鋁合金的攪拌摩擦焊

1、 畢業(yè)設(shè)計說明書題目： 鋁合金的攪拌摩擦焊 姓 名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)老師: 摘要鋁及鋁合金是工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一類有色金屬結(jié)構(gòu)材料，鋁合金具有良好的耐蝕性、較高的比強(qiáng)度和導(dǎo)熱性以及在低溫下能保持良好力學(xué)性能等特點(diǎn)，在航空航天、汽車、電工、化工、交通運(yùn)輸、國防等工業(yè)部門被廣泛地應(yīng)用。隨著近年來科學(xué)技術(shù)以及工業(yè)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，對鋁合金焊接結(jié)構(gòu)件的需求日益增多，使鋁合金的焊接性研究也隨之深入。鋁合金的廣泛應(yīng)用促進(jìn)了鋁合金焊接技術(shù)的發(fā)展，同時焊接技術(shù)的發(fā)展又拓展了鋁合金的應(yīng)用領(lǐng)域，因此鋁合金的焊接技術(shù)正成為研究的熱點(diǎn)之一。英國焊接研究所(The Welding Institute)發(fā)明的攪拌摩擦焊為輕

2、金屬材料的連接提供了新的方法和途徑。自從攪拌摩擦焊摩擦焊發(fā)明以來攪拌摩擦焊技術(shù)得到廣泛的關(guān)注和深入的研究。特別是針對鋁合金材料，世界范圍的研究機(jī)構(gòu)學(xué)校以及大公司都對此進(jìn)行了深入細(xì)致的研究和工程應(yīng)用開發(fā)并且在諸多工業(yè)制領(lǐng)域得到了成功應(yīng)用。本文詳細(xì)介紹了攪拌摩擦焊原理特點(diǎn)并且針對鋁合金的攪拌摩擦焊特點(diǎn)性能以及工業(yè)應(yīng)用作了詳細(xì)的闡述同時對攪拌摩擦焊在中國市場的發(fā)展和應(yīng)用作了簡略介紹和預(yù)測。關(guān)鍵詞：鋁及鋁合金 攪拌摩擦焊 焊接方法 焊接特點(diǎn)AbstractAluminum and aluminum alloy is a kind of nonferrous metal structure materi

3、al widely used in industry, aluminum alloy has high corrosion resistance, good strength and thermal conductivity as well as in the low temperature can keep good mechanical properties and other characteristics, in the aerospace, automotive, electrical, chemical, transportation, national defense and o

4、ther industrial sectors are widely used. In recent years with the rapid development of science and technology and industrial economy, structure of the growing demand for aluminum alloy welding, so the aluminum alloy welding research also further. Aluminum alloy is widely used to promote the developm

5、ent of welding technology of aluminum alloy, the welding technology development and expanding the application field of aluminum alloy, so the aluminum alloy welding technology is becoming one of the hot research topics.British Welding Research Institute (The Welding Institute) the invention of the f

6、riction stir welding for light metal materials is connected and provided a new approach to. Since the invention of the friction stir welding friction welding, friction stir widely attention and deeply research get welding technology. Especially for aluminum alloy material, worldwide research schools

7、 and large companies have conducted in-depth study and engineering application and has been successfully applied in many industrial fields.This paper introduces the principle and the characteristics of friction welding and stirring in aluminum alloy friction stir welding properties and industrial ap

8、plications are described in detail the development and application of friction stir welding in the Chinese market are briefly introduced and predicted.Keywords: Aluminium and aluminium alloy Friction stir welding Welding process Welding characteristics目錄摘要 1英文摘要 2第一章 鋁的特點(diǎn) 41.鋁的焊接特點(diǎn)42.鋁及鋁合金的焊接方法5第二章

9、攪拌摩擦焊接71. 攪拌摩擦焊接原理82. 攪拌摩擦焊接方法83. 攪拌頭與攪拌摩擦焊設(shè)備94. 攪拌摩擦焊特點(diǎn)11第三章 鋁合金的攪拌摩擦焊14 1.鋁合金的攪拌摩擦焊接工藝14 2.鋁合金常用焊接規(guī)范19 3.鋁合金攪拌摩擦焊接接頭性能20 4.攪拌摩擦焊缺陷及預(yù)防方法22第四章 攪拌摩擦焊的應(yīng)用及前景25 1.鋁合金攪拌摩擦焊的應(yīng)用現(xiàn)狀25 2.鋁合金攪拌摩擦焊的發(fā)展趨勢27第五章 總結(jié)28參考文獻(xiàn)29第一章 鋁的特點(diǎn)1、鋁的焊接特點(diǎn)    (1)鋁在空氣中及焊接時極易氧化，生成的氧化鋁（Al2O3）熔點(diǎn)高、非常穩(wěn)定，不易去除。阻礙母材的熔化和熔合，氧化膜的比重大，不

