幾種新型攪拌摩擦焊技術(shù)

1、幾種新型攪拌摩擦焊技術(shù)攪拌摩擦焊技術(shù)自1991年問(wèn)世以來(lái)就倍受業(yè)界矚目，特別是1996年攪拌摩擦焊被成功應(yīng)用于宇航結(jié)構(gòu)件的焊接以后，在制造業(yè)掀起了技術(shù)研究、發(fā)展和推廣應(yīng)用的熱潮1-3。雙軸肩自適應(yīng)攪拌摩擦焊技術(shù)攪拌摩擦焊作為一種先進(jìn)的固相連接技術(shù)，已經(jīng)在造船、航空航天、軌道交通等領(lǐng)域獲得了廣泛的 應(yīng)用。但是在一些特殊的加工過(guò)程中需要攪拌摩擦焊設(shè)備提供較大的焊接力，同時(shí)要求在焊接過(guò)程中對(duì)待焊零件進(jìn)行嚴(yán)格裝夾（包括背部的剛性支撐），這給某些特殊結(jié)構(gòu)形式下實(shí)施FSW造成了困難，如大直徑火箭貯箱環(huán)縫結(jié)構(gòu)的焊接等。而雙軸肩自適應(yīng)攪拌摩擦焊（Self-ReactingPin Tool，SRPT）技術(shù)成功地

2、解決了上述問(wèn)題。1 原理雙軸肩自適應(yīng)攪拌摩擦焊是通過(guò)上下軸肩夾持作用加緊工件，下軸肩代替了常規(guī)攪拌摩擦焊的墊板裝置。攪拌針與驅(qū)動(dòng)裝置及下軸肩相連，這樣既可調(diào)節(jié)加載載荷又可調(diào)整下軸肩的位置。且上軸肩與單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)軸相連，這種上下軸肩單獨(dú)控制的方式使得自適應(yīng)系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)，并且使上下軸肩的頂鍛力反向相等，整個(gè)工件在垂直板件方向所受合力為零。由于SRPT采用了兩個(gè)軸肩的模式，提高了焊縫背部的熱輸入，可以預(yù)防和降低焊縫背部缺陷。與常規(guī) FSW 相比，SRPT有兩個(gè)獨(dú)立控制的軸肩；常規(guī)FSW焊件背面需要配套的剛性支撐墊板，而SRPT焊件背面則不需要；常規(guī)FSW被焊工件需要嚴(yán)格的裝夾，焊件需要被垂直及側(cè)向壓緊

3、，而 SRPT大大簡(jiǎn)化了裝夾機(jī)構(gòu)；常規(guī)FSW焊縫背部常常是整個(gè)焊件的薄弱環(huán)節(jié)，SRPT由于下軸肩的產(chǎn)熱減小了從焊縫表面到背部的溫度梯度，降低了焊縫的熱損耗，提高了熱效率，因此可以很好地消除焊縫背部未焊透等缺陷。2 試驗(yàn)驗(yàn)證與工程應(yīng)用Edwards 等4成功地應(yīng)用雙軸肩自適應(yīng)攪拌摩擦焊技術(shù)對(duì)薄板鋁合金進(jìn)行了焊接，試驗(yàn)表明：在薄板焊接領(lǐng)域此技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)1.8mm及更薄的鋁合金型材的焊接；焊接速度可以達(dá)到1m/min以上；對(duì)2mm厚A l6061鋁合金的試驗(yàn)表明，焊縫強(qiáng)度系數(shù)可達(dá)88%，而且強(qiáng)度系數(shù)還可以進(jìn)一步提高。TWI的研究表明5：雙軸肩技術(shù)可以在較低的軸向頂鍛力下焊接25mm厚的鋁板；此項(xiàng)技術(shù)

