焊接工藝設(shè)計(jì) 摩擦焊

焊接工藝設(shè)計(jì)與實(shí)例分析青年你想變酷嗎？拉風(fēng)的墨鏡，帥氣的皮手套你想擁有嗎？兵鋒所指，火花四濺，舉手投足間盡顯風(fēng)流，青年你想嗎？你還在等嗎？快點(diǎn)加入吧，這個(gè)NB的職業(yè)。。。摩擦焊是一種固態(tài)熱壓焊，是利用摩擦熱使焊件產(chǎn)生固相結(jié)合的焊接方法。焊接時(shí)是利用焊件接觸面之間的相對(duì)摩擦運(yùn)動(dòng)和塑性流動(dòng)所產(chǎn)生的熱量，使界面及其附近區(qū)域達(dá)到熱塑性狀態(tài)并在壓力作用下產(chǎn)生適當(dāng)?shù)暮暧^塑性變形而形成接頭。

摩擦焊工藝焊件繞軸旋轉(zhuǎn)其他運(yùn)動(dòng)焊件不運(yùn)動(dòng)相位控制摩擦焊連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊慣性摩擦焊摩擦堆焊線性摩擦焊軌道摩擦焊徑向摩擦焊攪拌摩擦焊摩擦焊工藝及分類一攪拌摩擦焊概況

攪拌摩擦焊(FrictionStirWelding，簡(jiǎn)稱FSW)是英國(guó)焊接研究所（TWI）1991年發(fā)明的新型焊接工藝，起初主要是用于鋁合金的焊接。自問(wèn)世以來(lái)，引起了世人的廣泛關(guān)注。世界許多國(guó)家和研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行了大量的研究，自1999年以來(lái)，國(guó)際上已經(jīng)連續(xù)舉辦了5屆專門的攪拌摩擦焊學(xué)術(shù)研討會(huì)，從2000年起FSW已成為美國(guó)“AeroMat”和“MaterialsSolution”學(xué)術(shù)會(huì)議中重要的內(nèi)容。攪拌摩擦焊國(guó)內(nèi)直到1998年才開(kāi)始進(jìn)行攪拌摩擦焊技術(shù)研究。近年來(lái)，隨著人們對(duì)其優(yōu)越性的不斷認(rèn)識(shí)，許多高校、科研院所及企業(yè)都紛紛涉足攪拌摩擦焊領(lǐng)域，這些研究單位包括北京攪拌摩擦焊中心、南昌航空工業(yè)學(xué)院、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、大連鐵道學(xué)院、上海交通大學(xué)、華東船舶工業(yè)學(xué)院、蘭州理工大學(xué)、清華大學(xué)、中南大學(xué)、天津大學(xué)等。研究的主要內(nèi)容涉及接頭微觀組織、接頭力學(xué)性能、材料流動(dòng)行為、焊接溫度場(chǎng)和熱循環(huán)等。

二攪拌摩擦焊工藝原理及過(guò)程待焊接的對(duì)接或搭接件放置于墊板上，并被夾緊。攪拌頭高速旋轉(zhuǎn)并使攪拌針迅速插入被焊件的待焊位置上，當(dāng)軸肩與工件相接觸時(shí)，攪拌頭邊旋轉(zhuǎn)，邊沿焊接方向移動(dòng)，被焊工件在攪拌頭的壓力和摩擦熱作用下變?yōu)樗苄誀顟B(tài)。攪拌頭向前行走時(shí)，受到擠壓的塑性材料在摩擦攪拌力的作用下向攪拌頭的后側(cè)流動(dòng)，待攪拌頭移走后，塑性材料冷卻，經(jīng)過(guò)原子擴(kuò)散動(dòng)態(tài)再結(jié)晶形成焊接接頭，實(shí)現(xiàn)固相連接。圖1攪拌摩擦焊原理圖(a)施焊過(guò)程;(b)攪拌頭(a)(b)攪拌摩擦焊焊縫中的洋蔥環(huán)紫銅攪拌摩擦焊接頭橫剖面形貌圖

