47搅拌摩擦焊技术

机械与能源工程系材料成型工艺说课人：王小明1说课搅拌摩擦焊机械与能源工程系材料成型工艺1.1教学内容与目标教学内容：搅拌摩擦焊的发展历程；搅拌摩擦焊的基本原理；搅拌摩擦焊的工艺特点及重要的工艺参数；搅拌摩擦焊的发展现状和应用领域。重点与难点：搅拌摩擦焊的基本原理；搅拌摩擦焊的工艺特点及重要的工艺参数。知识目标：掌握搅拌摩擦焊的基本原理；掌握搅拌摩擦焊的工艺参数及特点；了解其发展及应用。能力目标：培养学生对搅拌摩擦焊的工艺设计能力。素质目标：形成焊接技术的自主学习和分析方法。机械与能源工程系材料成型工艺1.2学情分析授课对象：大学三年级第二学期材料专业学生。学生分析：学生前期已经学习了材料成型原理的基本知识，其课程内容已经简单的介绍了常见的焊接工艺，但基本是熔化焊的方法与工艺，几乎不涉及固相焊技术，更不了解搅拌摩擦焊的基本原理及其工艺。因此通过搅拌摩擦焊的学习，使学生对焊接技术的发展和应用进行全面的学习和运用。机械与能源工程系材料成型工艺1.3教学设计教学方法：采用图形结合及动画演示教学，重点讲述搅拌摩擦焊的工作原理、焊接工艺及重要参数。提炼课程结构主线：以搅拌摩擦焊的工艺为课程教学结构主线，帮助学生尽快掌握搅拌摩擦焊的原理，能够根据不同的材料和结构设计合理的焊接工艺。增强学生自主学习能力和工程应用能力：采用图片展示和动画演示的分析方法，启发学生自主分析搅拌摩擦焊的原理与工艺，同时培养学生实际运用和操作能力。机械与能源工程系材料成型工艺搅拌摩擦焊主讲：王小明2讲课机械与能源工程系材料成型工艺•1991年,英国焊接研究所（TheWeldingInstitute-TWI）发明了搅拌摩擦焊（FrictionStirWelding-FSW•1997年，被日立公司、阿尔斯通公司等大型列车制造商广泛用于铝合金车体的制造中，在列车制造领域逐渐取代了熔焊技术。2.1搅拌摩擦焊的发展历程机械与能源工程系材料成型工艺•1995年，英国焊接研究所在中国申请了搅拌摩擦焊技术发明专利，并于1999年正式获得国家专利局批准。•2002年，英国焊接研究所与中国航空工业集团公司北京航空制造工程研究所签定了专利授权协议，并联合成立了中国搅拌摩擦焊中心（北京赛福斯特技术有限公司是该中心的企业化运营实体），致力于在中国地区（包括台、港、澳）推广这项新技术。•中国第一台12m长宽幅型材搅拌摩擦焊设备2.1搅拌摩擦焊的发展历程机械与能源工程系材料成型工艺2.2搅拌摩擦焊接的基本原理搅拌摩擦焊是利用摩擦热作为焊接热源的一种固相连接方法，但与常规摩擦焊有所不同。在进行搅拌摩擦焊接时，首先将焊件牢牢地固定在工作平台上，然后，搅拌焊头高速旋转并将搅拌焊针插入焊件的接缝处，直至搅拌焊头的肩部与焊件表面紧密接触，搅拌焊针高速旋转与其周围母材摩擦产生的热量和搅拌焊头的肩部与焊件表面摩擦产生的热量共同作用，使接缝处材料温度升高而软化，同时，搅拌焊头边旋转边沿着接缝与焊件做相对运动，搅拌焊头前面的材料发生强烈的塑性变形。随着搅拌焊头向前移动，前沿高度塑性变形的材料被挤压到搅拌焊头的背后，在搅拌头轴肩与焊件表层摩擦产热和锻压共同作用下，形成致密的固相连接接头。机械与能源工程系材料成型工艺•搅拌摩擦焊原理图•搅拌摩擦焊的焊接过程，可以分解为4个不同阶段：旋转、插入、焊接、离开。旋转插入焊接离开2.2搅拌摩擦焊接的基本原理机械与能源工程系材料成型工艺•焊接接头的示意图2.2搅拌摩擦焊接的基本原理机械与能源工程系材料成型工艺(V=14m/h)(V=38m/h)(V=28m/h)•铝合金搅拌摩擦焊宏观形貌2.2搅拌摩擦焊接的基本原理机械与能源工程系材料成型工艺2.3搅拌摩擦焊接的重要工艺参数•FSW焊接的重要工艺参数主要有搅拌头的形状、搅拌头的位置、搅拌头的转速、焊接速度、接头精度以及材料拘束等。这些参数对接头稳定性和焊接质量的非常重要。