攪拌摩擦焊實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、攪拌摩擦焊實(shí)驗(yàn)報(bào)告1. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1) 了解攪拌摩擦焊的基本原理；(2) 了解攪拌摩擦焊的設(shè)備及其工藝流程；(3) 初步了解焊接工藝參數(shù)對(duì)攪拌摩擦焊焊縫成形的影響。2. 實(shí)驗(yàn)概述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與塑性變形熱作為焊接熱源。不同之處在于攪拌摩擦焊焊接過程是由一個(gè)圓柱體或其他形狀（如帶螺紋圓柱體）的攪拌針(welding pin)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(shí)對(duì)材料進(jìn)行攪拌摩擦來完成焊接的。焊接過程如圖所示。在焊接過程中工件要?jiǎng)傂怨潭ㄔ诒硥|上，焊頭邊高速旋轉(zhuǎn)，邊沿工件的接縫與工件相對(duì)移動(dòng)。焊

2、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(shí)可以起到清除表面氧化膜的作用。在焊接過程中，攪拌針在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)伸入工件的接縫中，旋轉(zhuǎn)攪拌頭（主要是軸肩）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(dòng)，高度塑性變形的材料逐漸沉積在攪拌頭的背后，從而形成攪拌摩擦焊焊縫。攪拌摩擦焊對(duì)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(dòng)和工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即使一臺(tái)銑床也可簡(jiǎn)單地達(dá)到小型平板對(duì)接焊的要求。但焊接設(shè)備及夾具的剛性是極端重要的。攪拌頭一般采用工具鋼制成，焊頭的長(zhǎng)度一般比要求焊接的深度稍短。應(yīng)該指出，攪拌摩擦焊縫結(jié)束時(shí)在終

3、端留下個(gè)匙孔。通常這個(gè)匙孔可以切除掉，也可以用其它焊接方法封焊住。針對(duì)匙孔問題，已有伸縮式攪拌頭研發(fā)成功，焊后不會(huì)留下焊接匙孔。焊接過程中也不需要其它焊接消耗材料，如焊條、焊絲、焊劑及保護(hù)氣體等。唯一消耗的是焊接攪拌頭。同時(shí)，由于攪拌摩擦焊接時(shí)的溫度相對(duì)較低，因此焊接后結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力或變形也較熔化焊小得多。特別是Al合金薄板熔化焊接時(shí)，結(jié)構(gòu)的平面外變形是非常明顯的，無(wú)論是采用無(wú)變形焊接技術(shù)還是焊后冷、熱校形技術(shù)，都是很麻煩的，而且增加了結(jié)構(gòu)的制造成本。攪拌摩擦焊主要是用在熔化溫度較低的有色金屬，如Al、cu等合金。這和攪拌頭的材料選擇及攪拌頭的工作壽命有關(guān)。當(dāng)然，這也和有色金屬熔化焊接相對(duì)困難

4、有關(guān)，迫使人們?cè)谟猩饘俸附訒r(shí)尋找非熔化的焊接方法。對(duì)于延性好、容易發(fā)生塑性變形的黑色材料，經(jīng)輔助加熱或利用其超塑性，也有可能實(shí)現(xiàn)攪拌摩擦焊，但這就要看熔化焊和攪拌摩擦焊哪個(gè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)更合理來決定。攪拌摩擦焊在有色金屬的連接中已獲得成功的應(yīng)用，但由于焊接方法特點(diǎn)的限制，僅限于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的構(gòu)件，如平直的結(jié)構(gòu)或圓筒形結(jié)構(gòu)的焊接，而且在焊接過程中工件要有良好的支撐或村墊。原則上，攪拌摩擦焊可進(jìn)行多種位置焊接，如平焊，立焊，仰焊和俯焊；可完成多種形式的焊接接頭，如對(duì)接、角接和搭接接頭，甚至厚度變化的結(jié)構(gòu)和多層材料的連接，也可進(jìn)行異種金屬材料的焊接。另外，攪拌摩擦焊作為一種固相焊接方法，焊接前及焊接過程

