2電子束與摩擦焊

1、第二講 電子束焊接 利用加速和聚焦的電子束轟擊位于真空或非真空中的焊件所產(chǎn)生的熱能進行焊接的一種焊接方法。1 1.概述 德國的K.-H.Steigerwald和法國的J.A.Stohr首先將電子束應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)中。 K.-H.Steigerwald 1948年，發(fā)現(xiàn)電子束可以用來加工材料 1951年，打孔，刻蝕，切割 1956年，電子束焊機J.A.Stohr 1954年，真空電子束焊接核工業(yè)燃料元件上的Zr基活潑合金。 1957年，公布研究成果。電子束焊接首先應(yīng)用于原子能及宇航工業(yè)。22電子束焊的根本原理 2.1電子束的產(chǎn)生 高壓加速裝置形成的高功率電子束流，通過磁透鏡會聚，得到很小的焦點，轟

2、擊置于真空或非真空中的焊件時，電子的動能迅速轉(zhuǎn)化為熱能，熔化金屬，實現(xiàn)焊接過程。3(1)陰極 鎢。鉭及六硼化鑭制成。(2)陽極 形成束流(3)聚束極 控制極、柵極?？刂齐娮邮?，三極槍。(4)聚焦透鏡 得到107W/cm2以上。(5)偏轉(zhuǎn)系統(tǒng) 適應(yīng)接頭類型和加工工藝。(6)合軸系統(tǒng) 得到滿意的電子束斑點。42.2 電子束深熔焊機理 電子束焊接時，在加速電壓作用下，電子可被加熱到1/2-2/3的光速，工件材料外表溫度可到達104以上，表層金屬迅速被熔化。高溫還向焊件深層傳導(dǎo)。 PdPi/ Rb2 Tc(1/)PdRb 當(dāng)束斑直徑足夠小時，功率密度分布曲線變得窄而陡，熱傳導(dǎo)等溫線向深層擴散，形成窄

3、而深的加熱模式。根本結(jié)論：提高電子束的功率密度可以增加穿透深度。5 大厚度電子束焊件中的熱傳導(dǎo)現(xiàn)象。 小孔效應(yīng)及其形成 高功率密度的電子束轟擊焊件，使焊件外表材料熔化并伴隨著液態(tài)金屬的蒸發(fā)，材料外表蒸發(fā)走的原子的反沖力使焊縫金屬外表壓凹，隨著電子束功率密度進一步加大，金屬蒸汽量增多，液面被壓凹的程度也增大，并形成一個通道。電子束經(jīng)過通道轟擊底部的待熔金屬，使通道逐漸向縱深開展。小孔的動態(tài)平衡與液態(tài)金屬在重力下的浸灌作用和外表張力的封口作用有關(guān)。63.電子束焊接技術(shù)的特點 (1) 電子束能量密度高，是理想的焊接熱源 熱源能量密度/W.cm-2熱源直徑/cm電弧1040.22等離子1041050.

4、52電子束1041070.031激光1031070.0117(2) 電子束焊熱源穩(wěn)定性好，易控制(3)真空電子束焊接時，焊縫免遭大氣污染，在2Pa真空度下焊接相當(dāng)于99.99%氬氣的保護，真空獲得所消耗的本錢遠低于消耗氬氣的本錢。(4)電子束焊機易實現(xiàn)自動化控制，操作簡單，焊接質(zhì)量易保證，適合批量生產(chǎn)。(5)允許采用的焊接接頭形式較其它焊接方法少，焊接速度快，熱影響區(qū)窄、焊接變形小，可作為最后加工工序或僅保存精加工余量。 8不同焊接方法的熱影響區(qū)寬度 焊接方法熱影響區(qū)各區(qū)平均尺寸/mm熱影響區(qū)總寬度/mm過熱區(qū)相變重結(jié)晶區(qū)不完全結(jié)晶區(qū)埋弧焊2.22.01.52.52.2306.08.5手工電弧

