搅拌摩擦焊基本原理及发展现状

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1、全国特种连接技术交流会论文集搅拌摩擦焊基本原理及发展现状1搅拌摩擦焊基本原理北京航空制造工程研究所郭德伦～般摩擦焊是利用两被焊工件相互摩擦，由摩擦产生的热使被焊材料产生塑性软化区，然后快速停止摩擦，立即加压形成固相焊接头⋯。搅拌摩擦焊则是利用一个耐高温硬质材料制成一定形状的搅拌探头，将探头旋转深入两被焊材料连接的边缘处，依靠高速旋转探头在两被焊材料连接的边缘产生摩擦热，使接缝处金属产生塑性软化区，旋转探头周围的塑性软化区金属受到摩擦、搅拌、挤压，并随着搅拌探头沿焊缝向后形成塑性金属流，随后在探头离开后的冷却过程中，在受挤压的

2、条件下，形成固相焊接接头。焊接过程示意图如图l所示。2搅拌摩擦焊工艺特点图l揽拌摩攘焊过程‘由于搅拌摩擦焊过程中热输入相对于熔焊过程较小，接头部位不存在金属的熔化，是一种固态焊接过程，在合金中保持母材的冶金性能，可以焊接金属基复合材料、快速凝固材料等采用熔焊会有不良反应的材料。其主要优点如下伍M：(1)焊接接头热影响区显微组织变化小．残余应力比较低，焊接工件不易变形(2)能一次宪成较长焊缝、大截面、不同位置的焊接．接头质量高：42全田特种连接技术交流会论文集(3)操作过程方便实现机械化、自动化，设备简单，能耗低，功效高：(4

3、)无需添加焊丝，焊铝合金时不需焊前除氧化膜，不需要保护气体，成本低；(5)可焊热裂纹敏感的材料，适合异种材料焊接：(6)焊接过程安全、无污染、无烟尘、无辐射等。搅拌摩擦焊也存在一定的缺点{“l：焊接工件必须刚性固定，反面应有底板；焊接结束搅拌探头提出工件时，焊缝端头形成一个键孔，并且难以对焊缝进行修补：工具设计、过程参数和机械性能数据只在有限的合金范围内可得：在某种情况下，如特殊领域中要考虑腐蚀性能、残余应力和变形时，性能需进一步提高才可实际应用；对板材进行单道连接时，目前焊速不是很高：搅拌头的磨损消耗太快等．3铝合金搅拌摩

4、擦焊接研究现状搅拌摩擦焊(FrictionStirWelding简称FSW)是英国剑桥焊接研究所(TWI)于1991年10月提出的发明专利【”。搅拌摩擦焊工艺最初主要用于解决铝合金等低熔点材料的焊接，关于搅拌摩擦焊工艺的特点和应用等，rq，l进行了较多的研究，并于1993年、1995年分别申请了专利。目前，TWl主要是与航空航天、海洋、道路交通、铝材厂、焊接设备制造厂等大公司联合，以团体赞助或合作的形式开发这种技术，扩大其应用范围。美国的爱迪生焊接研究所(EdisonweldingInstitute，简称EWI)与TwI密切

5、协作，也在进行FSW工艺的研究f。J。美田的美国洛克希德·马丁航空航天公司、马歇尔航天飞行中心、美国海军研究所、Dartmouth大学、得克萨斯大学、阿肯色斯大学、南卡罗利纳大学、德国的Stuttgart大学、澳大利巫的Adelaide大学、澳大利驱焊接研究所等都从不同角度对搅拌摩擦焊进行了专门研究if,”。搅拌摩擦焊工艺是自激光焊接问世以来最引人注目的焊接方法。它的出现将使铝合金等有色金属的连接技术发生重大变革。目前，用搅拌摩擦焊方法焊接铝合金取得了很好的效果。现在英、美等国正进行锌、铜、钛、低碳钢、复合材料等的搅拌摩擦焊

6、接【”“。搅拌摩擦焊在航空航天工业领域有着良好的应用前景．(1)搅拌头的设计搅拌头的成功设计是把搅拌摩擦焊应用在更大范围的材料和焊接更宽的厚度范围的关键。下面主要讨论一下搅拌头的发展现状．一般说来，搅拌头包括两部分：搅拌探头和轴肩，而搅拌头的材料通常都采用硬度远远高于被焊材料的材料制成，这样能够在焊接过程中将搅拌头的磨损减至最小113】】。全困特种连接技术交流会论文集在初期，搅拌头形状的合理设计是获得良好机械性能焊缝的关键。近期以来，关于搅拌头的发展主要集中在两个方面：一个是带螺纹的搅拌头，一个是带三个沟槽的搅拌头【l”，如

7、图1-2、1-3所示。本质上，这两种搅拌探头都设计成锥体，大大减少了相同半径圆柱体搅拌探头的材料卷出量，一般说来，带三沟槽的搅拌探头减小了70％，而带螺纹的搅拌探头减小了60％t”】。如果使用一个确定的较小直径的搅拌探头，锥形搅拌探头比圆柱形搅拌探头更容易进入焊件而通过塑性材料，并且减小了搅拌头的应力集中和断裂可能性。盟2带三沟槽的搅拌头⋯’圈3带螺纹的搅拌头⋯’揽捧头轴肩的设计对于搅拌摩擦焊过程中的辅助热源输入起着极为重要的作用。对于不同材料的焊接，搅拌头轴肩的设计非常关键．文献[141中提出多种轴肩的设计方案如图4所示．

8、图4搅拌头的轴肩设计Ⅲo这些多样化的轴肩设计增强了搅拌头和工件之间的耦合，并能够对在焊接过程中挤出的塑性材料进行有效的密封．以保证形成致密的焊缝．文献[13】中描述了一种可以焊接不同厚度材料的搅拌头．搅拌探头和轴肩都可以随着材料的不同厚度而移动，如图5所示。全国特种连接技术交流会论文集图5