10、易浮出表面， 易生成夾渣、未熔合、未焊透等缺欠。鋁材的表面氧化膜和吸附大量的水分，易使焊縫產(chǎn)生氣孔。焊接前應(yīng)采用化學(xué)或機(jī)械方法進(jìn)行嚴(yán)格表面清理，清除其表面氧化 膜。在焊接過程加強(qiáng)保護(hù)，防止其氧化。鎢極氬弧焊時，選用交流電源，通過“陰極清理”作用，去除氧化膜。氣焊時，采用去除氧化膜的焊劑。在厚板焊接時，可 加大焊接熱量，例如，氦弧熱量大，利用氦氣或氬氦混合氣體保護(hù)，或者采用大規(guī)范的熔化極氣體保護(hù)焊，在直流正接情況下，可不需要“陰極清理”。   （2）鋁的熱導(dǎo)率和比熱容均約為碳素鋼和低合金鋼的兩倍多。鋁的熱導(dǎo)率則是奧氏體不銹鋼的十幾倍。在焊接過程中，大量的熱量能被迅速傳導(dǎo)到基體

11、金屬內(nèi) 部，因而焊接鋁時，能量除消耗于熔化金屬熔池外，還要有更多的熱量無謂消耗于金屬其他部位，這種無用能量的消耗要比鋼的焊接更為顯著，為了獲得高質(zhì)量的焊 接接頭，應(yīng)當(dāng)盡量采用能量集中、功率大的能源，有時也可采用預(yù)熱等工藝措施。   （3）鋁的線膨脹系數(shù)約為碳素鋼和低合金鋼的兩倍。鋁凝固時的體積收縮率較大，焊件的變形和應(yīng)力較大，因此，需采取預(yù)防焊接變形的措施。鋁焊接熔池凝 固時容易產(chǎn)生縮孔、縮松、熱裂紋及較高的內(nèi)應(yīng)力。生產(chǎn)中可采用調(diào)整焊絲成分與焊接工藝的措施防止熱裂紋的產(chǎn)生。在耐蝕性允許的情況下，可采用鋁硅合金焊絲 焊接除鋁鎂合金之外的鋁合金。在鋁硅合金中含硅0.5時熱裂傾向

12、較大，隨著硅含量增加，合金結(jié)晶溫度范圍變小，流動性顯著提高，收縮率下降，熱裂傾向也相應(yīng)減小。根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)含硅56時可不產(chǎn)生熱裂，因而采用SAlSi條(硅含量456)焊絲會有更好的抗裂性。   （4）鋁對光、熱的反射能力較強(qiáng)，固、液轉(zhuǎn)態(tài)時，沒有明顯的色澤變化，焊接操作時判斷難。高溫鋁強(qiáng)度很低，支撐熔池困難，容易焊穿。   （5）鋁在液態(tài)能溶解大量的氫，固態(tài)幾乎不溶解氫。在焊接熔池凝固和快速冷卻的過程中，氫來不及溢出，極易形成氫氣孔?；≈鶜夥罩械乃?、焊接材料及母材表面氧化膜吸附的水分，都是焊縫中氫氣的重要來源。因此，對氫的來源要嚴(yán)格控制，以防止氣孔的形

13、成。   （6）母材基體金屬如為變形強(qiáng)化或固溶時效強(qiáng)化時，焊接熱會使熱影響區(qū)的強(qiáng)度下降。      （7） 鋁為面心立方晶格，沒有同素異構(gòu)體，加熱與冷卻過程中沒有相變，焊縫晶粒易粗大，不能通過相變來細(xì)化晶粒。  2、 鋁及鋁合金的焊接方法    鋁合金的焊接方法很多，各種方法有其不同的應(yīng)用場合。除了傳統(tǒng)的熔焊、 電阻焊、氣焊方法外，其他一些焊接方法（如等離子弧焊、電子束焊、真空擴(kuò)散焊等）也可以容易地將鋁合金焊接在一起。 根據(jù)鋁及鋁 合金的牌號、焊件厚度、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)以及對焊接性的要求等選擇。（1）氣

14、焊 氧乙炔氣焊火焰的熱功率低，熱量較分散，因此焊件變形大、 生產(chǎn)率低。用氣焊焊接較厚的鋁焊件時需預(yù)熱，焊后的焊縫金屬不但 晶粒粗大、 組織疏松， 而且容易產(chǎn)生氧化鋁夾雜、 氣孔及裂縫等缺陷。這種方法只用于厚度范圍在 0.510 的不重要鋁結(jié)構(gòu)件和鑄件的焊補(bǔ)上。 （2）鎢極氬弧焊 這種方法是在氬氣保護(hù)下施焊，熱量比較集中，電弧燃燒穩(wěn)定， 焊縫金屬致密，焊接接頭的強(qiáng)度和塑性高，在工業(yè)中獲得起來越廣泛 的應(yīng)用。鎢極氬弧焊用于鋁合金是一種較完善的焊接方法，但鎢極氬 弧焊設(shè)備較復(fù)雜，不宜在室外露天條件下操作。 （3）熔化極氬弧焊 自動、半自動熔化極氬弧焊的電弧功率大，熱量集中，熱量影響 區(qū)小，生產(chǎn)效率比