5、中對(duì)環(huán)境的污染小。焊前工件無(wú)需嚴(yán)格的表面清理準(zhǔn)備要求，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(wú)煙塵和飛濺同時(shí)噪聲低。由于攪拌摩擦焊僅僅是靠焊頭旋轉(zhuǎn)并移動(dòng)，逐步實(shí)現(xiàn)整條焊縫的焊接，所以比熔化焊甚至常規(guī)摩擦焊更節(jié)省能源。由于攪拌摩擦焊過程中熱輸入相對(duì)于熔焊過程較小，接頭部位不存在金屬的熔化，是一種固態(tài)焊接過程，在合金中保持母材的冶金性能，可以焊接金屬基復(fù)合材料、快速凝固材料等采用熔焊會(huì)有不良反應(yīng)的材料。其主要優(yōu)點(diǎn)如下：(1)焊接接頭熱影響區(qū)顯微組織變化小殘余應(yīng)力比較低，焊接工件不易變形；(2)能一次完成較長(zhǎng)焊縫、大截面、不同位置的焊接接頭高：(3)操作過程方便實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)

6、化，設(shè)備簡(jiǎn)單，能耗低，功效高，對(duì)作業(yè)環(huán)境要求低：(4)無(wú)需添加焊絲，焊鋁合金時(shí)不需焊前除氧化膜，不需要保護(hù)氣體，成本低；(5)可焊熱裂紋敏感的材料，適合異種材料焊接：(6)焊接過程安全、無(wú)污染、無(wú)煙塵、無(wú)輻射等。攪拌摩擦焊也存在一定的缺點(diǎn)：焊接工件必須剛性固定，反面應(yīng)有底板；焊接結(jié)束攪拌探頭提出工件時(shí)，焊縫端頭形成一個(gè)鍵孔，并且難以對(duì)焊縫進(jìn)行修補(bǔ)：工具設(shè)計(jì)、過程參數(shù)和機(jī)械性能數(shù)據(jù)只在有限的合金范圍內(nèi)可得：在某種情況下，如特殊領(lǐng)域中要考慮腐蝕性能、殘余應(yīng)力和變形時(shí)，性能需進(jìn)一步提高才可實(shí)際應(yīng)用；對(duì)板材進(jìn)行單道連接時(shí)，焊速不是很高：攪拌頭的磨損消耗太快等。3. 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容(1) 了解攪拌摩擦焊的基本

7、原理與工藝過程；(2) 改變工藝參數(shù)（攪拌頭轉(zhuǎn)速、焊接速度等）進(jìn)行攪拌摩擦焊實(shí)驗(yàn)，材料為鋁合金板材；(3) 對(duì)實(shí)驗(yàn)后焊縫外表形貌與焊接的工藝參數(shù)（攪拌頭轉(zhuǎn)速、焊接速度等）的關(guān)系進(jìn)行分析。4. 實(shí)驗(yàn)步驟與注意事項(xiàng)(1) 理解實(shí)驗(yàn)原理：焊接開始, 當(dāng)攪拌頭的特形指棒全部擠入板件時(shí), 由于摩擦熱, 特形指棒周圍的金屬迅速被加熱,并形成了很薄的熱塑性金屬層, 為了分析方便, 取焊接時(shí)特形指棒的任一橫截來進(jìn)行分析。當(dāng)攪拌頭沿著焊件的接縫向前運(yùn)動(dòng)時(shí), 在攪拌頭的后邊就形成了空腔, 由于背面墊板和正面軸肩的密封作用, 在攪拌頭轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦力的作用下, 攪拌頭前邊不斷形成的熱塑性金屬擠壓流動(dòng), 轉(zhuǎn)移到了攪拌頭的后