5、焊0.81.20.81.70.71.02.04.0電渣焊18205.07.02.02.02530氧乙炔焊214.02.027氬弧焊6mm20#鋼板2.12.20.71.11.21.95.06.2504512.5管子2.52.20.81.31.62.05.66.3電子束焊不預(yù)熱-0.050.75180350預(yù)熱-0.41.19不同焊接方法焊縫晶粒尺寸的比較(6Al-6V-25N) 焊接方法厚度/mm焊縫寬度/mm熱影響區(qū)寬度/mm晶粒尺寸/mm鎢極氬弧焊1.657.99.51.540.892.369.511.12.564.570.89電子束焊高壓1.272.180.050.250.642.411

6、.520.050.250.64低壓2.182.561.270.250.6410不同焊接方法的橫向收縮量 焊接方法板厚/mm線能量/kJcm-1橫向收縮/mm電子束焊818250.060.07手工焊830320.80.9單面自動焊1256600.750.8TIG1212130.350.4211 (6)大功率電子束適合焊接大厚度零件，提高材料利用率，經(jīng)濟效益好。(7)電子束焊的適用范圍極廣，它可用于焊接貴重部件(如噴氣式發(fā)動機部件)，又可焊接廉價部件(如齒輪等)；既可適用大批量生產(chǎn)(如汽車、電子元件)，也適用于單件生產(chǎn)(如核反應(yīng)堆結(jié)構(gòu)件)；既可以焊接微型傳感器，也可焊接結(jié)構(gòu)龐大的飛機機身；從薄的鋸

7、片到厚的壓力容器它都能焊接；不但可焊接普通的結(jié)構(gòu)，亦可焊接多種特殊金屬材料，如超高強度鋼、鈦合金、高溫合金及其它貴重稀有金屬。 121焊縫深寬比高 束斑尺寸小，能量密度高?？蓪崿F(xiàn)高深寬比(即焊縫深而窄)的焊接，深寬比達60:1，從0.1300mm厚度不銹鋼板可一次焊透。2焊接速度快，焊縫物理性能好 能量集中，熔化和凝固過程快。例如焊接厚125mm的鋁板，焊接速度達400mm/min，是氬弧焊的40倍，能避免晶粒長大，使接頭性能改善，高溫作用時間短，合金元素?zé)龘p少，焊縫抗蝕性好。3工件熱變形小能量密度高，輸入工件的熱量少，工件變形小4焊縫純潔度高真空對焊縫有良好的保護作用，高真空電子束焊接尤其適

8、合焊接鈦及鈦合金等活性材料。5工藝適應(yīng)性強參數(shù)易于精確調(diào)節(jié)，便于偏轉(zhuǎn)，對焊接結(jié)構(gòu)有廣泛的適應(yīng)性。6可焊材料多不僅能焊金屬，也可焊陶瓷、石英玻璃等，以及非金屬材料與某些金屬的異種材料接頭。7再現(xiàn)性好電子束焊接參數(shù)易于機械化、自動化控制，重復(fù)性、再現(xiàn)性好，提高了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。8可簡化加工工藝可將重復(fù)的或大型整體加工件分為易于加工的、簡單的或小型部件，用電子束焊為一個整體，簡少加工難度，節(jié)省材料，簡化工藝。13All metallic materials can be melted using a focused electron beam and, in consequence, most p

9、ure metals and alloys can be successfully welded .Steels and iron alloys C-Mn and structural steels Alloy steels Stainless steels Soft iron Nickel alloys Aluminium and magnesium alloys Copper and its alloys Refractory and reactive metals Dissimilar metals Non-metals Cast irons :EB welding is not rec

10、ommended as a joining process for cast irons。14EBW Limitations High equipment cost Work chamber size constraints Time delay when welding in vacuum High weld preparation costs X-rays produced during welding Rapid solidification rates can cause cracking in some materials15EBW Problems and Discontinuit