4、可以提供完全焊透的焊縫，不會(huì)出現(xiàn)未焊透和其他根部缺陷。復(fù)合熱源攪拌摩擦焊技術(shù)復(fù)合焊接是指為了滿足材料加工的要求，將2種或2種以上單一焊接方法集于一體，取長(zhǎng)補(bǔ)短，從而形成新的、更為先進(jìn)的焊接方法。由于攪拌摩擦焊過(guò)程中，焊接熱能主要是攪拌頭與工件間的摩擦產(chǎn)熱及塑性變形產(chǎn)熱，其特殊的產(chǎn)熱方式?jīng)Q定了在焊接高熔點(diǎn)、大厚度合金時(shí)焊接速度往往較低。為克服上述不足，焊接工作者們不斷研究開(kāi)發(fā)出多種 FSW復(fù)合技術(shù)，如以感應(yīng)熱、電阻熱、電弧、激光、等離子弧等做為輔助熱源的復(fù)合攪拌摩擦焊接技術(shù)6-7。但這些方法在實(shí)際應(yīng)用中總存在這樣或那樣的缺點(diǎn)，如以感應(yīng)熱為輔助熱源的復(fù)合攪拌摩擦焊接技術(shù)，無(wú)法利用感應(yīng)線圈在特定位置

5、上精確加熱，只適用于導(dǎo)磁性材料。并且感應(yīng)電流可能會(huì)橫越焊接路徑形成不良的放電火花等。而以電阻熱為輔助熱源的復(fù)合攪拌摩擦焊接技術(shù)只適用于導(dǎo)電材料，需要對(duì)攪拌頭進(jìn)行特殊處理以避免其導(dǎo)電等。目前國(guó)際上在此領(lǐng)域的研發(fā)工作主要是以激光為輔助熱源的復(fù)合攪拌摩擦焊技術(shù) (Laser Assisted FrictionStir Welding，LAFSW) 和以等離子弧為輔助熱源的復(fù)合攪拌摩擦焊技術(shù) (Plasma Arc Assisted FrictionStir Welding，PAFSW)6-8。1 以激光為輔助熱源的復(fù)合攪拌摩擦焊技術(shù)以激光為輔助熱源的復(fù)合攪拌摩擦焊技術(shù)在焊接過(guò)程中采用高能激光束預(yù)熱攪

6、拌頭前方待焊接試件。試件在激光的作用下受熱變軟，在隨激光跟進(jìn)的攪拌頭旋轉(zhuǎn)、摩擦、鍛壓作用下最終形成牢固的接頭。G .Kohn等人發(fā)現(xiàn)通過(guò)對(duì)激光能量及作用區(qū)域的控制，可以準(zhǔn)確控制焊接熱輸入的大小和工件預(yù)熱區(qū)域的范圍，避免了攪拌頭和夾持裝置受到激光熱能的影響。由于LAFSW采用激光預(yù)熱攪拌摩擦焊跟進(jìn)焊接的新型模式，使攪拌頭前方工件在攪拌頭到達(dá)要焊部位前事先軟化，減少了攪拌工具進(jìn)給和旋轉(zhuǎn)的阻力，減小了工件的受力，同時(shí)可以提高焊接速度。所以這種模式不但可以減小攪拌頭的損耗，也可以簡(jiǎn)化工件夾持機(jī)構(gòu)或降低工件夾持所需的裝卡力，提高焊接效率。G. Kohn等人8對(duì)4mm厚的AZ91 鎂合金板進(jìn)行了LAFSW

7、焊接試驗(yàn)。攪拌頭軸肩尺寸20mm，圓柱攪拌針直徑9mm，針長(zhǎng)4mm。激光束在旋轉(zhuǎn)工具前方被完全聚焦成直徑1cm的光點(diǎn)。采用點(diǎn)焊將熱電隅接至試驗(yàn)試片表面以校正焊件溫度。激光功率設(shè)定為200W，利用此能量將實(shí)驗(yàn)試片加熱至320左右。而焊件只用4個(gè)螺栓固定在試驗(yàn)臺(tái)上。攪拌頭轉(zhuǎn)速為1700r/min，焊接速度50mm/min。從試驗(yàn)件焊后宏觀照片看，采用LAFSW技術(shù)可以焊接出表面成型良好，且無(wú)缺陷的焊縫。LAFSW存在的問(wèn)題是激光在某些反射率高的材料表面會(huì)產(chǎn)生反射，激光能的利用率低，造成能源浪費(fèi)。如果在這些材料表面涂覆防反射材料，會(huì)造成工藝上的復(fù)雜。為了減少激光能的反射率，采用在焊縫處開(kāi)坡口的方法，