15、手工鎢極氬弧焊可提高 23 倍。可以焊接厚度在 50 以下的純鋁及鋁合金板。 例如， 焊接厚度 30 的鋁板不必預(yù)熱， 只焊接正、反兩層就可獲得表面光滑、質(zhì)量優(yōu)良的焊縫。半自動熔化 極氬弧焊適用于定位焊縫、斷續(xù)的短焊縫及結(jié)構(gòu)形狀不規(guī)則的焊件，用半自動氬弧焊焊炬可方便靈活地進(jìn)行焊接， 但半自動焊的焊絲直徑較細(xì)，焊縫的氣孔敏感性較大。 （4）脈沖氬弧焊 鎢極脈沖氬弧焊 用這種方法可明顯改善小電流焊接過程的穩(wěn)定性， 便于通過調(diào)節(jié) 各種工藝參數(shù)來控制電弧功率和焊縫成形。 焊件變形小、 熱影響區(qū)小，特別適用于薄板、全位置焊接等場合以及對熱敏感性強(qiáng)的鍛鋁、 硬鋁、 超硬鋁等的焊接。（5）電阻點(diǎn)焊 可用來焊

16、接厚度在 4 以下的鋁合金薄板。 對于質(zhì)量要求較高的產(chǎn)品可采用直流沖擊波點(diǎn)焊、縫焊機(jī)焊接。焊接時需要用較復(fù)雜的設(shè)備，焊接電流大、生產(chǎn)率較高，特別適用于大批量生產(chǎn)的零、部件。 （6）攪拌摩擦焊 攪拌摩擦焊是一種可用于各種合金板焊接的固態(tài)連接技術(shù)。 與傳統(tǒng)熔焊方法相比，攪拌摩擦焊無飛濺、無煙塵，不需要添加焊絲和保護(hù)氣體，接頭無氣孔、裂紋。與普通摩擦相比，它不受軸類零件的限制，可焊接直焊縫。這種焊接方法還有一系列其它優(yōu)點(diǎn)，如接頭的力 學(xué)性能好、節(jié)能、無污染、焊前準(zhǔn)備要求低等。由于鋁及鋁合金熔點(diǎn)低，更適于采用攪拌摩擦焊1。第二章 攪拌摩擦焊1.攪拌摩擦焊原理攪拌摩擦焊（簡稱FSW）是利用一種非耗損的特

17、殊形狀的攪拌頭旋轉(zhuǎn)著插入被焊零件，然后沿著被焊零件的待焊界面向前移動，通過攪拌頭對材料的攪拌摩擦，使待焊材料加熱至熱塑性狀態(tài)，在攪拌頭高速旋轉(zhuǎn)的帶動下，處于塑性狀態(tài)的材料環(huán)繞攪拌頭由前向后轉(zhuǎn)移，同時結(jié)合攪拌頭對焊縫金屬的擠壓作用在熱機(jī)聯(lián)合作用下材料擴(kuò)散連接形成致密的金屬間固相連接。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(fù)合材料、陶瓷及塑料。摩擦焊方法在制造業(yè)中已應(yīng)用40多年了，由于其生產(chǎn)率高、質(zhì)量好獲得了廣泛的工程應(yīng)用，但焊接的對象主要是回轉(zhuǎn)形零件，雖然也有其它形式的摩擦焊技術(shù)出現(xiàn)，以克服被焊工件幾何形狀的限制或提高生產(chǎn)率，如相位摩擦焊、徑向摩擦焊、線性摩擦焊等，但實(shí)際應(yīng)用很

18、少。2. 攪拌摩擦焊方法 與常規(guī)摩擦焊一樣，攪拌摩擦焊也是利用摩擦熱作為焊接熱源。不同之處在于，攪拌摩擦焊焊接過程是由一個圓柱體形狀的焊頭伸入工件的接縫處，通過焊頭的高速旋轉(zhuǎn)，使其與焊接工件材料摩擦，從而使連接部位的材料溫度升高軟化，同時對材料進(jìn)行攪拌摩擦來完成焊接的。焊接過程如圖2-1所示。在焊接過程中，工件要剛性固定在背墊上，焊頭邊高速旋轉(zhuǎn)，邊沿工件的接縫與工件相對移動。焊頭的突出段伸進(jìn)材料內(nèi)部進(jìn)行摩擦和攪拌，焊頭的肩部與工件表面摩擦生熱，并用于防止塑性狀態(tài)材料的溢出，同時可以起到清除表面氧化膜的作用。 圖2-1 攪拌摩擦焊接過程示意圖在焊接過程中，焊頭在旋轉(zhuǎn)的同時伸入工件的接縫中，旋轉(zhuǎn)焊

19、頭與工件之間的摩擦熱，使焊頭前面的材料發(fā)生強(qiáng)烈塑性變形，然后隨著焊頭的移動，高度塑性變形的材料流向焊頭的背后，從而形成攪拌摩擦焊焊縫。攪拌摩擦焊對設(shè)備的要求并不高，最基本的要求是焊頭的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和工件的相對運(yùn)動，即使一臺銑床也可簡單地達(dá)到小型平板對接焊的要求。但焊接設(shè)備及夾具的剛性是極端重要的。3.攪拌頭與攪拌摩擦焊接設(shè)備3.1 攪拌頭的構(gòu)成攪拌頭是攪拌摩擦焊接設(shè)備最重要的組成部分之一，是攪拌摩擦焊接技術(shù)的核心。它與被焊工件相互作用，事先焊接材料的連接。攪拌頭主要由攪拌針，軸肩和夾持區(qū)等部分組成，攪拌針位于攪拌頭的頂部，形狀各異，軸肩位于攪拌針和攪拌頭柱狀部分過度區(qū)，與被焊工件作用，實(shí)現(xiàn)焊接材料

