攪拌摩擦焊攪拌針與軸肩的特點

攪拌摩擦焊攪拌針與軸肩的特點摘要：攪拌摩擦焊技術是90年代發(fā)展起來的、自發(fā)明到工業(yè)應用時間跨度最短和發(fā)展最快的一項新型固相連接新技術，公認為是最有前途和最適合航空材料以及結(jié)構件制造的工藝方法之一。由于捷拌摩擦焊焊縫組織均勻、接頭力學性能優(yōu)異，生帝過程中安全、無煙塵煙氣、無輻射，污染小、成本低等技術優(yōu)努，因而在許多工業(yè)領域獲得了廣泛應用。關鍵詞：鋁合金；攪拌摩擦焊接；攪拌摩擦焊特性攪拌摩擦焊特性1.1攪拌摩擦焊簡介：攪拌摩擦焊技術發(fā)明至今以來，無論在國外還是在國內(nèi)，已經(jīng)成功跨出試驗研究階段，發(fā)展成為在鋁合金結(jié)構制造中可以替代熔焊技術的工業(yè)化實用的固相連接技術；攪拌摩擦焊的焊接新裝備和攪拌工具的發(fā)展非?？?，為實施攪拌摩擦焊工藝方案（如消除攪拌匙孔）及提高各類材料接頭的質(zhì)量，各種類別的新型攪拌摩擦焊接設備、自動化裝置及機器人攪拌摩擦焊機等相繼問世。攪拌摩擦焊目前的發(fā)展目標之一是攻克在高熔點金屬材料連接中的難題，諸如：普通碳鋼、不銹鋼、鈦合金、甚至高溫合金等結(jié)構材料的固相連接，進一步優(yōu)化攪拌工具的型體設計與材料選取。摩擦焊可以方便地連接同種或異種材料，包括金屬、部分金屬基復合材料、陶瓷及塑料。1.2攪拌摩擦焊原理：攪拌摩擦焊的攪拌頭是該技術的核心部分，由攪拌針和軸肩兩部分組成。焊接過程中，攪拌頭高速旋轉(zhuǎn)，攪拌針深入到工件內(nèi)部，軸肩緊壓在工件表面（保持一定的壓入量）。高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭與工件之間摩擦，產(chǎn)生大量的摩擦熱。由于摩擦熱的作用以及攪拌頭的粉碎、擠壓作用，攪拌頭周圍金屬在焊接過程中將發(fā)生嚴重的熱塑性變形，從而釋放大量的塑性變形能。在摩擦熱及塑性變形能的綜合作用下，接頭金屬實現(xiàn)塑性流動并擴散連接，并且沿著待焊界面向前移動，對于對接焊縫，攪拌指棒的插入深度一般要略小于被焊材料的厚度。1.3攪拌摩擦焊的技術特點：攪拌摩擦焊作為一項新型焊接方法，用很短的時間就完成了從發(fā)明到工業(yè)化應用的歷程。目前，在國際上還沒有針對攪拌摩擦焊公布的統(tǒng)一技術術語標準，在攪拌摩擦焊專利許可協(xié)會的影響下，業(yè)界已經(jīng)對攪拌摩擦焊方法中所涉及到的通用技術術語進行了定義和認可。攪拌摩擦焊是一種在機械力和摩擦熱作用下的固相連接方法。攪拌摩擦焊焊接過程中，通過攪拌頭旋轉(zhuǎn)著緩慢插入被焊接工件，使攪拌頭鄰近區(qū)域的材料熱塑化，旋轉(zhuǎn)著向前移動時，熱塑化的金屬材料從攪拌頭的前沿向后沿轉(zhuǎn)移，并且在攪拌頭軸肩與工件表層摩擦產(chǎn)熱和鍛壓共同作用下，形成致密固相連接接頭。二、 攪拌針以及軸肩的應用2.1攪拌針的形態(tài)攪拌摩擦焊對材料的適應性很強，幾乎可以焊接所有類型的鋁軸肩，在焊接過程中主要是與工件表面摩擦提供焊接熱源以及封閉焊接環(huán)境，以阻止高塑性軟化材料從軸肩溢出。根據(jù)不同焊接需要，軸肩與攪拌針交界的工作面可加工為平面型和凸起型。研究指出，在焊接過程中，這種設計形式可保證軸肩端部下方的軟化材料受到向內(nèi)方向的力的作用，從而有利于將軸肩端部下方形成的軟化材料收集到軸肩端面的中心以填充攪拌針后方形成的空腔，同時還可減少焊接過程中攪拌頭內(nèi)部的應力集中而保護攪拌頭。2.2軸肩幾何形貌由于軸肩在攪拌摩擦焊接過程中所起的作用比較單一，因而軸肩形貌、幾何尺寸及其對焊接過程中塑性流動和焊后接頭質(zhì)量影響方面的研究較少，而將大部分精力投入攪拌針形貌、幾何尺寸方面的研究。2.3攪拌針軸肩與針長不同形式攪拌針決定被焊材料的流動以及成形機理，合理的攪拌針形狀和尺寸是得到良好焊縫的關鍵。