8、此方法在一定程度上減少了激光的反射，但是用來(lái)填充焊縫的金屬減少了，易形成塌陷。LAFSW的研究還有待深入，后續(xù)工作主要集中在針對(duì)不同材料找出激光與摩擦焊接參數(shù)的組合參數(shù)；對(duì)LAFSW的焊接變形進(jìn)行測(cè)量和控制等。2 以等離子弧為輔助熱源的復(fù)合攪拌摩擦焊技術(shù)以等離子弧為輔助熱源的復(fù)合攪拌摩擦焊原理與LAFSW原理類似，只是預(yù)熱能量的來(lái)源不同。焊接時(shí)，攪拌頭在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)并沿待焊工件的對(duì)接面壓入待焊工件，當(dāng)攪拌頭的軸肩與待焊工件緊密接觸后，攪拌頭沿對(duì)接面向前移動(dòng)實(shí)現(xiàn)焊接，焊接區(qū)域在攪拌頭產(chǎn)生的摩擦熱與等離子弧產(chǎn)生的輔助熱量共同作用下發(fā)生塑化，最終在攪拌頭后部形成焊縫。此項(xiàng)技術(shù)由于采用了高能輔助

9、熱源等離子弧與攪拌摩擦焊復(fù)合的方式，大大拓寬了攪拌摩擦焊的適用范圍，減少了攪拌頭的頂鍛力和焊接時(shí)向前運(yùn)動(dòng)的阻力，大大降低攪拌頭的磨損，提高了攪拌頭的壽命；同時(shí)提高了焊接效率，并且為以后航空航天領(lǐng)域?qū)ζ渌呷埸c(diǎn)和高硬度材料的焊接打下基礎(chǔ)。劉會(huì)杰等人6,9在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)展了以等離子弧為輔助熱源的攪拌摩擦研究。試驗(yàn)材料為航天工業(yè)中常用來(lái)做為燃料貯箱材料的2219-T6鋁合金。試驗(yàn)所用的焊接設(shè)備為FSW-3LM-003型攪拌摩擦焊機(jī)和Plasma fine 15等離子弧焊機(jī)。采用機(jī)械方法將等離子槍與攪拌摩擦焊機(jī)相連，等離子槍與攪拌頭的距離為25mm。對(duì)常規(guī)FSW研究表明6，當(dāng)轉(zhuǎn)速為800r/min時(shí)，形

10、成無(wú)焊接缺陷接頭的最高焊接速度260mm/min。 最高抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到341MPa，是母材強(qiáng)度的82%，接頭全部斷在熱影響區(qū)內(nèi)，斷裂形式為混合斷裂。通過(guò)對(duì)接頭沉淀相及焊接熱循環(huán)的研究發(fā)現(xiàn)，熱影響區(qū)內(nèi)的相粗化是造成其軟化的主要原因，并且焊速過(guò)低會(huì)導(dǎo)致相粗化的時(shí)間變長(zhǎng)，導(dǎo)致力學(xué)性能的降低。因此，為了提高焊接接頭力學(xué)性能，應(yīng)該采用焊接時(shí)間較短的焊接規(guī)范。對(duì)以等離子弧為輔助熱源的攪拌摩擦焊的研究表明6,9，當(dāng)轉(zhuǎn)速為800r/min時(shí)，形成無(wú)焊接缺陷接頭的最高焊接速度為600mm/min，接頭最高抗拉強(qiáng)度達(dá)到360MPa，是母材強(qiáng)度的86%，接頭全部斷在焊核區(qū)內(nèi)，斷口為混合型斷口。通過(guò)對(duì)焊接熱循環(huán)的研

11、究表明，熱影響區(qū)的高溫保持時(shí)間很短，相粗化程度減小。而焊核區(qū)內(nèi)形成粗大的相所造成的接頭軟化，并沒(méi)有由于晶粒的細(xì)化所彌補(bǔ)，形成了接頭中最薄弱的區(qū)域。可見(jiàn)此項(xiàng)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)常用航空航天材料2219-T6鋁合金的可靠連接，在保證了接頭力學(xué)性能的前提下，將焊接速度提高了1倍，這充分說(shuō)明這一新技術(shù)的可行性，且工藝簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。隨著此項(xiàng)技術(shù)的不斷完善發(fā)展，必將為我國(guó)航空航天事業(yè)做出更大的貢獻(xiàn)。動(dòng)態(tài)控制低應(yīng)力無(wú)變形攪拌摩擦焊技術(shù)攪拌摩擦焊熱輸入低，較熔焊相比構(gòu)件焊后殘余應(yīng)力低、變形相對(duì)較小。但薄壁鋁合金結(jié)構(gòu)攪拌摩擦焊的焊接應(yīng)力與變形問(wèn)題還是表現(xiàn)得很突出，與工程實(shí)際的要求有一定差距。有學(xué)者認(rèn)為FSW焊接殘余應(yīng)