11、ies Undercutting（咬邊） Porosity Cracking Underfill Lack of fusion Shrinkage voids Missed joints 164.電子束焊接設(shè)備按真空狀態(tài)分 真空型 局部真空型 非真空型按加速電壓分 高壓型：大于80KV 中壓型：40-60KV 低壓型：小于等于30KV主要組成：電子槍、工作真空室、工作臺、高壓電源、控制及調(diào)整系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和焊接夾具。17(1)電子槍 產(chǎn)生電子使之加速、會聚成電子束的裝置。影響電子束穩(wěn)定性的主要原因是高壓放電，往往使電子束偏轉(zhuǎn)以防止金屬蒸汽對束源段產(chǎn)生直接的影響。 電子槍一般安裝在真空室外，有時

12、安裝在真空室內(nèi)可運動的傳動機構(gòu)上，動槍。(2)高壓電源及控制系統(tǒng) 為電子槍提供加速電壓、控制電壓及燈絲加熱電流。(3)控制及調(diào)整系統(tǒng) 18(4)工作室及抽真空系統(tǒng) 工作室尺寸及設(shè)計。 氣密性、剛度要求、X射線防護。 電子槍抽真空系統(tǒng)、工作室抽真空系統(tǒng)(5)電子束焊機現(xiàn)狀1)大型真空電子束焊機 幾十立方米到幾百立方米：280、110、400、8002)局部真空電子束焊機 節(jié)省抽氣時間3）通用電子束焊機4）批量生產(chǎn)用小型真空電子束焊機197電子束焊的焊接工藝(1)焊接參數(shù)1)加速電壓Ua 大多數(shù)保持不變。提高加速電壓可以增加焊縫的熔深。2)電子束流Ib 主要調(diào)整參數(shù)，以適應(yīng)不同焊接工藝的需要。3)

13、焊接速度Vb 和電子束功率一起決定著焊縫的熔深、焊縫寬度以及被焊材料熔池行為。4)聚焦電流If 當(dāng)焊件厚度大于10mm時，通常采用下焦點，且焦點在焊縫熔深的30處。5)工作距離H 焊件外表至電子槍的距離盡可能短。20(2)獲得深熔焊的工藝方法1）電子束水平入射焊 降低了小孔通道封堵作用。自下而上或水平橫焊。2)脈沖電子束焊 功率相同，脈沖更有效的增加熔深。3）變焦電子束焊 焊接大厚度焊件時，使焦點位置隨著焊件熔化深度度變化而變化，始終以最大功率密度進行焊接。4）焊前預(yù)熱或預(yù)置坡口 減少熱量沿焊縫橫向的熱傳導(dǎo)損失，利于增加熔深。218.電子束焊接技術(shù)現(xiàn)狀與開展前景(1)國外 1)大功率電子槍的開

14、發(fā) 大阪大學(xué)，600kv、300kv的超高壓電子束熱源裝置，200mm厚不銹鋼的焊接，深寬比達70：1。2)電子束特性的定量研究3)雙搶電子束及填絲電子束焊接技術(shù)的研究 日、德、俄等開展填絲電子束焊。大厚板采用二次焊4)大功率外表處理技術(shù) 日、俄 研究500kv的電子束熱源，用于涂層處理工藝5)復(fù)合式電子束加工設(shè)備的研制 俄羅斯，具備電子束焊、釬焊、局部熱處理、外表強化等功能6)非真空電子束焊接設(shè)備及工藝的研究和應(yīng)用 克服大型真空造價高、抽真空時間長缺點，英、德開展研究非真空電子束焊接設(shè)備。22(2)國內(nèi)1)電子束焊接設(shè)備 中壓真空電子束焊機較成熟，高壓大局部進口。 北京航空工藝研究所1992

15、年研制成功了ZD150-15A型高壓電子束焊機。國內(nèi)第一臺自行設(shè)計、自行制造的高壓電子槍和大型真空室。2)電子束焊接工藝(3)應(yīng)用前景1)大批量生產(chǎn)中將有較大的開展2)航空航天工業(yè)中，將繼續(xù)擴大其應(yīng)用3)厚大焊件場合的應(yīng)用，如能源、重工業(yè)4)修復(fù)領(lǐng)域5)設(shè)備趨向多功能及柔性化6)實現(xiàn)空間結(jié)構(gòu)焊接的強有力工具239.其它電子束加工技術(shù)(1)電子束打孔 始于1938年，1958年生產(chǎn)了第一臺電子束打孔機。 柔性好，速度高，每秒最多打3000個孔 束的入射角變化范圍打，最大傾角可達70度典型產(chǎn)品 玻璃纖維整流罩 離心別離器管，50000個 衛(wèi)星燃料系統(tǒng)中多孔鈦板，20106個/m224(2)外表改性

