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搅拌摩擦焊的原理与应用

焊割商会2018-11-06 12:13:10


1.前言
  摩擦焊是利用工件端面相互运动、相互摩擦所产生的热,使端部达到热塑性状态,然后迅速顶锻,完成焊接的一种方法。摩擦焊可以方便地连接同种或异种材料,包括金属、部分金属基复合材料、陶瓷及塑料。摩擦焊方法在制造业中已应用40多年了,由于其生产率高、质量好获得了广泛的工程应用,但焊接的对象主要是回转形零件,虽然也有其它形式的摩擦焊技术出现,以克服被焊工件几何形状的限制或提高生产率,如相位摩擦焊、径向摩擦焊、线性摩擦焊等,但实际应用很少。最近还出现了摩擦堆焊,在工件上形成特殊性能的表面层。
  搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding)是英国焊接研究所TWI(The Welding Institute)提出的专利焊接技术[1,2]。搅拌摩擦焊除了具有普通摩擦焊技术的优点外,还可以进行多种接头形式和不同焊接位置的连接。挪威已建立了世界上第一个搅拌摩擦焊商业设备,可焊接厚3~15mm、尺寸6×16m2的A1船板;1998年美国波音公司的空间和防御实验室引进了搅拌摩擦焊技术,用于焊接某些火箭部件;麦道公司也把这种技术用于制造Delta运载火箭的推进剂贮箱。本文主要介绍搅拌摩擦焊的方法、过程、特点以及焊接质量。

2 搅拌摩擦焊方法
  与常规摩擦焊一样,搅拌摩擦焊也是利用摩擦热作为焊接热源。不同之处在于,搅拌摩擦焊焊接过程是由一个圆柱体形状的焊头(welding pin)伸入工件的接缝处,通过焊头的高速旋转,使其与焊接工件材料摩擦,从而使连接部位的材料温度升高软化,同时对材料进行搅拌摩擦来完成焊接的。焊接过程如图1所示。在焊接过程中,工件要刚性固定在背垫上,焊头边高速旋转,边沿工件的接缝与工件相对移动。焊头的突出段伸进材料内部进行摩擦和搅拌,焊头的肩部与工件表面摩擦生热,并用于防止塑性状态材料的溢出,同时可以起到清除表面氧化膜的作用。


  在焊接过程中,焊头在旋转的同时伸入工件的接缝中,旋转焊头与工件之间的摩擦热,使焊头前面的材料发生强烈塑性变形,然后随着焊头的移动,高度塑性变形的材料流向焊头的背后,从而形成搅拌摩擦焊焊缝。
  搅拌摩擦焊对设备的要求并不高,最基本的要求是焊头的旋转运动和工件的相对运动,即使一台铣床也可简单地达到小型平板对接焊的要求。但焊接设备及夹具的刚性是极端重要的。焊头一般采用工具钢制成,焊头的长度一般比要求焊接的深度稍短。
  应该指出,搅拌摩擦焊缝结束时在终端留下个匙孔。通常这个匙孔可以切除掉,也可以用其它焊接方法封焊住。

3 搅拌摩擦的特点
  搅拌摩擦焊的提出与A1合金的焊接有很大关系。A1合金广泛应用在飞机、航天器、船舶、高速火车等制造领域。特别是高强度A1合金,在采用传统的熔化焊接方法时,即使采用很好的变极性焊接设备,也仍然容易产生焊接裂纹等焊接缺陷。搅拌摩擦焊是固相焊接。以6016-T6高强度A1合金为便,该合金的熔化温度约为582℃,而焊缝中心的最高温度仅450℃左右,所以搅拌摩擦焊时不会产生与金属熔化有关的焊接缺陷。
  而且焊接过程中也不需要其它焊接消耗材料,如焊条、焊丝、焊剂及保护气体等。唯一消耗的是焊接搅拌头。通常在A1合金焊接时,一个工具钢搅拌头可焊到800m长的焊缝。
  同时,由于搅拌摩擦焊接时的温度相对较低,因此焊接后结构的残余应力或变形也较熔化焊小得多。特别是A1合金薄板熔化焊接时,结构的平面外变形是非常明显的,无论是采用无变形焊接技术还是焊后冷、热校形技术,都是很麻烦的,而且增加了结构的制造成本。
  目前搅拌摩擦焊主要是用在熔化温度较低的有色金属,如A1、Cu等合金。这和搅拌头的材料选择及搅拌头的工作寿命有关。当然,这也和有色金属熔化焊接相对困难有关,迫使人们在有色金属焊接时寻找非熔化的焊接方法。对于延性好、容易发生塑性变形的黑色材料,经辅助加热或利用其超塑性,也有可能实现搅拌摩擦焊,但这就要看熔化焊和搅拌摩擦焊哪个技术经济指标更合理来决定。
  搅拌摩擦焊在有色金属的连接中已获得成功的应用,但由于焊接方法特点的限制,目前仅限于结构简单的构件,如平直的结构或圆筒形结构的焊接,而且在焊接过程中工件要有良好的支撑或衬垫。原则上,搅拌摩擦焊可进行多种位置焊接,如平焊,立焊,仰焊和俯焊;可完成多种形式的焊接接头,如对接、角接和搭接接头,甚至厚度变化的结构和多层材料的连接,也可进行异种金属材料的焊接。
  另外,搅拌摩擦焊作为一种固相焊接方法,焊接前及焊接过程中对环境的污染小。焊前工件无需严格的表面清理准备要求,焊接过程中的摩擦和搅拌可以去除焊件表面的氧化膜,焊接过程中也无烟尘和飞溅,同时噪声低。
  由于搅拌摩擦焊仅仅是靠焊头旋转并移动,逐步实现整条焊缝的焊接,所以比熔化焊甚至常规摩擦焊更节省能源。