20、的連接。如圖攪拌針攪拌頭軸肩攪拌頭夾持區(qū) 圖2-2 典型的攪拌頭構(gòu)成3.2 攪拌頭材料的選擇理想的攪拌頭制造材料應(yīng)當(dāng)具有較長的使用壽命。攪拌頭的材料選擇標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該考慮一下幾個方面：強(qiáng)度，耐磨性，斷裂韌性，蠕變和蠕變疲勞，熱疲勞特性，穩(wěn)定均勻的微觀組織結(jié)構(gòu)，可加工性能，抗氧化性，與工件不適反應(yīng)，熱傳導(dǎo)性，熱膨脹性。攪拌頭的材料的選擇要綜合考慮，其實(shí)質(zhì)就是要一合理的成本制作加工出各種合適焊接要求，具有復(fù)雜形狀的攪拌頭，并保證攪拌頭不易被氧化，具有良好的熱穩(wěn)定性等高溫性能，還要滿足一定的使用壽命要求。3.3 攪拌摩擦焊接設(shè)備常見的攪拌摩擦焊接設(shè)備結(jié)構(gòu)主要有立式，臥式，龍門式和懸臂式圖2-3 攪拌摩擦焊

21、焊接設(shè)備4. 攪拌摩擦焊的特點(diǎn)1） 能保持母材的冶金性能，焊接接頭力學(xué)性能好鋁合金具有密度低、強(qiáng)度比高 、剛度比高等優(yōu)點(diǎn) ，但是鋁合金熔點(diǎn)較低、導(dǎo)熱系數(shù)大、比熱容大、線膨脹系數(shù)大，在采用熔化焊進(jìn)行焊接時，易產(chǎn)生裂紋、氣孔、變形等焊接缺陷。同時，由于焊接溫度較高，其性能會降低，因而限制了鋁合金的廣泛應(yīng)用。由于攪拌摩擦焊是一種固相焊接方法，在焊接鋁合金時不會產(chǎn)生與熔化焊有關(guān)的焊接缺陷，也不會降低焊接接頭的性能，而且，焊縫金屬的晶粒結(jié)構(gòu)比母材金屬的更細(xì)小，焊縫金屬的強(qiáng)度超過熱影響區(qū)金屬的強(qiáng)度，沒有焊縫金屬蒸發(fā)產(chǎn)生的合金元屬損失，不改變合金的成分，因此接頭的力學(xué)性能好。2） 焊后變形小、殘余應(yīng)力小 由

22、于攪拌摩擦焊的焊接溫度較低，焊接后結(jié)構(gòu)的變形量和殘余應(yīng)力比熔化焊小得多。同時，由于不存在熔焊過程中接頭部位大范圍的熱塑性變形過程，焊后接頭的內(nèi)應(yīng)力小、變形小，基本可實(shí)現(xiàn)板件的低應(yīng)力低變形焊接。3） 焊接成本低、效率高 攪拌摩擦焊操作方便，能量利用效率高。并且在焊前和焊接過程中對環(huán)境的污染小，焊前工件無須進(jìn)行嚴(yán)格的表面清理準(zhǔn)備，焊接過程中的摩擦和攪拌可以去除焊件表面的氧化膜，焊接過程中也無煙塵和飛濺。還可以在有磁場的條件下進(jìn)行焊接，并適合自動化焊接。4） 適用范圍廣 由于攪拌摩擦焊沒有熔化焊所形成的裂紋，如液化裂紋或結(jié)晶裂紋，因此，可以焊接熱裂紋敏感的材料；通過對擠壓型材進(jìn)行焊接，可制成大型結(jié)構(gòu)

23、，如船板、框架、平臺等；攪拌摩擦焊能實(shí)現(xiàn)不同材料的焊接，如鋁和銀的連接。攪拌摩擦焊可實(shí)現(xiàn)各種位置的焊接，并可實(shí)現(xiàn)多種形式的焊接接頭，如對接、角接、搭接接頭，甚至厚度變化的結(jié)構(gòu)和多層材料的連接。 攪拌摩擦焊由于其焊接原理的限制，存在一些缺陷，主要是： 被焊接工件必須在墊板上牢固夾緊，以防止被焊穿及在焊接過程中工件松動； 攪拌針退出會在焊縫末段留下一個小孔，在大多數(shù)情況下，只能用其它焊接方法填充；焊接工件沒有足夠的強(qiáng)度和剛度 ，或通過夾具不能提高焊縫區(qū)的剛度或強(qiáng)度的承載能力，則不適合采用攪拌摩擦焊1。第三章 鋁合金的攪拌摩擦焊1. 鋁合金攪拌摩擦焊接工藝焊接工藝參數(shù)是影響接頭性能的最重要因素之一。