8、邊, 填滿了后邊的空腔, 空腔的產(chǎn)生與填滿幾乎同時(shí)發(fā)生。實(shí)際上, 攪拌摩擦焊是一個(gè)空腔不斷產(chǎn)生、并將空腔填滿的一個(gè)連續(xù)過程, 由于攪拌頭的高速旋轉(zhuǎn),空腔的產(chǎn)生與空腔填滿在瞬間完成。這樣焊縫區(qū)的金屬被擠壓、摩擦加熱, 發(fā)生了塑性變形、金屬擠壓流動(dòng)轉(zhuǎn)移、擴(kuò)散和再結(jié)晶,就形成了攪拌摩擦焊的焊縫1。(2) 領(lǐng)取待焊板材，用砂紙去除待焊部位的氧化膜，并用無(wú)水乙醇清洗；(3) 裝卡板材，用壓板、螺栓將兩塊待焊板材固定在卡具底座上，保證焊接過程中它們不會(huì)發(fā)生移動(dòng)；(4) 通過對(duì)刀，使攪拌針與待焊板材的表面恰好接觸；(5) 在機(jī)床的數(shù)控操作系統(tǒng)中設(shè)置焊接參數(shù)（攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度和下壓量），參數(shù)設(shè)置好之后

9、可以進(jìn)行焊接；(6) 觀察焊縫的外觀，分析焊接參數(shù)對(duì)于焊縫成形的影響。5. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果5.1 攪拌摩擦加工試驗(yàn)參數(shù)：轉(zhuǎn)速W=600RPM，焊速=100mm/min，下壓量=0.2mm。Zn粉（400目）填充在兩塊搭接2024鋁合金之間的溝槽中，重復(fù)焊接兩次。顯微硬度試驗(yàn)參數(shù)： 加載力：100g， 加載時(shí)間：5s，位置：從左向右每隔1mm打一次硬度，覆蓋區(qū)域從母材焊核區(qū)母材。硬度試驗(yàn)結(jié)果如下表：次數(shù)123456789硬度（HV）58.160.454.265.650.462.859.154.060.2光學(xué)顯微鏡照片：放大50倍說明：中間灰色部分為焊核區(qū)，由于Zn的耐酸腐蝕沒有鋁好。深黑色部分為未焊合

10、的孔洞。因此，攪拌摩擦加工2次沒有足夠的塑性應(yīng)變使鋁和鋅充分混合均勻并產(chǎn)生了大量的孔洞缺陷。從硬度結(jié)果也可以看出，此時(shí)焊核區(qū)的硬度并沒有升高。5.2 攪拌摩擦加工試驗(yàn)參數(shù)：轉(zhuǎn)速W=600RPM，焊速=100mm/min，下壓量=0.2mm。Zn粉（400目）填充在兩塊搭接2024鋁合金之間的溝槽中，重復(fù)焊接四次。顯微硬度試驗(yàn)參數(shù)： 加載力：100g， 加載時(shí)間：5s，位置：從左向右每隔1mm打一次硬度，覆蓋區(qū)域從母材焊核區(qū)母材。硬度試驗(yàn)結(jié)果如下表：次數(shù)12345678910硬度（HV）62.962.576.471.153.454.8133.5129.060.758.4光學(xué)顯微鏡照片：放大50倍

11、說明：中間灰色部分為焊核區(qū)，均勻性較重復(fù)加工2次的相比稍好，焊核區(qū)底部還有孔洞缺陷。從硬度試驗(yàn)結(jié)果看出焊核區(qū)硬度分布極不均勻，最高到133HV，最低53.5HV，說明此工藝下重復(fù)加工4次仍沒有使焊核區(qū)均勻。5.3 攪拌摩擦加工試驗(yàn)參數(shù)：轉(zhuǎn)速W=600RPM，焊速=100mm/min，下壓量=0.2mm。Zn粉（400目）填充在兩塊搭接2024鋁合金之間的溝槽中，重復(fù)焊接六次。顯微硬度試驗(yàn)參數(shù)： 加載力：100g， 加載時(shí)間：5s，位置：從左向右每隔1mm打一次硬度，覆蓋區(qū)域從母材焊核區(qū)母材。硬度試驗(yàn)結(jié)果如下表：次數(shù)12345678910硬度（HV）53.646.079.7106.579.276