16、1)外表淬火相變溫度以上2)外表回火/退火3)外表重熔熔化溫度以上4)外表合金化5)外表涂層 2526(4)電子束物理氣相沉積 1970年代，巴頓焊研所開始了電子束物理氣相沉積設(shè)備及工藝的研究。 設(shè)備功率一般在40-200kW，加速電壓20kV左右27第三講 摩 擦 焊28 利用焊件相對摩擦運動產(chǎn)生的熱量來實現(xiàn)材料可靠連接的壓力焊方法 焊接過程：在壓力的作用下，相對運動的待焊材料之間產(chǎn)生摩擦，使界面及附近溫度升高，并到達熱塑性狀態(tài)，隨著頂鍛力的作用，材料發(fā)生塑性變形與流動，通過界面元素擴散及再結(jié)晶冶金反應(yīng)形成接頭。 1891年，美國批準(zhǔn)了第一個專利，連接鋼纜。 德國、英國、前蘇聯(lián)、日本等國家相

17、繼開展。 中國是世界上研究摩擦焊最早的國家之一，1957年實現(xiàn)了Al/Cu摩擦焊接。291摩擦焊原理及技術(shù)優(yōu)勢(1)原理3031（2）摩擦焊技術(shù)的主要優(yōu)點1)接頭質(zhì)量好且穩(wěn)定 焊接過程由機器控制，參數(shù)設(shè)定后容易監(jiān)控，重復(fù)性好，不依賴于操作人員的技術(shù)水平和工作態(tài)度。焊接過程不發(fā)生熔化，屬固相熱壓焊，接頭為鍛造組織，因此焊縫不會出現(xiàn)氣孔、偏析和夾雜，裂紋等鑄造組織的結(jié)晶缺陷，焊接接頭強度遠大于熔焊、釬焊的強度，到達母材的強度；2)效率高。 對焊件準(zhǔn)備通常要求不高，焊接設(shè)備容易自動化，可在流水線上生產(chǎn)，每件焊接時間以秒計，一般只需零點幾秒至幾十秒，是其它焊接方法如熔焊、釬焊不能相比的；323)節(jié)能、

18、節(jié)材、低耗 所需功率僅及傳統(tǒng)焊接工藝的1/51/15，不需焊條、焊劑、釬料、保護氣體，不需填加金屬，也不需消耗電極；4)焊接性好 特別適合異種材料的焊接，與其它焊接方法相比，摩擦焊有得天獨厚的優(yōu)勢，如鋼和紫銅、鋼和鋁、鋼和黃銅等等；5)環(huán)保，無污染 焊接過程不產(chǎn)生煙塵或有害氣體，不產(chǎn)生飛濺，沒有孤光和火花，沒有放射線。由于以上這些優(yōu)點，摩擦焊技術(shù)被譽為未來的綠色焊接技術(shù)。33 2 摩擦焊工藝及其新近展34(1)連續(xù)驅(qū)動摩擦焊(2)慣性摩擦焊 旋轉(zhuǎn)焊件與一個飛輪相連(3)線性摩擦焊 線性摩擦焊技術(shù)，是兩個工件以一定的頻率和振幅進行往復(fù)運動產(chǎn)生熱量進行的焊接，它可以將方形、圓形、多邊形截面的金屬或