24、攪拌摩擦焊過程中，在攪拌頭確定的情況下，影響接頭性能的工藝參數(shù)只要有攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度，攪拌頭行進(jìn)速度，焊接壓力，焊接線能量，焊接扭矩和焊接能量等參數(shù)1.1 攪拌頭的材料尺寸與形狀攪拌摩擦焊中所使用的攪拌頭主要由兩部分組成：軸肩和攪拌針。攪拌頭是攪拌摩擦焊接過程中的關(guān)鍵，最優(yōu)攪拌頭是攪拌摩擦焊獲得高質(zhì)量接頭的前提。攪拌頭主要由軸肩和攪拌針兩部分構(gòu)成，其幾何形貌和尺寸不僅決定著焊接過程的熱輸入方式，還影響焊接過程中攪拌頭附近塑性軟化材料的流動形式，對于給定板厚的材料來說，焊接質(zhì)量和效率主要取決于攪拌頭的形貌和幾何設(shè)計。因而設(shè)計合理的攪拌頭是提高焊接質(zhì)量、獲得高性能接頭的前提和關(guān)鍵。目前過內(nèi)外所研究出

25、的攪拌頭形式主要有：柱形攪拌針、錐形螺紋攪拌針和三槽錐形螺紋攪拌針、偏心圓攪拌針和偏心圓螺紋攪拌、非對稱攪拌針、外開螺紋攪拌針、用于搭接的兩級攪拌針、可伸縮式攪拌針等4。從國外某些文獻(xiàn)上采用的攪拌針的形狀是標(biāo)準(zhǔn)英制螺紋，但很多文獻(xiàn)上提到的是特殊結(jié)構(gòu)的攪拌針，但出于保密的原因，迄今為止未見詳細(xì)報道。攪拌針的材料通常采用合金工具鋼。攪拌頭軸肩的直徑通常是攪拌針直徑的3倍左右，軸肩直徑過小，摩擦熱不足以塑化材料，軸肩直徑過大，可能使軸肩下面的被焊材料達(dá)到或超過熔點(diǎn)，不利于焊接強(qiáng)度的提高，并且會引起焊縫表面的不平整5。試驗(yàn)結(jié)果表明，攪拌針的直徑為焊件厚度的0.91.1倍時，焊縫質(zhì)量較好。攪拌針的直徑過

26、大時，焊接區(qū)斷面面積增大，熱影響區(qū)變寬，同時攪拌針向前移動時阻力增大；攪拌針的尺寸過小時，焊接區(qū)熱塑性金屬的流動性差；攪拌針向前移動時所產(chǎn)生的側(cè)向擠壓力減小，不利于形成致密的焊縫組織。攪拌針的長度與焊縫的背面成形有關(guān)。攪拌針過短，背面焊不透；攪拌針過長，則背面易過熱，導(dǎo)致成形較差。攪拌針長度的選取與其直徑有關(guān)。當(dāng)攪拌針的直徑較大時，其長度可以略短。如圖各種攪拌頭：圖3-1 各種攪拌頭1.2 攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度攪拌頭轉(zhuǎn)速是影響摩擦攪拌焊熱源的主要因素之一，由此可知，當(dāng)攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度較低時，摩擦熱不夠，不足以形成熱塑性流動層，其結(jié)果是不能實(shí)現(xiàn)固相連接，在焊縫中形成了孔洞。隨著轉(zhuǎn)速的提高，摩擦熱源增大

27、，熱塑性流動層由上而下逐漸增大，使得焊縫中的孔洞逐漸減小，當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到一定值時，孔洞消失，形成致密的焊縫。但轉(zhuǎn)速過高時，會使攪拌針周圍以及軸肩下面的材料溫度達(dá)到或超過熔點(diǎn)，無法形成固相連接。1.3焊接速度在攪拌摩擦焊過程中，焊接速度是影響焊縫成型的重要因素。當(dāng)焊接速度過小時，攪拌頭所產(chǎn)生的熱量使焊接溫度過高，焊核區(qū)金屬溫度將接近金屬熔點(diǎn)，會使金屬因過熱而出現(xiàn)疏松，同時焊縫表面將凹凸不平。當(dāng)焊接速度過大時，攪拌摩擦焊所產(chǎn)生的熱量不足以使攪拌頭周圍的金屬達(dá)到塑化狀態(tài)，不能形成好的焊縫，在內(nèi)部會出現(xiàn)孔洞。同時，攪拌摩擦焊焊接速度與焊縫受力也有關(guān)。攪拌頭與被焊金屬之間的作用力在攪拌頭轉(zhuǎn)速一定的情況下隨