12、.581.481.251.552.1光學(xué)顯微鏡照片：放大50倍放大1000倍說明：中間灰色部分為焊核區(qū)，重復(fù)加工6次后，均勻性較好沒有孔洞缺陷。從硬度試驗(yàn)結(jié)果看出焊核區(qū)硬度升高到80HV左右，且均勻性較好。在高倍光鏡下可以看出，焊核區(qū)內(nèi)彌散分布著第二相顆粒，需進(jìn)一步做試驗(yàn)確定該顆粒的成分和結(jié)構(gòu)。5.4 攪拌摩擦加工試驗(yàn)參數(shù)：轉(zhuǎn)速W=1200RPM，焊速=100mm/min，下壓量=0.2mm。Zn粉（400目）填充在兩塊搭接2024鋁合金之間的溝槽中，重復(fù)焊接四次。顯微硬度試驗(yàn)參數(shù)： 加載力：100g， 加載時(shí)間：5s，位置：從左向右每隔1mm打一次硬度，覆蓋區(qū)域從母材焊核區(qū)母材。硬度試驗(yàn)結(jié)果

13、如下表：次數(shù)1234567891011硬度（HV）62.765.185.674.875.473.485.475.398.664.061.5光學(xué)顯微鏡照片：放大50倍放大1000倍說明：中間灰色部分為焊核區(qū)，提高轉(zhuǎn)速至1200rpm后重復(fù)加工4次后，均勻性很好沒有孔洞缺陷，有“洋蔥環(huán)”的出現(xiàn)。從硬度試驗(yàn)結(jié)果看出焊核區(qū)硬度升高到80HV左右，且均勻性較好。在高倍光鏡下可以看出，焊核區(qū)內(nèi)彌散分布著第二相顆粒，需進(jìn)一步做試驗(yàn)確定該顆粒的成分和結(jié)構(gòu)。在低轉(zhuǎn)速600rpm下，需要重復(fù)加工6次才能使焊核區(qū)的鋁和鋅混合均勻，在高轉(zhuǎn)速1200rpm下，重復(fù)加工4次也能使焊核區(qū)混合均勻。鋅加入鋁中后會(huì)有細(xì)小的第二

14、相出現(xiàn)，提高鋁基體的硬度。拉伸(抗拉強(qiáng)度) 試驗(yàn)參數(shù)攪拌頭（軸肩有紋）W1800-200W1800-300攪拌針頂端為半球型218.81231.32攪拌針頂端為平面型224.91228.48攪拌針頂端為半球帶凹槽型228.66拉伸(抗拉強(qiáng)度) 試驗(yàn)參數(shù)攪拌頭（軸肩為凹弧形）W2000-200W2000-400W2000-600攪拌針頂端為半球型 220.26 225.63228.86攪拌針頂端為平面型 218.95 222233.74攪拌針頂端為四棱型222.57 234.32215.59彎曲性能 試驗(yàn)參數(shù)攪拌頭（軸肩有紋）W1800-200W1800-300攪拌針頂端為半球型 180度完好

15、50裂斷攪拌針頂端為平面型 180度完好 180度有裂紋攪拌針頂端為半球帶凹槽型180度完好 40度裂斷彎曲性能 試驗(yàn)參數(shù)攪拌頭（軸肩為凹弧形）W2000-200W2000-400W2000-600攪拌針頂端為半球型 180度完好 180度有裂紋裂斷攪拌針頂端為平面型 180度完好 30度裂斷裂斷攪拌針頂端為四棱型180度有裂紋 30度裂斷裂斷6. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析6.1 不同轉(zhuǎn)速對(duì)攪拌摩擦焊焊縫的影響2從焊縫的外觀來看,在轉(zhuǎn)速較低時(shí), 不能形成攪拌摩擦焊的焊縫, 攪拌頭的后邊是一條溝槽, 隨著攪拌頭轉(zhuǎn)速升高, 溝槽的寬度減小, 當(dāng)攪拌頭轉(zhuǎn)速升高一定的值時(shí)(第一臨界值), 溝槽消失, 焊縫外觀成形