12、力與其他焊接方法得到的接頭殘余應(yīng)力大小類似，縱向殘余應(yīng)力的最大值接近材料的屈服應(yīng)10-12。北京航空制造工程研究所中國(guó)攪拌摩擦焊中心，基于關(guān)橋院士發(fā)明的動(dòng)態(tài)控制低應(yīng)力無(wú)變形（Dynamically Controlled LowStress No Distortion, DC-LSND）焊接法，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了新型的陣列式射流沖擊熱沉裝置，將DC-LSND技術(shù)應(yīng)用于攪拌摩擦焊過(guò)程，達(dá)到了控制FSW焊接殘余應(yīng)力和失穩(wěn)變形的目的13。1 原理DC-LSND FSW技術(shù)成功地將低應(yīng)力無(wú)變形焊接法應(yīng)用于攪拌摩擦焊中，在焊接熱源的適當(dāng)部位，設(shè)置一個(gè)能對(duì)焊縫局部產(chǎn)生急冷作用的熱沉，與焊接熱源構(gòu)成熱源熱沉系統(tǒng)，在焊

13、接過(guò)程中形成一個(gè)畸變的溫度場(chǎng)。雖然此項(xiàng)技術(shù)在開(kāi)始施焊時(shí)同常規(guī) FSW一樣會(huì)在焊縫區(qū)產(chǎn)生縮短的不協(xié)調(diào)應(yīng)變，但熱沉的存在使高溫焊縫的熱量向熱沉方向傳導(dǎo)，減少了熱量積累，使高溫區(qū)范圍變窄。同時(shí)，由于焊縫受冷急劇收縮，減少了焊縫及其附近區(qū)域金屬在焊接過(guò)程中產(chǎn)生的壓縮塑性應(yīng)變。因此，殘余拉應(yīng)力區(qū)域和殘余拉應(yīng)力大小都得到控制，相應(yīng)的焊縫兩側(cè)的殘余壓應(yīng)力也降到較低的水平，從而可以使薄壁構(gòu)件不發(fā)生翹曲失穩(wěn)變形。DC-LSND FSW設(shè)備主要由壓縮空氣系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和陣列式射流沖擊熱沉組成。熱沉對(duì)攪拌頭形成半包圍狀態(tài)，同時(shí)焊接前方采用壓縮空氣將多余的冷卻水吹向后方，防止水及雜質(zhì)進(jìn)入未焊合的焊縫，影響

14、接頭性能10-13。2 技術(shù)特點(diǎn)DC-LSND FSW 設(shè)備的核心部分 熱沉系統(tǒng)是依據(jù)陣列式射流沖擊原理設(shè)計(jì)而成的。 該熱沉 系統(tǒng)可以根據(jù)FSW焊接過(guò)程中各個(gè)區(qū)域溫度的分布，設(shè)置不同的微射流孔直徑和分布密度，從而形成不 同的冷卻效果。 熱沉噴嘴還可以根據(jù)需要制作成不同的形狀，結(jié)合不同的微射流沖擊孔的分布形式，主動(dòng)控制FSW焊接區(qū)域的溫度場(chǎng)和熱彈塑性應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)，從而達(dá)到FSW低應(yīng)力無(wú)變形的焊接效果。由于采用壓縮空氣將多余的冷卻水吹向攪拌頭的后方，因此避免了冷卻水侵入焊縫。所以此技術(shù)可以在控制焊接變形的同時(shí)，可得到成型美觀、性能優(yōu)良的焊縫。3 試驗(yàn)驗(yàn)證李光等人13對(duì)5083、6082、2A12 等