28、著焊速的提高而增大。1.4 焊縫受力攪拌摩擦焊與普通電弧焊的焊縫受力有很多不同之處。普通電弧焊焊縫受力主要來自電弧力，磁場力以及熔池自身的重力，而攪拌摩擦焊其焊縫受力主要是垂直與焊接方向的軸向力，焊接進(jìn)給阻力及焊縫夾持部分與軸肩部分不同心度產(chǎn)生的偏心攪動力，如圖 3-2 所示。攪拌頭與工件有傾角，焊縫所受到的軸向力并不垂直與焊縫表面，由于攪拌頭傾角較小，本文忽略攪拌頭傾角的因素，把焊縫所受軸向力看作是垂直與焊縫表面的。可見攪拌摩擦焊焊件與焊機(jī)受力都比普通弧焊要高的多。圖3-2 攪拌摩擦焊焊縫受力分析攪拌頭與被焊工件表面之間的接觸狀態(tài)對焊縫的成形也有較大的影響，目前在攪拌摩擦焊中軸向力是攪拌針及

29、軸肩與工件接觸而形成的。當(dāng)軸向壓力不足時，表面熱塑性金屬“上浮”，溢出焊接表面，焊縫在冷卻后會由于金屬的“上浮”而形成孔洞。當(dāng)軸向壓力過大時，軸肩與焊件表面摩擦力增大，摩擦熱將使軸肩發(fā)生“粘頭”現(xiàn)象，使焊縫表面出現(xiàn)飛邊、毛刺等缺陷3。對于焊縫進(jìn)給力對焊接接頭的影響，國內(nèi)也有這方面的研究。試驗(yàn)中所使用的是自行研制的攪拌摩擦焊機(jī)。焊接過程中，攪拌頭在水平方向上保持靜止不動，由工作臺相對攪拌頭向焊接反方向運(yùn)動來完成焊接過程。通過在焊接過程中對驅(qū)動水平工作臺運(yùn)動的電機(jī)的工作電流和工作電壓進(jìn)行測量，來計算焊接時攪拌針與被焊金屬之間的作用力。根據(jù)可以分別計算出電機(jī)在空載下和焊接過程中負(fù)載下的輸入功率。這部

30、分能量要經(jīng)過電機(jī)、減速器以及絲杠，最終傳遞到工作臺。在能量的傳遞過程中，各級傳遞機(jī)構(gòu)都要損耗掉一部分能量。由于這些損耗無法精確測量，因此先測得空載時電機(jī)的輸入功率Pk，再測得電機(jī)負(fù)載時的功率Pf,那么電機(jī)對工作臺的輸出功率為：根據(jù)，可以求得力F：式中：為水平工作臺的運(yùn)動速度即焊接速度。通過計算可以得到如下結(jié)論：當(dāng)攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度相同時，電機(jī)的輸入功率隨著焊接速度的增大而增大，從而使力F隨之增大；而當(dāng)焊接速度不變時，電機(jī)的功率和F則隨著旋轉(zhuǎn)速度的增大而減小，這是當(dāng)攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度相同時，焊接速度越大，攪拌頭在被焊板材同一位置停留的時間就越短，攪拌頭與板材摩擦產(chǎn)生很少的熱量，金屬不能達(dá)到一個較好的軟化

31、狀態(tài)。在這種情況下，焊接過程中金屬對攪拌針的阻力較大，從而導(dǎo)致工作臺相對運(yùn)動所需要的力也比較大。反之，當(dāng)焊接速度相同時，旋轉(zhuǎn)速度越大，攪拌頭在同一位置產(chǎn)生的熱量就越多，金屬可以達(dá)到一個較好的軟化狀態(tài)，工作臺相對運(yùn)動所需的力也就比較小。在攪拌摩擦焊中，攪拌針與被焊板材之間的作用力通過產(chǎn)熱和塑性金屬流動兩個方面影響著整個焊接過程。攪拌針與被焊金屬之間的作用力在焊速一定的情況下隨著攪拌頭轉(zhuǎn)速的提高而減小，在攪拌頭轉(zhuǎn)速一定的情況下隨著焊速的增大而增大 6。同樣，對于攪拌摩擦焊焊縫所受的軸向力，國內(nèi)也有相關(guān)的研究。采用基于固體力學(xué)的有限元方法研究攪拌摩擦焊接過程中，不同過程參數(shù)情況下焊縫的受力情況。研究

32、發(fā)現(xiàn)，攪拌摩擦焊接過程中焊縫上應(yīng)力的最大值發(fā)生在焊縫前進(jìn)方向上焊縫與焊縫中心線接觸點(diǎn)的附近，且vonMises應(yīng)力的最大值隨焊縫平移速度的增加而增加。攪拌頭前方焊縫的接觸壓力較大，后方接觸壓力較小，后退側(cè)的接觸力較前進(jìn)側(cè)大。攪拌頭的不停旋轉(zhuǎn)決定攪拌頭受到交變載荷作用，導(dǎo)致疲勞成為攪拌頭破壞的原因之一。焊縫中心線附近的等效塑性應(yīng)變和結(jié)構(gòu)紋理呈現(xiàn)洋蔥狀結(jié)構(gòu)。隨著攪拌摩擦焊接技術(shù)的日益發(fā)展，越來越多的研究機(jī)構(gòu)與企業(yè)投身與研究攪拌摩擦焊焊機(jī)的設(shè)計與制造方面。由于設(shè)計焊機(jī)經(jīng)常會涉及到機(jī)器受力的問題，如果不知道焊接時焊機(jī)的具體受力情況，很難進(jìn)行選材與設(shè)計，焊機(jī)強(qiáng)度和剛度設(shè)計指標(biāo)低會影響機(jī)床使用壽命，甚至不