大量試驗總結(jié)說明的攪拌針長度應略小于焊件厚度，其與軸肩徑之比約為1：3為好，與焊件厚度之比約為1：1時較好。目前攪拌針的種類主要有帶螺紋以及不帶螺紋的圓柱形、圓臺形、偏心式、非對稱式、外開式和可伸縮式等。2.4攪拌針的材料選擇鋁合金材料由于質(zhì)量徑、抗腐蝕、易成形等優(yōu)點，受到眾多工業(yè)制造領域的青來，隨著該材料性能的不斷提及新牌號的硬鋁、超硬鋁等材料的出現(xiàn)，在航空、航天、高速列車、高速瓶船工業(yè)領域得到了越來越廠泛的應用。但是，鋁合金材料表面致密的氧化層，以及弧焊過程中較大變形等又限制了這種材料的進一步推廣應用。攪拌頭是拌擦焊設備的核心部件本文所用攪拌頭是自主選材和設計的。對于鋁合金攪拌摩擦焊來說，焊縫區(qū)在焊接過程中的溫度可達到400-480攝氏度，這就要求攪拌頭要具有優(yōu)異的高溫性能，包括：熱強性、抗變性、熱穩(wěn)定性、與被焊材料不發(fā)生化學反應即材料性；同時在攪拌摩擦焊的過程中攪拌頭還要受到試件強烈的反作用力和于試件材料之間發(fā)生摩擦，因此必領具有好的耐磨性、對沖擊性能，并且要具有合適的摩效果和導熱性能：從經(jīng)濟的角度考慮則希望攪頭耐用容易加工延長使用壽命，一般焊接鋁合金用的材質(zhì)都是合金鋼2.5軸肩及攪井針的具體尺寸軸肩在攪拌摩擦焊接過程中主要起兩種作用（1）通過與工件表面間的摩擦，提供焊接熱源。（2） 提供一個封閉的焊接環(huán)境，以阻止高塑性軟化村料從軸肩進入，在焊接過程中，這種設計形式可保證軸肩端部下方的軟化材料受到向內(nèi)方向力的作用，從而有利于將軸肩端部下方形成的軟化材料收集到軸肩端面的中心以填充攪拌針后方所形成的空腔，同時，可減少焊接過程中攪拌頭內(nèi)部的應力集中而保護攪拌針。對于特定的焊接材料，為了獲得最佳的焊接效果，必須設計出與與之相對應幾何形狀的軸肩圖形。（3） 軸肩尺寸：攪拌頭一般要求其軸肩的直徑為對應焊材板厚的3-5倍，下壓量及下壓深度為0.5mm，軸肩及攪并針的幾何形狀是帶有螺紋及軸肩帶有凹槽。攪拌頭軸肩與工件表面以及拌針與母材產(chǎn)生的摩擦熱是焊接熱量的主要來源，在焊接過程中，而考慮到金屬材料的摩擦熱，并且這部分熱量使焊接材料塑性流動、焊接攪拌頭起著重要的作用。攪拌摩擦焊接頭斷面中出現(xiàn)的道形缺陷有孔洞就是在攪排針與其周國金屬的摩擦熱不夠，軸肩的大小直接影響焊接所需要的熱量。采用底部軸肩圓柱凹槽的攪拌頭焊接薄板時比焊接厚板穩(wěn)定，并且焊接厚板采用錐狀的攪拌頭焊接時很容易產(chǎn)生溝槽和隧道等缺陷。焊接過程熱輸入量不足流動不充分，導致暗孔的行成。三、攪拌摩擦焊目前存在的主要問題攪拌摩擦焊隨著攪拌摩擦焊技術的研究和發(fā)展，攪拌摩擦焊在應用領域的限制得到很好的解決，現(xiàn)在我們盡管攪拌摩擦焊目前可以單到完成厚度為45mm鋁合金材料的焊接，但與某些弧焊技術相比（如薄板激光焊）焊接速度還是相對較慢：另外，基于攪拌摩擦焊本身的特點，被焊零件需要由鋼結(jié)構進行固定支撐來實現(xiàn)焊接，焊接結(jié)束后攪拌頭的回抽，焊接末端留匙孔所以必要時焊接工藝需要加裝起焊板，攪拌摩擦焊在焊接時需要很大的頂鍛力，但是在焊接圓環(huán)形狀很難保證結(jié)，束匙孔的處理，只能使用伸縮攪拌針才能達到很好的效果，這也是攪拌摩擦焊需要發(fā)展的重要組成部分。四、在實際生產(chǎn)中的結(jié)論實際所使用4.3mm攪拌針焊接的軌道列車的地板，以及側(cè)墻的檢測，沒有發(fā)現(xiàn)任何異常，在焊接檢測方面采用相控陣儀器進行探傷檢測，緊接著對焊接的工件進行彎曲、拉伸、金相的力學檢測，保證所有的工件質(zhì)量符合技術要求，而且攪拌頭的壽命達到2000米，軸肩20mm顯得非常合理，焊接壓力到達20KN，