(a)前進(jìn)邊洋蔥環(huán)結(jié)構(gòu)

(b)后退邊洋蔥環(huán)結(jié)構(gòu)FSW紫銅接頭中洋蔥環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖鎂—鋼無(wú)匙孔攪拌摩擦點(diǎn)焊攪拌摩擦焊工藝過(guò)程夾持工件開(kāi)冷卻水焊機(jī)開(kāi)啟摩擦頭旋轉(zhuǎn)下降攪拌針壓入工件摩擦頭旋轉(zhuǎn)摩擦頭停止下降保溫一定時(shí)間焊機(jī)關(guān)閉停冷卻水摩擦頭向前移動(dòng)焊接開(kāi)始摩擦頭停止移動(dòng)向上提升

三攪拌摩擦焊特點(diǎn)

與普通的摩擦焊相類似，攪拌摩擦焊是在被焊材料熔點(diǎn)以下實(shí)現(xiàn)固相連接，所以在方法和工藝上具有較多的優(yōu)越性。例如攪拌摩擦焊目前可以焊接所有牌號(hào)的鋁合金其中包括以前熔焊難以焊接2xxx系列和7xxx系列的鋁合金。焊接過(guò)程中沒(méi)有弧光、煙塵、飛濺等。針對(duì)工業(yè)制造領(lǐng)域歸納起來(lái)攪拌摩擦焊主要具有如下方面優(yōu)越性：（1）攪拌摩擦焊可以降低制造成本。攪拌摩擦焊是一種簡(jiǎn)單、高效、節(jié)能且沒(méi)有焊接消耗的連接方法。攪拌摩擦焊可以節(jié)約能源，一臺(tái)簡(jiǎn)單的適合于攪拌摩擦焊焊接的設(shè)備對(duì)于厚度為12.5mm的6xxx系列的鋁合金材料的攪拌摩擦焊單道焊的總功率輸入大約為3kW，而且除了攪拌頭和電外沒(méi)有其他消耗。焊接過(guò)程不需要填充焊絲和保護(hù)氣，焊前不需要開(kāi)坡口和對(duì)材料表面的氧化層等作特殊的處理。

（2）攪拌摩擦焊為新產(chǎn)品新結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了可能。例如以前熔焊不能連接的熱敏感性很強(qiáng)的硬鋁、超硬鋁及鋁基復(fù)合材料材料都可以用攪拌摩擦焊得到可靠連接。攪拌摩擦焊較小的焊接變形可以實(shí)現(xiàn)精密鋁合金零部件的制造。用攪拌摩擦焊實(shí)現(xiàn)小尺寸擠壓型材的連接，也可以用來(lái)制造大尺寸的船舶夾板、列車壁板、卡車箱體等。（3）攪拌摩擦焊具有可靠的質(zhì)量保證。攪拌摩擦焊是一種完全機(jī)械化的連接技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程以及焊接能量輸入的精確控制。攪拌摩擦焊的焊接質(zhì)量完全由攪拌頭的形狀和焊接參數(shù)決定，所以可以實(shí)現(xiàn)精密的過(guò)程監(jiān)控。由于焊接過(guò)程的機(jī)械性，所以可以實(shí)現(xiàn)焊接參數(shù)的數(shù)字化輸入控制和記錄。（4）攪拌摩擦焊是一種安全的焊接方法。攪拌摩擦焊過(guò)程沒(méi)有飛濺煙塵以及弧光輻射等對(duì)人體的危害焊接過(guò)程，并且不需要電流電壓的參與，沒(méi)有高的觸電危險(xiǎn)等。攪拌摩擦焊目前主要有以下局限性：（1）焊接速度比某些熔化焊方法的低，如薄板焊接時(shí)，雖然質(zhì)量比激光焊接的好，但是焊接速度比激光焊接低。（2）工件必須被剛性固定夾緊，不同的焊縫需要不同的工裝夾具，焊接設(shè)備的靈活性差。（3）需要背面墊板，由于有較大的軸向力，背面必須有剛性墊板。在封閉的結(jié)構(gòu)中，背面墊板的取出是一個(gè)問(wèn)題。（4）焊接結(jié)束后存在“匙孔”。目前正在開(kāi)發(fā)攪拌摩擦焊“回抽技術(shù)”加以解決。