19、塑料焊接在一起。它可以焊接更不規(guī)則截面的構(gòu)件，象葉片與渦輪等。最初應(yīng)用于塑料焊接，80年代后期用于航空發(fā)動機整體鈦合金葉盤的制造。35(4)攪拌摩擦焊 攪拌摩擦焊技術(shù)是1991年英國焊接研究所創(chuàng)造的固相連接技術(shù)，它在航空、航天、船舶、海洋工業(yè)、武器裝備以及高速列車等領(lǐng)域的輕結(jié)構(gòu)制造中的應(yīng)用研究得到廣泛開展。同時也引起了我國科技工作者的高度重視，先后開展了一些攪拌摩擦焊的研究工作。(5)相位摩擦焊 可實現(xiàn)有相位要求的工件的摩擦焊接，擴大了摩擦焊的應(yīng)用領(lǐng)域。目前生產(chǎn)中對如六方形斷面的零件、八方鋼、汽車操作桿、花鍵軸、撥叉、兩端帶法蘭的軸等均要求采用相位摩擦焊。在電控技術(shù)和機械技術(shù)高度開展的前提下，

20、為大噸位相位摩擦焊機的研制提供了可能。36(6)徑向摩擦焊 徑向摩擦焊由于其引入中間旋轉(zhuǎn)加壓圓環(huán)，不僅改變了摩擦面的方向，焊件也由相對旋轉(zhuǎn)加壓變?yōu)橄鄬潭訅?，它非常適合于長管子的焊接，同時它還可以把薄壁銅環(huán)焊接到彈體外壁上，能夠使軍工產(chǎn)品升級換代。373摩擦焊設(shè)備與工程應(yīng)用 隨著摩擦焊技術(shù)的廣泛應(yīng)用，摩擦焊設(shè)備也得到了迅速的開展，2000年不完全統(tǒng)計全世界共有5000多臺摩擦焊機用于焊接生產(chǎn)。 為了適應(yīng)大型和特殊部件的焊接，要研制我國的大型和微型的摩擦焊機。 為適應(yīng)特種用途還要開發(fā)慣性摩擦焊、徑向摩擦焊，攪拌摩擦焊、雙頭摩擦焊，立式摩擦焊及水下摩擦焊等多種特種摩擦焊機。在制造及監(jiān)控技術(shù)方面要

21、本著柔性和自動化來設(shè)計。焊機可附加很多自動化設(shè)備和加工裝置，從而創(chuàng)造出一個高度柔性和自動化的完整系統(tǒng)，以適應(yīng)用戶的各種要求。38 攪拌摩擦焊(friction stir welding ,簡稱FSW) 是由英國焊接研究所( The Welding Institute , 簡稱TWI) 于1991 年提出的一種固態(tài)連接方法 攪拌摩擦焊技術(shù)是世界焊接技術(shù)開展史上自創(chuàng)造到工業(yè)應(yīng)用時間跨度最短和開展最快的一項固相連接新技術(shù) 截止2002 年9 月15 日,得到英國焊接研究所( TWI) 攪拌摩擦焊專利技術(shù)許可的用戶己經(jīng)有78 家,與攪拌摩擦焊技術(shù)相關(guān)的專利技術(shù)有551 項。4攪拌摩擦焊39 采用攪拌摩

22、擦焊技術(shù)不僅能焊接幾乎所有熔焊能夠焊接的金屬,而且能焊接許多熔化焊接性能差的金屬,如鋁合金、鈦合金、銅合金等攪拌摩擦焊除了具有摩擦焊的特點外，更重要的是可焊接各種板材的焊接接頭，因此可用于結(jié)構(gòu)焊接.40 攪拌摩擦焊創(chuàng)造初期主要解決厚度1.26毫米的鋁合金板材焊接問題; 1996年，用FSW技術(shù)解決了612毫米的鋁、鎂、銅合金的連接。 1997年實現(xiàn)了1225毫米厚鋁合金板的攪拌摩擦焊，并且在宇航結(jié)構(gòu)件上得到應(yīng)用。 1999年攪拌摩擦焊可以焊接50毫米厚的銅合金及75毫米厚度的鋁合金零件和產(chǎn)品。 2004年，英國焊接研究所已經(jīng)能夠單道單面實現(xiàn)100毫米厚鋁合金板材的攪拌摩擦焊。 迄今，在材料的厚