16、良好, 繼續(xù)增加轉(zhuǎn)速, 焊縫外觀也沒有明顯的變化, 但解剖發(fā)現(xiàn)焊縫的外觀雖然成形良好, 但焊縫中有孔洞, 隨著轉(zhuǎn)速的再升高, 孔洞逐漸減小, 當(dāng)轉(zhuǎn)速升高到一定的值時(shí)(第二臨界值)孔洞消失。6.2 不同轉(zhuǎn)速對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響在焊縫表面閉合良好時(shí), 隨著轉(zhuǎn)速的提高, 接頭的抗拉強(qiáng)度升高, 當(dāng)轉(zhuǎn)速升高到一定值后, 接頭與母材等強(qiáng)。其原因是, 攪拌頭轉(zhuǎn)速較低時(shí), 由轉(zhuǎn)速高低與接頭中孔洞大小之間的關(guān)系所決定; 隨著轉(zhuǎn)速升高, 當(dāng)焊縫中的空洞消失形成致密的焊縫時(shí), 由于加工硬化, 接頭中的強(qiáng)度比母材略高, 拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí), 從母材斷裂, 焊縫中硬度也稍高于母材。7. 思考題7.1 結(jié)合所學(xué)專業(yè)知識(shí)，解釋為什

17、么攪拌摩擦焊相比傳統(tǒng)熔焊更適于焊接鋁合金？攪拌摩擦焊（FSW）實(shí)踐證明是非鐵金屬連接工藝，它沒有母材熔化、填充金屬和保護(hù)氣體。因?yàn)樗枪虘B(tài)連接工藝，攪拌摩擦焊消除了傳統(tǒng)熔焊本身存在的大多數(shù)與再凝固相關(guān)的副作用。對(duì)于鋁合金，攪拌摩擦焊能避免熔焊中固有的高溫，所以能連接Al和不相似的鋁合金或其它包括銅、鉛、鋅和鎂的金屬合金。它能消除脆性金屬間混合物產(chǎn)生的副作用。7.2 哪些材料不適合采用攪拌摩擦焊焊接，為什么？請(qǐng)舉出一兩例。 我認(rèn)為由于攪拌摩擦焊的焊頭在高速旋轉(zhuǎn)情況下會(huì)產(chǎn)生高溫，受到焊頭熱硬性的影響，有較高強(qiáng)度和硬度且熔點(diǎn)較高的材料不適合攪拌摩擦焊，如耐熱鋼。另外，我認(rèn)為延展率過高的材料（如橡膠、

18、塑料等）也無(wú)法進(jìn)行攪拌摩擦焊，因?yàn)樵谛D(zhuǎn)摩擦的過程中，這些材料會(huì)粘在焊頭上使焊接無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行。7.3 比較攪拌摩擦焊和摩擦焊的異同點(diǎn)。摩擦焊是指，在壓力作用下，通過待焊界面的摩擦使界面及其附近溫度升高，材料斷面達(dá)到熱塑性狀態(tài)，伴隨著材料產(chǎn)生塑性流變，通過界面的分子擴(kuò)散和再結(jié)晶而實(shí)現(xiàn)焊接的固態(tài)焊接方法。而攪拌摩擦焊實(shí)質(zhì)上是摩擦焊的一種。摩擦焊技術(shù)經(jīng)過長(zhǎng)年的發(fā)展，已經(jīng)發(fā)展出很多種摩擦焊接的分類：摩擦螺柱焊、摩擦堆焊、第三體摩擦焊、嵌入摩擦焊、慣性摩擦焊、攪拌摩擦焊、徑向摩擦焊、線性摩擦焊和摩擦疊焊等。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與塑性變形熱作為焊接熱源。不同之處在于攪拌摩擦焊焊接過程是由一個(gè)圓柱體或其他形狀（如帶螺紋圓柱體）的攪拌針(welding pin)伸