机械与能源工程系材料成型工艺搅拌摩擦焊的工艺参数工艺参数内容搅拌头的形状搅拌指棒的长度：约等于母材厚度搅拌指棒的形状：要适合于不同的材料、板厚搅拌头的角度：一定的前进角搅拌头的位置搅拌指棒插入的深度：约与板厚相等搅拌头中心线的位置：正好处于接头中心线搅拌头肩部：接触程度搅拌头的转速根据被焊材料厚度，搅拌头的形状，电动机的输出功率，机械刚度，转速一般为几百-几千转/分焊接速度根据确定的搅拌头的转速选择焊接速度一般由几cm/min和1-2m/min，约与电弧焊相等接头精度接头间隙，推荐0mm间隙材料的挤压加工精度、接头的加工精度、是防止产生缺陷的重要因素材料拘束为了保证接头精度，设计专用的夹具是非常重要的。2.3搅拌摩擦焊接的重要工艺参数机械与能源工程系材料成型工艺2.4搅拌摩擦焊接的特点•搅拌摩擦焊具有的优点：⑴搅拌摩擦焊是一种固相连接技术，接头性能优异。。⑵焊前不需要开坡口，可以节省焊前准备工时。⑶焊接过程中不需要保护气，也不需要填充材料。⑷焊接过程容易实现自动化，可以实现全位置焊接，接头质量一致性好。机械与能源工程系材料成型工艺•搅拌摩擦焊具有的优点：⑸焊接热输入小，从而导致焊接变形小、接头残余应力水平低，是一种低应力、小变形焊接技术。⑹焊接过程中无飞溅、无弧光、无辐射，是一种绿色焊接技术。⑺焊接效率高、能耗低，是一种高效焊接技术。2.4搅拌摩擦焊接的特点机械与能源工程系材料成型工艺•搅拌摩擦焊存在的主要问题：（1）焊缝无增高,在接头设计时要特别注意这一特征。焊接角接接头受到限制，接头形式必须特殊设计。（2）需要对焊缝施加大的压力，限制了搅拌摩擦焊技术在机器人等设备上的应用。（3）焊接结束时，由于搅拌头的回抽在焊缝中往往残留搅拌指棒的孔，所以必要时，焊接工艺上需要添加“引焊板或退出板”。2.4搅拌摩擦焊接的特点机械与能源工程系材料成型工艺•搅拌摩擦焊存在的主要问题：（4）被焊零件需要由一定的结构刚性或被牢牢固定来实现焊接；在焊缝背面必须加一耐摩擦力的垫板。（5）要求对接头的错边量及间隙大小必需严格控制。（6）目前只限于对轻金属及其合金的焊接。总之，与熔焊相比，它是一种高质量、高可靠性、高效率、低成本的绿色连接技术。2.4搅拌摩擦焊接的特点机械与能源工程系材料成型工艺•复合焊接技术：（1）感应线圈辅助加热搅拌摩擦焊工艺在旋转工具的前方采用移动式感应线圈来当作热源。当材料受到热能作用后将会产生塑化现象，搅拌摩擦焊接工具的主要作用为控制材料的塑性流动形态，且可破坏存在于工件表面的氧化薄膜。然而此改良的工艺无法利用感应线圈在特定位置上予以精确加热。（2）激光辅助搅拌摩擦焊工艺激光能的高温作用将会使位于旋转工具前方的工件软化，因此仅需施以较小的工作负荷即能驱使旋转工具移动。另外，该系统更具有另一优越性:即使在高速焊接状态下,亦不会造成旋转工具的过度磨损。2.5搅拌摩擦焊接的发展现状机械与能源工程系材料成型工艺2.5搅拌摩擦焊接的发展现状•复合焊接技术：（3）载流—搅拌摩擦复合焊基于内生电阻热－搅拌摩擦热复合的载流－搅拌摩擦复合焊接(RFSW)新技术。在搅拌摩擦焊的过程中，在工件焊缝方向上通以电流，该电流与其流经的焊缝和摩擦搅拌焊接区的接触电阻产生电阻热，该电阻热和搅拌摩擦热形成搅拌摩擦的复合热源。可用于碳钢、不锈钢、高温合金等结构材料的搅拌摩擦焊接、焊前热处理和焊后热处理。对于解决高熔点金属搅拌摩擦焊接的难题提供了新的研究思路和方法，对于快速高效的低熔点金属搅拌摩擦焊接也具有改善和促进作用，能够解决FSW焊接高熔点金属所面临的一些挑战。机械与能源工程系材料成型工艺•复合焊接技术：a)预热的作用b)热处理的作用•载流--搅拌摩擦焊装置示意图2.5搅拌摩擦焊接的发展现状机械与能源工程系材料成型工艺目前铝合金仍将是搅拌摩擦焊的主要被焊材料，而镁合金、铜合金、不锈钢、碳钢以及异种金属的搅拌摩擦焊也将会成为研究热点。不同材料的搅拌摩擦焊焊接工艺、有限元数值模拟以及焊后接头性能和接头焊后加工处理也将是研究的重点加大对摩擦焊接技术的研究投入对我国航空制造、国防工业、海底油气开采、特种设备制造等领域的发展具有重要意义2.5搅拌摩擦焊接的发展现状机械与能源工程系材料成型工艺思考题1.搅拌摩擦焊的基本原理是什么?2.搅拌头由哪几部分组成？各由什么材料制成？有何作用？机械与能源工程系材料成型工艺本内容结束感谢各位认真听讲！