23、度上，單道焊可以實現(xiàn)厚度為0.8100mm鋁合金材料的焊接；雙道焊可以焊接180mm厚的對接板材。 最近,又開發(fā)了可以連接0.4mm鋁板的微型攪拌摩擦焊技術(shù)。41 攪拌摩擦焊為固相連接方法，采用該方法實現(xiàn)銅連接防止了熔焊方法的諸多缺陷和缺乏。焊縫外觀均勻光滑，無缺陷，相對于熔焊焊接變形極小。焊接操作簡單，焊前只需丙酮等有機溶劑去除結(jié)合面油脂，無需開坡口去除氧化膜；焊后無需去除余高，提高了生產(chǎn)效率。焊接過程能耗小，無需填充材料，焊接本錢低.圖 攪拌摩擦焊焊接紫銅板全貌42 金屬在焊接過程中不熔化，熱輸入量小；焊縫的連接是在金屬受擠壓的狀態(tài)下完成的，焊接接頭不會產(chǎn)生熔化焊焊接接頭的氣孔和裂紋等一類

24、缺陷，焊縫缺陷少；攪拌摩擦焊類似于機械加工過程，容易實現(xiàn)自動化控制，而且沒有熔化焊中的電壓，電流，強光，金屬粉塵等現(xiàn)象，工作環(huán)境環(huán)保清潔。 最重要的是，攪拌摩擦焊接頭的力學(xué)性能優(yōu)于熔焊接頭。試驗數(shù)據(jù)說明焊接接頭的抗拉強度到達了母材的91，試樣延伸率到達了25，接頭組織晶粒細化、均勻而致密，消除了母材的鑄造缺陷。43 與傳統(tǒng)鎢極氬弧焊（TIG）和熔化極氬弧焊（MIG）焊接相比較，攪拌摩擦焊在接頭力學(xué)性能上具有明顯的優(yōu)越性。 例如,對于6.4mm厚的2014-T6鋁合金，F(xiàn)SW焊接頭性能比TIG焊高16;對于12.7毫米厚的2014-T6鋁合金，F(xiàn)SW焊接頭性能比TIG焊高22。 攪拌摩擦焊接頭性

25、能數(shù)據(jù)一致性較好，工藝穩(wěn)定，焊接接頭質(zhì)量容易保證。44 攪拌摩擦焊也有其局限性， 例如：焊縫末尾通常有匙孔存在（目前已可以實現(xiàn)無孔焊接）； 焊接時的機械力較大，需要焊接設(shè)備具有很好的剛性；與弧焊相比,缺少焊接操作的柔性；不能實現(xiàn)添絲焊接。455 攪拌摩擦焊原理46(1)一個帶有特型攪拌針的攪拌頭旋轉(zhuǎn)并緩慢的將攪拌針插入兩塊對接板材之間的焊縫處。一般來講,攪拌針的長度接近焊縫的深度。(2)當(dāng)旋轉(zhuǎn)的攪拌針接觸工件外表時,與工件外表的快速摩擦產(chǎn)生的摩擦熱使接觸點材料的溫度升高,強度降低。攪拌針在外力作用下不斷頂鍛和擠壓接縫兩邊的材料，直至攪拌頭軸肩緊密接觸工件外表為止，由旋轉(zhuǎn)軸肩和攪拌針產(chǎn)生的摩擦熱

26、在軸肩下面和攪拌指頭周圍形成大量的塑化層。47(3)當(dāng)工件相對攪拌針移動或攪拌針相對工件移動時,在攪拌針側(cè)面和旋轉(zhuǎn)方向上產(chǎn)生的機械攪拌和頂鍛作用下,攪拌針的前外表把塑化的材料移送到攪拌針后外表。(4)在攪拌針沿著接縫前進時,攪拌頭前部的對接接頭外表被摩擦加熱至超塑性狀態(tài)。攪拌針和軸肩磨擦接縫,破碎氧化膜，攪拌和重組攪拌針前方的磨碎材料。攪拌針前方的材料冷卻后就形成焊縫，可見此焊縫是在熱機聯(lián)合作用下形成的固態(tài)焊縫。48攪拌摩擦焊技術(shù)所涉及到的主要技術(shù)術(shù)語定義攪拌頭（Pin tool）攪拌摩擦焊的施焊工具；攪拌頭軸肩（Tool Shoulder）攪拌頭與工件外表接觸的肩臺局部；攪拌針（Tool P