4 搅拌摩擦焊工艺
  目前,搅拌摩擦焊在铝合金的连接方面研究得最多,已成功地进行了搅拌摩擦焊接的铝合金包括2000系列(Al-Cu)、5000系列(Al-Mg)、6000系列(Al-Mg-Si)、7000系列(Al-Zn-Mg)、8000系列(Al-Li)等。
  搅拌摩擦焊工艺参数很简单,最重要的参数是:搅拌头的尺寸、搅拌头的圆周速度以及搅拌头与工件的相对移动速度。表1是几种有色金属常用的焊接速度。一般来说,对于铝合金的焊接,焊头的旋转速度可以从几百r/min到上千r/min。焊接速度一般在1mm/s~15mm/s之间。所以搅拌摩擦焊可以很方便地实现自动控制。另外,在焊接过程中焊头要压紧工件。

表1 有色金属常用的焊接速度

材料板厚(mm)焊接速度(mm/s)焊道数
A16082-T6512.51
A16082-T6612.51
A16082-T6106.21
A14212-T6252.21
A16082-T6303.02
Cu 50100.78.81
Cu 50107.46.31
A14212+Cu50101+0.78.81


例如,对1100和6061冷轧板进行搅拌摩擦焊,板厚6.3mm。搅拌头的直径为6.3mm,长度为5.8mm。当焊接速度为1~4mm/s,搅拌头的转速在200~2000r/min的范围改变时,形成优质焊缝的最佳转速是400r/min。在转速过高时,例如超过10000r/min,引进材料应变速率增加,可能影响焊缝的再结晶过程。

5 焊接接头性能
  在搅拌摩擦焊接头中,除了包括常见的焊缝区(搅拌区),热影响区和母材外,还存在一个搅拌影响区(Stir affected zone)。图2为在焊接过程中从试件背面拍摄的焊接区形貌,从搅拌区前试件接缝的走向可以明显看出搅拌影响区的存在。由图3所示的焊接接头硬度分布也能证明搅拌影响区的存在。6061-T6(A1Mg1SiCu)为冷轧时效强化铝合金,温度的升高会造成材料硬度和强度的降低,但由于搅拌的影响,使得近邻焊缝区域的材料发生变形强化,从而形成搅拌影响区。在图3中,硬度最低点至焊缝边界之间的区域即为搅拌影响区。


  Al 6061-T6试件的搅拌摩擦焊温度场测试表明,焊缝中心最高温度为450℃左右(铝合金母材的熔化温度约为582℃),相应的材料屈服强度将由常温下的约280MPa下降到约20MPa,搅拌高温足以使铝合金达到塑性流变状态而形成高塑变搅拌层[3]
  2014A(AlCu4SiMg)、5083(AlMg4.5Mn)和6082(AlSi1MgMn)铝合金的搅拌摩擦焊接头的弯曲试验结果表明,此三种接头均可达到180度的弯曲[4]。搅拌摩擦焊焊缝没有凝固组织,焊缝金属力学性能没有显著退化。所以,拉伸试验结果表明接头最薄弱的环节不在焊缝,而是在如图3中所示的软化区。表2为6061-T6铝合金接头拉伸试验结果。

表2 6061-T6母材与焊接接头力学性能



屈服强度(Mpa)抗拉强度(Mpa)延伸率(%)
母材34335720.8
焊接接头19420617.2


试验发现:搅拌摩擦焊焊缝的宏观组织有明显的塑变流线,呈同心状。以7075-T6(AlZn5.6Mg2.5Cu1.6)铝合金为例,板厚6.35mm,焊接速度2.1mm/s,焊缝有再结晶,是细小等轴晶组织,直径约2~4μm,位错密度比母材低。母材中非常细小的晶内析出质点(约10nm),在焊缝中已看不到。这是由于搅拌摩擦焊时,焊缝的温度虽然没有达到材料的熔点,但超过了偏析硬化质点的溶解温度。在搅拌影响区,严重的塑性变形使母材晶粒拉长,但在透射电镜下看不到再结晶。

6 结论
  搅拌摩擦焊作为一种新型的摩擦焊接方法,在有色金属等材料的连接中具有广阔的应用前景。搅拌摩擦焊采用的设备简单,工艺参数少且易于控制,焊缝没有凝固组织,不会产生与材料熔化相关的缺陷,焊接应力或变形也小,而且接头性能良好,并适于多种接头结构形式。


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