15、工程常用鋁合金進(jìn)行了DC-LSND FSW 與常規(guī) FSW 焊接對(duì)比試驗(yàn)，DC-LSND焊接技術(shù)可以有效減小FSW焊接變形，1000mm×100mm×3.5mm 5083鋁合金常規(guī)FSW焊接后局部翹曲變形十分明顯，而DC-LSND FSW焊后則基本無(wú)變形，如圖1。DC-LSNDFSW接頭殘余應(yīng)力分布規(guī)律與常規(guī)攪拌摩擦焊接頭殘余應(yīng)力分布類似，但應(yīng)力峰值比常規(guī)焊降低50%以上，殘余拉應(yīng)力分布范圍變窄。DC-LSNDFSW與常規(guī)FSW焊縫氫含量的的對(duì)比分析表明，5A06鋁合金母材中氫含量為0.002350%（相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)），常規(guī)FSW焊縫中氫含量為0.002349%，而采用DC-

16、LSND方法獲得的FSW焊縫中氫含量為0.002350%?？梢?jiàn)，陣列射流沖擊熱沉系統(tǒng)對(duì)攪拌摩擦焊具有較好的工藝適用性，徹底排除了冷卻水侵入FSW焊縫的可能。接頭力學(xué)性能分析表明，對(duì)熱處理不可強(qiáng)化的5A06-O鋁合金 ,DC-LSND FSW接頭性能沒(méi)有明顯影響；對(duì)熱處理可強(qiáng)化的 6082-T6鋁金，接頭拉伸性能較常規(guī)FSW接頭可提高8%左右，且接頭彎曲性能良好，可達(dá)到彎曲180°u26080X裂紋。DC-LSND FSW技術(shù)是動(dòng)態(tài)低應(yīng)力無(wú)變形焊接法和陣列式射流沖擊換熱原理在攪拌摩擦焊中的成功應(yīng)用，可謂強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合。其對(duì)焊接變形和殘余應(yīng)力的控制效果突出，且工藝適用性好，具有良好的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)

17、價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。雙頭攪拌摩擦焊技術(shù)1 原理雙頭攪拌摩擦焊（Twin-stir FSW）采用兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)相反的攪拌頭同時(shí)進(jìn)行焊接，由于兩個(gè)攪拌頭轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，產(chǎn)生的工作扭矩因相互抵消而減弱，焊接過(guò)程中采用較小的側(cè)向裝夾力就能實(shí)現(xiàn)可靠的連接14-15。在雙攪拌頭復(fù)雜的機(jī)械力和摩擦熱的作用下，塑性金屬的流動(dòng)、焊接溫度場(chǎng)、應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)都將收到影響，這會(huì)對(duì)焊件性能產(chǎn)生很大的影響。2 Twin-stirTM FSW的幾種形式及其特點(diǎn)目前，雙頭攪拌摩擦焊有3種方式14-15，分別是：（1）平行并列式雙頭（Parallel Twin-stir）攪拌摩擦焊，該方式采用兩個(gè)轉(zhuǎn)向相反的攪拌頭，按照平行并列方式排布，

18、一同沿焊接方向移動(dòng)。這種工藝方法最適合用于焊接搭接接頭，它可以使搭接焊的缺陷出現(xiàn)在兩個(gè)焊縫之間。（2）前后一字排列式雙頭（Tandem Twin-stir）攪拌摩擦焊，該方式按焊接方向，兩個(gè)攪拌頭一前一后排布，轉(zhuǎn)向相反。這種方式適用于所有FSW接頭形式，后面攪拌頭的主要作用在于對(duì)前面攪拌頭焊接后的殘留氧化膜進(jìn)行完全破碎，提高了焊接接頭質(zhì)量。常規(guī)攪拌摩擦焊焊縫經(jīng)過(guò)二次焊接（攪拌頭旋向相反），可使氧化膜完全破碎彌散分布，而不會(huì)損傷接頭的機(jī)械性能。采用雙攪拌頭前后一字排列的FSW方法，在前方攪拌頭的作用下，材料已經(jīng)軟化，這樣就降低了對(duì)后方跟進(jìn)的攪拌頭的要求。（3）前后交錯(cuò)排列式雙頭（Staggered Twin-stir）攪拌摩擦焊，該方式沿焊接方向，兩個(gè)攪拌頭前后交錯(cuò)排列，并非與焊縫中心線平行，采用這種方式可以形成更寬的焊縫區(qū)域。兩個(gè)攪拌頭重疊區(qū)域的氧化膜將得到更好的破碎和彌散性分布。該方法的突出之處在于第二個(gè)攪拌頭位置可調(diào)，可以覆蓋前方攪拌頭的焊接區(qū)域，消除焊縫減薄。且焊縫區(qū)晶粒細(xì)化，氧化膜