27、in）攪拌頭插入工件的局部；前進側(cè)（Advancing Side）焊接方向與攪拌頭軸肩旋轉(zhuǎn)方向一致的焊縫側(cè)面；回轉(zhuǎn)側(cè)（Retreating Side）焊接方向與攪拌頭軸肩旋轉(zhuǎn)方向相反的焊縫側(cè)面49 攪拌摩擦焊除了具有普通摩擦焊技術(shù)的優(yōu)點外，還可以進行多種接頭形式和不同焊接位置的連接。 a.直口對接b.對搭混合c.單搭界d.多搭界e.三片T形對接f.雙片T形對接g.邊緣對接 h.角接幾種攪拌摩擦焊的接頭形式50攪拌摩擦焊焊縫組織分區(qū)A 區(qū)為母材區(qū)(basic metal ,簡稱BM)B 區(qū)為熱影響區(qū)(heat affected zone ,簡稱HAZ）C 區(qū)為熱力影響區(qū)( thermo mech

28、anically affected zone ,簡稱TMAZ)D 區(qū)為焊核( dynamically recrystallized zone ,簡稱DXZ)51 焊核是最接近攪拌頭軸肩的區(qū)域,組織結(jié)構(gòu)通常有較大的變化。在焊接接頭的熱影響區(qū)中,除了腐蝕反應(yīng)比母材快一些外,其金相組織與母材沒有多大區(qū)別。 在焊接接頭的熱力影響區(qū),焊接過程引起長晶粒的彎曲和輕微的重結(jié)晶。焊核由纖細的經(jīng)動態(tài)再結(jié)晶的等軸晶構(gòu)成,晶粒尺寸比母材小得多。 5083 鋁合金的攪拌摩擦焊實驗說明,焊縫最薄弱的環(huán)節(jié)不在焊核區(qū),而是在熱影響區(qū)。經(jīng)過固溶處理和人工時效處理的2系列、6系列鋁合金的攪拌摩擦焊焊縫,經(jīng)過時效處理后,強度接近

29、于基體材料的強度. 組織分區(qū)分析：52 (a)母材微觀組織 (b)焊核微觀組織 ZL114A母材與焊接接頭微觀組織比照，從圖中可觀察到焊核區(qū)微觀組織是無方向性的、細小的等軸晶粒，母材區(qū)為粗大的樹枝狀鑄造組織53 焊接狀態(tài)下，焊縫焊核的強度要大于熱力影響區(qū)的強度。就退火狀態(tài)的材料而言，拉伸試驗的破壞通常發(fā)生在遠離焊縫和熱影響區(qū)的母材上。對于形變強化和熱處理強化的鋁合金，攪拌摩擦焊后熱力影響區(qū)的硬度和強度最低，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。為獲得最正確的性能，焊后熱處理是熱處理強化材料提高焊縫性能的最好選擇，但在許多工況下，焊后無法進行熱處理。焊縫

30、質(zhì)量54 攪拌摩擦焊是在剛性固定下焊接的，熱源來自焊口外表并以面狀向工件傳遞，并在隨后的旋轉(zhuǎn)壓力頭的擠壓下變形，快冷，再結(jié)晶形成焊縫，在膨脹中3個方向受壓，在收縮中釋放壓應(yīng)力，使橫向和縱向剩余應(yīng)力及變形都大大減少。從焊縫形成來看，根本上成矩形，所以角變形極小。 再則由于是固相焊，加熱溫度低，與熔化焊相比，最高溫度和溫度梯度小得多，無焊縫的凝固收縮和高溫區(qū)的膨脹與收縮，這樣也有利于減少焊接變形與應(yīng)力，不只減少了焊接過程中的裂紋傾向，也減少了焊后的剩余應(yīng)力，大大提高了焊接結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。攪拌摩擦焊的焊接變形與應(yīng)力55攪拌摩擦焊主要工藝參數(shù)： 攪拌針的移動（焊接）速度 攪拌針的旋轉(zhuǎn)速度 攪拌頭的仰角 壓

