第二章搅拌摩擦焊

第二章搅拌摩擦焊第一节搅拌摩擦焊的基本原理第二节搅拌摩擦焊工艺第三节FSW的温度分布和焊缝金属组织第四节FSW焊接接头的力学性能第五节搅拌摩擦焊的应用第二章搅拌摩擦焊2/13近年来，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。第二章搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊的英文是FrictionStirWelding缩写为FSW，于1991年由英国焊接研究所（TWI）发明的。它是利用间接摩擦热实现板材的连接。这种方法打破了原来摩擦焊只限于圆形断面材料焊接的概念，是上个世纪末本世纪初最新的铝及其合金的焊接技术。自从搅拌摩擦焊发明以来，搅拌摩擦焊技术在世界各国突然兴起，得到广泛的关注和深入的研究，并向生产适用化发展，特别是针对铝合金材料，世界范围的研究机构、学校以及大公司都对此进行了深入细致的研究和应用开发，并且在诸多制造工业领域得到了成功应用。本章详细介绍了搅拌摩擦焊原理、特点，并且针对铝及其合金的搅拌摩擦焊的工艺及应用作了详细的阐述。第二章搅拌摩擦焊第一节搅拌摩擦焊的基本原理5/13一、搅拌摩擦焊的原理搅拌摩擦焊的原理如图2-1所示。它是利用带有特殊形状的硬质搅拌指棒的搅拌头旋转着插入被焊接头，与被焊金属摩擦生热，通过搅拌摩擦，同时结合搅拌头对焊缝金属的挤压，使接头金属处于塑性状态，搅拌指棒边旋转边沿着焊接方向向前移动，在热-机联合作用下形成致密的金属间结合，实现材料的连接。第一节搅拌摩擦焊的基本原理图2-1搅拌摩檫焊原理图第一节搅拌摩擦焊的基本原理搅拌头由特殊形状的搅拌指棒和轴肩组成。搅拌指棒的长度等于板厚，但一般情况下，它的长度比母材的厚度稍短一些；而轴肩的直径大于搅拌指棒的直径。第一节搅拌摩擦焊的基本原理第一节搅拌摩擦焊的基本原理搅拌头的轴肩的作用：一是可以保证搅拌指棒插入的深度；其次是轴肩与被焊材料的表面紧密接触，防止处于塑性状态的母材表面的金属排出而造成的损失和氧化；三是与母材表面摩擦生热，提供部分焊接所需要的搅拌摩擦热。FSW接头焊缝的最大宽度决定于摩擦搅拌棒肩部直径大小。搅拌摩擦焊要求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。对于铝及其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，因为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。通过研究，在对接接头中，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，同样可以得到优良的焊接接头。第一节搅拌摩擦焊的基本原理10/13二、搅拌摩擦焊的特点搅拌摩擦焊由于它是一种固相连接，所以与其他焊接方法相比具有很多的优越性。1.搅拌摩擦焊的优点（1）搅拌摩擦焊是一种高效、节能的连接方法对于厚度为12.5mm的6XXX系列的铝合金材料的搅拌摩擦焊，可单道焊双面成型，总功率输入约为3kw；焊接过程不需要填充焊丝和惰性气体保护；焊前不需要开坡口和对材料表面作特殊的处理。（2）焊接过程中母材不熔化有利于实现全位置焊接以及高速连接。（3）适用于热敏感性很强及不同制造状态材料的焊接熔焊不能连接的热敏感性强的硬铝、超硬铝等材料可以用搅拌摩擦焊得到可靠连接；可以提高热处理铝合金的接头强度；焊接时不产生气孔、裂纹等缺陷；可以防止铝基复合材料的合金和强化相的析出或溶解；可以实现铸造／锻压以及铸造／轧制等不同状态材料的焊接。第一节搅拌摩擦焊的基本原理11/13（4）接头无变形或变形很小由于焊接变形很小，可以实现精密铝合金零部件的焊接。（5）焊缝组织晶粒细化接头力学性能优良焊接时焊缝金属产生塑性流动，接头不会产生柱状晶等组织，而且可以使晶粒细化，焊接接头的力学性能优良,特别是抗疲劳性能。（6）易于实现机械化、自动化可以实现焊接过程的精确控制，以及焊接规范参数的数字化输入、控制和纪录。（7）搅拌摩擦焊是一种安全的焊接方法与熔焊方法相比，搅拌摩擦焊过程没有飞溅、烟尘、以及弧光的红外线或紫外线等有害辐射对人体的危害等。第一节搅拌摩擦焊的基本原理2.存在的问题随着搅拌摩擦焊技术的研究和发展，搅拌摩擦焊在应用领域的限制得到很好解决，但是受它本身特点限制，搅拌摩擦焊仍存在以下问题：（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”。（4）被焊零件需要由一定的结构刚性或被牢固固定来实现焊接；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。第一节搅拌摩擦焊的基本原理13/13目前，搅拌摩擦焊已经可以焊接全部牌号的铝及其合金，如1000系列（纯铝）、2000系列（AL-Cu合金）、3000系列（AL-Mn合金）、4000系列（AL-Si合金）、5000系列（AL-Mg合金）、6000系列（AL-Mg-Si合金）、7000系列（AL-Zn合金）、8000系列（其它铝合金）。