33、能用于生產(chǎn)，反之，浪費(fèi)材料，能源，經(jīng)濟(jì)效益差。因此，測量焊縫受力的情況也是設(shè)計攪拌摩擦焊機(jī)的一個很重要的環(huán)節(jié)。同樣，攪拌摩擦焊焊縫受力是影響焊縫成型的一個重要因素，對焊縫受力進(jìn)行精確測量，并研究其與焊縫成型的關(guān)系，是提高攪拌摩擦焊焊接質(zhì)量的一個重要手段。國內(nèi)外對攪拌摩擦焊焊縫受力的研究，目前大多數(shù)都是通過數(shù)值模擬的方法，很少在實(shí)際過程中采集數(shù)據(jù)，本課題是設(shè)計測力裝置直接采集攪拌摩擦焊接過程中的實(shí)際數(shù)據(jù)，比較切合實(shí)際生產(chǎn)狀況，對提高焊縫質(zhì)量有很大的實(shí)際意義。2. 鋁合金常用焊接規(guī)范 采用常見的工程用攪拌頭進(jìn)行鋁合金攪拌摩擦焊接，可參考表3-1所列的焊接參數(shù)。但需要注意的是，攪拌摩擦焊接參數(shù)與攪拌

34、頭的結(jié)構(gòu)形狀密切相關(guān)，不同的攪拌頭應(yīng)選用不同的焊接參數(shù)，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。母材厚度（/mm）攪拌頭材料攪拌針形狀攪拌針尺寸軸肩尺寸攪拌頭轉(zhuǎn)速(r/min)攪拌頭行進(jìn)速度(mm/min)攪拌頭傾角/(°)d/mmh/mmD/mm/(°)t/mm35高速鋼或耐熱合金鋼圓錐形/帶螺紋Ø3- Ø5為0.212205103850011002004002558耐熱合金剛圓錐形/帶螺紋Ø5- Ø8為0.21825510310500115010035025812耐熱合金剛圓錐形/帶螺紋Ø7- Ø10為0.21830510

35、312500115010035025表3-1 攪拌摩擦焊接I形對接接頭典型攪拌頭結(jié)構(gòu)尺寸及焊接工藝參數(shù)3.鋁合金攪拌摩擦焊接接頭的性能研究表明，焊態(tài)下，F(xiàn)SW焊縫焊核的強(qiáng)度要大于熱影響區(qū)的強(qiáng)度。對于退火狀態(tài)的鋁合金，拉伸試驗(yàn)的破壞通常發(fā)生在遠(yuǎn)離焊縫和熱影響區(qū)的母材上。對于形變強(qiáng)化和熱處理強(qiáng)化的鋁合金，攪拌摩擦焊后熱力影響區(qū)的硬度和強(qiáng)度最低，可以通過控制熱循環(huán)，尤其是通過降低焊縫熱力影響區(qū)的退火和過時效來改善焊縫的性能。為了獲得最佳性能，焊后熱處理是提高熱處理強(qiáng)化鋁合金焊縫性能的最好選擇，但在許多情況下，焊后無法進(jìn)行熱處理。下表為鋁合金典型攪拌摩擦焊接頭的力學(xué)性能，表3-2數(shù)據(jù)表明，對于固溶處理

36、加工時效的6082合金，其接頭的抗拉強(qiáng)度焊后處理可達(dá)到與母材等強(qiáng)，而伸長率有所降低。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，攪拌摩擦焊對接接頭的疲勞性能大都超過相應(yīng)熔焊接頭的設(shè)計推薦值。疲勞數(shù)據(jù)分析顯示，攪拌摩擦焊縫的疲勞性能與相應(yīng)熔焊接頭相當(dāng)，而大多數(shù)情況下，攪拌摩擦焊縫的疲勞性能數(shù)據(jù)要高于熔焊。材料s/MPab/MPas/bw/b5083-O母材14829823.55083-O母材接頭14129823.01.005083-H321母材24933616.55083-H321母材接頭15330522.50.916082-T6母材28630110.46082-T6焊接接頭1602544.850.836082-T6焊接接頭

37、+時效2743006.41.006082-T4母材14926022.96082-T4焊接接頭13824418.80.936082-T4焊接接頭+時效2853109.91.197108-T79母材295370147108-T79焊接接頭210320120.867108-T79焊接接頭+自然時效245350110.95表3-2 鋁合金攪拌摩擦焊對接接頭的力學(xué)性能要獲得優(yōu)秀的疲勞性能，對接焊縫的根部必須完全焊透。與其他焊接工藝一樣，避免根部缺陷對攪拌摩擦焊同樣重要。如果攪拌針的長度相對于焊件的厚度太短，那么在焊件厚度方向上僅是大部分鍛造在一起而沒有完全焊透，則未焊透部分對接面上氧化層無法攪拌去除，無

