長度，徐璐焊接不同厚度的材料，實現(xiàn)可變厚度薄板之間的連接，焊接結(jié)束時，攪拌焊接針逐漸減少到軸肩，從而愈合勺孔，避免勺孔缺陷。(b)攪拌摩擦焊機(jī)，現(xiàn)在攪拌摩擦焊機(jī)的制造已從實驗研究階段進(jìn)入產(chǎn)業(yè)應(yīng)用階段。世界著名的焊接設(shè)備制造商ESAB已經(jīng)制造了多種攪拌摩擦焊機(jī)。2001年，ESAB為英國焊接研究所(TWI)制造了大型尺寸龍門式攪拌摩擦焊接設(shè)備(ESAB Superstir)。牙齒設(shè)備配備真空夾緊工作臺，可以焊接非線性接頭

16、。焊接厚度125 mm鋁板塊，工作空間8 m(長)x 5 m(寬)x1m(高)，最大壓縮力60kN，最大旋轉(zhuǎn)速度5000rmin。瑞典ESAB設(shè)計了商業(yè)攪拌摩擦焊接設(shè)備，可以焊接16米長的焊接，牙齒設(shè)備已經(jīng)通過挪威船級社的驗收進(jìn)入使用。在此基礎(chǔ)上，瑞典ESAB還以數(shù)字控制技術(shù)為基礎(chǔ)，開發(fā)了5個自由度的更小、更輕的設(shè)備。牙齒設(shè)備焊接厚度5毫米的6000系鋁板時，焊接速度可達(dá)750mmmin。也可以焊接非線性焊接。，我國自行開發(fā)第一套懸臂攪拌摩擦焊設(shè)備、牙齒設(shè)備主要由主軸動力設(shè)備、液壓驅(qū)動設(shè)備、擺動焊接夾具、高精度焊接平臺、懸臂移動梁等組成，其優(yōu)點是使用西門子WinAC控制系統(tǒng)和電腦操作界面操作簡單，控制精度高，焊接工藝重復(fù)性好。牙齒設(shè)備主要用于連接直徑大于2米、長度小于1.5米的大型筒體框架縱向接縫，用于大板航天火箭的攪拌摩擦焊接。我國已經(jīng)開發(fā)了焊接不同規(guī)格產(chǎn)品的C型、龍門型、懸臂式3系列攪拌摩擦焊接設(shè)備。5，攪拌摩擦焊接技術(shù)的應(yīng)用，(1)典型材料的攪拌摩擦焊接，1。在鋁合金焊接攪拌摩擦焊發(fā)明初期