也已实现铝基复合材料以及铸材和锻压板材的铝合金搅拌摩擦焊。铝合金搅拌摩擦焊的可焊厚度从初期的1.2～12.5mm，现已在工业生产中应用搅拌摩擦焊成功地焊接了厚度为12.5～25mm铝合金。并且已实现单面焊的厚度达50mm、双面焊可以焊接70mm的铝合金。搅拌摩擦焊也适用于钛合金、镁合金、铜合金、铁合金等材料的连接。针对不同的零部件和应用对象，开发研制了系列的搅拌摩擦焊专用设备，并且在航空、航天、船舶、汽车等制造领域得到应用。设备主要由机械部分、主轴驱动系统、液压系统、高精度焊接平台及焊接夹具、控制系统、位置传感系统等组成。第二节搅拌摩擦焊工艺一影响FSW焊接的因素影响FSW焊接过程稳定性和焊接质量的因素，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。表2-1列出了影响FSW焊的主要工艺因素和它们的内容要点工艺因素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。表2-1搅拌摩擦焊的工艺因素第二节搅拌摩擦焊工艺1.搅拌指棒的材质及形状(1)搅拌指棒的材质由于搅拌指棒要产生并承受摩擦热，高温剪切强度是搅拌指棒根部必须考虑的一个很重要的因素。目前英国焊接研究所采用工具钢来制作搅拌指棒，例如TWI的Nicholas采用工具钢AISI-H13。日本采用了SUS440马氏体不锈钢以及工具钢SKD61作为搅拌指棒的材料。从搅拌指棒的高温强度出发，目前搅拌摩檫焊只能焊接铝、镁及其合金和铜合金等。随着搅拌指棒的材质不断开发，可以预见会有更多的材料适用于搅拌摩檫焊焊接。(2)搅拌指棒的形状搅拌指棒的形状为单纯圆柱形或加工成稍带锥形的圆柱形；也有得把单纯圆柱形加工成螺纹牙型或浅牙形，而端部形状一般为半球形。第二节搅拌摩擦焊工艺16/13图2-2新的搅拌头TWI采用FSW焊接75m特大厚板时，采用的搅拌头表面如图2-2（a）所示，切削成螺纹牙型的螺旋沟，目的是增加对被焊金属的搅拌力。图2-2（b）所示为较为复杂形状的搅拌指棒。第二节搅拌摩擦焊工艺2.搅拌头肩部的形状和材质如图2-3所示，搅拌头的肩部不是平面状，而是稍带凹面的形状，凹的程度应通过实践来确定。这种肩部形状在旋转摩檫时，会促进其正下方母材表面金属的塑性流动，增强混合搅拌效果。图2-3搅拌头的肩部形状因为搅拌头的肩部是产热之处，可采用热传导率低的二氧化锆作为肩部材料；而有的搅拌头为整体钢制。它与采用通常一体型全钢制搅拌头相比，向搅拌头传导的热减少，即减少了热损失；而且在相同条件下也不会增加FSW热影响区的宽度。在FSW高速焊时，肩部的发热量增加了30-70%。只有当肩部材质为二氧化锆时，向搅拌头侧的热传导会得到有效的抑制，该搅拌头才适用于高速FSW焊接。第二节搅拌摩擦焊工艺18/133.搅拌头的寿命搅拌头的寿命主要是以搅拌指棒根部的损伤为衡量标准。由于搅拌指棒根部易发生高温疲劳或剪切破坏，而造成损伤。初步试验结果表明，搅拌头的材质、形状、被焊工件的板厚各异以及焊接工艺参数不同，其寿命会有差别。在实际施焊过程中，以达到规定的焊缝长度或达到规定的使用时间为其寿命。例如焊接板厚6mm的6082-T6铝合金时，焊接长度为800m。当搅拌头坏损后，一定要把残留在焊缝内的破损的搅拌指棒取出。目前，采用肉眼观察检验搅拌头是否破损，是不容易的。在实际施焊过程中，达到规定的寿命，必须更换搅拌头，然后通过研磨等修复处理后再使用。第二节搅拌摩擦焊工艺搅拌头的前进角对焊缝金属塑性流动的影响如图2-4所示。当改变搅拌头的前进角时，焊缝金属的塑性流动停滞点发生很大变化。从图中可以看出，在搅拌头的前进角为零度时，即搅拌头与工件表面垂直，焊缝金属的塑性流动停滞点处于焊根部中心，随着前进角角度的增大，搅拌力增大，塑性流动的停滞点向焊缝上方移动，这有利于消除缺陷。4.搅拌头的前进角搅拌头的前进角是指搅拌头中心轴线与工件表面垂线之间的夹角。在一般情况下，搅拌头的前进角定为3-5º。确定前进角的目的，一般认为它可以提高搅拌头的寿命，促进摩擦引起的焊缝金属塑性流动，消除产生缺陷的倾向。图2-4搅拌头前进角对焊缝金属的塑性流动停滞点位置的影响第二节搅拌摩擦焊工艺20/135.搅拌头的位置搅拌头的位置是被焊金属与搅拌头的相对位置有关的参数。为了获得没有缺陷的良好接头，被焊金属必须通过搅拌作用向板厚方向输入摩擦热。这就要求搅拌头的肩部必须完全与被焊金属表面接触，使搅拌指棒完全插入板厚的状态保持稳定。搅拌头中心线的位置正好处于接头中心线上。6.工件的固定被焊工件的固定，要依据坡口加工精度、胎卡具的设计、被焊金属以及尺寸大小等综合考虑。在焊接过程中易产生横向张开，保持接头间隙不变比较困难，特别在焊接长尺寸的工件时，一定要重视胎卡具的设计。第二节搅拌摩擦焊工艺二搅拌摩擦焊工艺1.接头形式关于这种新焊接方法的接头形式，推荐如图2-5所示的各种接头形状。通常搅拌摩擦焊采用平板对接和搭接形式进行焊接。它也可实现多种接头的焊接，如多层对接、多层搭接、T形接头、V形接头