38、損檢驗(yàn)方法很難檢測到這類缺陷?？梢园押讣走厵C(jī)加工成倒角或在墊板上磨削一道溝槽以避免出現(xiàn)根部缺陷。為填充接頭間的間隙，接頭區(qū)稍微加大厚度是非常有益的。4.攪拌摩擦焊接缺陷及預(yù)防方法 根據(jù)攪拌摩擦焊接過程中缺陷位置和形貌的不同，主要可以分為表面缺陷和內(nèi)部缺陷兩大類。表面缺陷一般為肉眼可見的宏觀缺陷，包括飛邊，匙孔，表面下凹，毛刺，起皮，背部粘連等，內(nèi)部缺陷需要通過X射線檢查，金相檢查等才能觀察到。4.1 飛邊 飛邊是攪拌摩擦焊接后殘留在接頭正面沿焊縫一側(cè)或兩側(cè)翻卷的金屬。它的產(chǎn)生與攪拌頭的壓入量，焊縫錯邊有關(guān)。預(yù)防措施：一方面確保焊接板材的厚度基本一致，另一方面要確保攪拌針的長度與待焊工件的厚度

39、匹配，焊接過程中要正確控制攪拌頭的下壓量，不要過大。4.2 匙孔 匙孔是攪拌針抽出后未得到母材金屬的填充而在焊縫尾端形成的孔洞。它產(chǎn)生的主要原因是因?yàn)楹附咏Y(jié)束后攪拌頭拔出而材料無法得到補(bǔ)充所致。 處理方法：一是采用引出板，將匙孔牽引到其他部位。然后通過機(jī)械方法將其去除，二是應(yīng)用可伸縮式攪拌頭，在焊接過程中就逐漸將攪拌針收回到軸肩內(nèi)，這樣可以避免匙孔產(chǎn)生。4.3 表面下凹表面下凹是攪拌摩擦焊后，焊縫正面低于原始母材表面的現(xiàn)象。它產(chǎn)生的原因是攪拌頭壓入量過大導(dǎo)致表面下凹的產(chǎn)生，壓入量直接決定了表面下凹量的大小。防止措施：應(yīng)選用合適的攪拌頭，焊接時嚴(yán)格控制攪拌頭的壓入量，還要控制攪拌頭的傾斜角度。4

40、.4 毛刺毛刺是材料粘度較高或者焊接輸入量比較大，焊縫上表面會形成比較粗糙的紋路，魚鱗狀紋路不清晰，有毛刺感。毛刺不影響焊接接頭力學(xué)性能，但會影響接頭的成形美觀。它產(chǎn)生的原因有三個：一是材料本身的性能，二是材料表面狀態(tài)，三是焊接參數(shù)選擇不當(dāng)。防止措施：一是控制原材料的質(zhì)量；二是正確進(jìn)行材料的表面處理，應(yīng)采取酸洗，對接銑切及酒精擦拭零件表面等措施，確保待焊區(qū)潔凈度；三是選擇合適的焊接參數(shù)。4.5 起皮起皮是攪拌摩擦焊縫正面產(chǎn)生的鼓起的薄層金屬。它產(chǎn)生的原因與焊接過程中的熱輸入量及被焊材料的性能有關(guān)。防止措施：一是要選擇合格的材料，二是選擇合適的焊接參數(shù)，控制輸入量不要過大，其方法包括適當(dāng)降低旋轉(zhuǎn)

41、速度和壓入量。4.6 背部粘連背部粘連是攪拌針扎入墊板材料夾雜入焊縫的現(xiàn)象。它產(chǎn)生的原因是攪拌頭與被焊板厚度不匹配，使得攪拌針過長或攪拌頭扎入過深，攪到背部墊板，將墊板材料攪起，形成吧，背部粘連。防止措施：選擇合適的攪拌頭，與相對應(yīng)的板厚度匹配，然后再采用合適的焊接參數(shù)進(jìn)行攪拌摩擦焊。4.7 表面犁溝表面犁溝是內(nèi)部孔洞型缺陷延伸到攪拌摩擦焊縫正面形成的犁溝狀焊接缺陷。它產(chǎn)生的原因是由于焊接過程中熱輸入量嚴(yán)重不足及材料流動非常不充分所致，其結(jié)果表現(xiàn)為待焊零件發(fā)生類似于切割的現(xiàn)象。防止措施：選擇合理的攪拌頭，確保攪拌頭對材料的充分?jǐn)嚢枳饔?；選擇合適的焊接參數(shù)，保證焊接過程中的熱輸入充足，可以適當(dāng)增加攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度和焊接壓入量或減小焊接速度。第四章 鋁合金攪拌摩擦焊的應(yīng)用及前景1. 鋁合金攪拌摩擦焊的應(yīng)用現(xiàn)狀攪拌摩擦焊技術(shù)擁有諸多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，對于輕合金材料（如鋁、銅、鎂、鋅等）的連接在焊接方法、力學(xué)性能和生產(chǎn)效率上具有其他焊接方法不可比擬的優(yōu)越性。攪拌摩擦焊技術(shù)最初主要用于解決鋁合金、鎂合金及鋅合金等材料的焊接。關(guān)于攪拌摩擦焊工藝的特點(diǎn)和應(yīng)用等，英國焊接