四攪拌摩擦焊的應(yīng)用

（1）攪拌摩擦焊在飛機(jī)制造業(yè)中的應(yīng)用

NASA、波音公司及英國(guó)宇航空中客車公司BAA目前都致力于攪拌摩擦焊研究和應(yīng)用。其中NASA很早就開(kāi)展了攪拌摩擦焊相關(guān)技術(shù)研究，目前成功的將攪拌摩擦焊應(yīng)用于航天器助推器制造。航空航天工業(yè)電子工業(yè)軌道交通業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大建筑材料工業(yè)石油工業(yè)汽車工業(yè)需求與日劇增圖2攪拌摩擦焊連接的航天飛機(jī)助推器筒體及其外觀（2）攪拌摩擦焊在造船行業(yè)中的應(yīng)用

挪威、日本以及澳大利亞已經(jīng)有多個(gè)船舶制造公司利用攪拌摩擦焊技術(shù)來(lái)建造大型船舶鋁合金結(jié)構(gòu)件。迄今為止挪威大約有25％的船用鋁合金結(jié)構(gòu)采用攪拌摩擦焊制造。圖3挪威HydroMarine采用攪拌摩擦焊焊制造船用型材和預(yù)制板（3）攪拌摩擦焊在汽車工業(yè)中的應(yīng)用

目前，攪拌摩擦焊已經(jīng)用于汽車車體頂棚加強(qiáng)板、車體地板加強(qiáng)結(jié)構(gòu)件、鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)框架、發(fā)動(dòng)機(jī)殼體內(nèi)襯、車門加強(qiáng)結(jié)構(gòu)件等。挪威首先利用攪拌摩擦焊實(shí)現(xiàn)了鋁合金汽車輪轂的攪拌摩擦焊制造，如圖1.4所示。圖4中國(guó)攪拌摩擦焊中心制作的鋁合金輪轂圖5采用FSW焊接的軌道列車地板圖6采用FSW點(diǎn)焊連接的RX-8后門（4）攪拌摩擦焊在軍事工業(yè)上的應(yīng)用攪拌摩擦焊成功實(shí)現(xiàn)了坦克、裝甲車的主體結(jié)構(gòu)和防護(hù)裝甲板的制造。如美國(guó)海軍將FSW技術(shù)用于裝甲車用2519板的焊接。圖7攪拌摩擦焊接工藝在坦克裝甲車上的應(yīng)用（5）攪拌摩擦焊在其他領(lǐng)域的應(yīng)用在其他領(lǐng)域，F(xiàn)SW也有較多的應(yīng)用,如民用建筑工業(yè)中的鋁合金橋梁、裝飾板、門窗框架、管線、鋁合金反應(yīng)器、熱交換器等；電子工業(yè)中的發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、電器連接件、電器封裝等。此外，F(xiàn)SW還應(yīng)用在冰箱冷卻板、廚房電器、“白色”家用物品和工具、天然氣和液化氣儲(chǔ)箱、家用裝飾等。國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前我國(guó)針對(duì)逆變焊割設(shè)備的研究，特別是應(yīng)用上的研究主要還是在硬開(kāi)關(guān)逆變焊機(jī)的研究；而全橋軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的逆變焊機(jī)的研究，在國(guó)內(nèi)除一些高校進(jìn)行研究之外，很少有企業(yè)進(jìn)行研究的。至于采用嵌入式系統(tǒng)數(shù)字化處理與逆變軟開(kāi)關(guān)技術(shù)相結(jié)合的方式設(shè)計(jì)逆變