31、緊力56攪拌頭的開展帶來新型攪拌摩擦焊工藝 攪拌頭材料、攪拌頭軸肩和攪拌針的形狀是攪拌頭優(yōu)劣的3個主要決定性因素，關(guān)系到連接接頭的性能與生產(chǎn)本錢和效率。攪拌頭的主要功能如下： 加熱和軟化被焊接材料（工件材料）； 破碎和彌散接頭外表的氧化層； 驅(qū)使攪拌針前部的材料向后部轉(zhuǎn)移； 驅(qū)使接頭上部的材料向下部轉(zhuǎn)移； 使轉(zhuǎn)移后的熱塑化的材料形成固相接頭。 攪拌頭的開展57 攪拌頭的形狀與熱塑化材料的流變密切相關(guān)，并且直接影響到接頭的質(zhì)量，在攪拌摩擦焊開展初期，TWI開發(fā)成功了柱形攪拌頭，這種攪拌頭在攪拌摩擦焊初期開發(fā)研究中得到了廣泛應(yīng)用。 隨著攪拌摩擦焊技術(shù)的開展，針對不同的焊接材料和結(jié)構(gòu)，目前已有系列化

32、的攪拌頭。英國焊接研究所研制的 Whorl TM和 MX Triflute TM攪拌頭，可以在提高焊接速度的條件下,得到焊縫成形良好、性能更加優(yōu)良的焊縫。58TWI開發(fā)的MX Triflute TM（左）和Skem-Stir TM（右）攪拌頭59 攪拌針的直徑為焊件厚度的0911倍時，焊縫質(zhì)量較好。攪拌針的直徑過大時，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反面成形有關(guān)，攪拌焊針過短，反面焊不透；攪拌針過長，則反面易過熱，導(dǎo)致成形較差。

33、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。對于厚度為3mm的鋁合金薄板，攪拌針的直徑為3mm 時，其長度應(yīng)在25mm-28mm范圍。攪拌針606.典型材料的攪拌摩擦焊鋁合金的焊接 鋁合金的攪拌摩擦焊克服了熔焊時產(chǎn)生氣孔、裂紋等缺陷。 目前，國內(nèi)外在高強鋁合金的攪拌摩擦焊研究中采用的單道對接焊厚度一般為18 mm，焊接性能較好，焊縫強度一般在母材強度的60%以上。61 25 mm 厚的7A52 鋁合金軋制板焊接速度v = 40mm/min , 攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度N = 1 3001 700 r/min 厚板焊縫抗拉強度與旋轉(zhuǎn)速度的關(guān)系627A52 焊縫的顯微硬度分布（攪拌

34、頭旋轉(zhuǎn)速度為1 500 r/ min 、焊接速度為40 mm/ min ）637. 攪拌摩擦焊在世界工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括以下方面 1) 船舶和海洋工業(yè)：快艇、游船等的甲板、側(cè)板、防水隔板、船體外殼、主體結(jié)構(gòu)件、直升機平臺、離岸水上觀測站、船用冷凍器、帆船桅桿和結(jié)構(gòu)件。 2) 航天：運載火箭燃料貯箱、發(fā)動機承力框架、鋁合金容器、航天飛機外貯箱、載人返回倉等。 3) 航空：飛機蒙皮、衍條、加強件之間連接、框架連接、飛機壁板和地板連接、飛機門預(yù)成形結(jié)構(gòu)件、起落架倉蓋、外掛燃料箱。 4) 車輛工業(yè)：高速列車、軌道貨車、地鐵車廂、輕軌電車。 5) 汽車工業(yè)：汽車發(fā)動機引擎、汽車底盤支架、汽車輪鼓、車門

35、預(yù)成形件、車體框架、升降平臺、燃料箱、逃生工具等。 6) 建筑行業(yè)：鋁、銅、鈦等制作的面板、門窗框架、發(fā)電廠和化工廠的反應(yīng)器、鋁管道、熱交換器和空調(diào)器等。 7) 其他工業(yè)：發(fā)動機殼體、冰箱冷卻板、電器分封裝、天然氣、液化氣貯箱、輕合金容器、家庭裝飾、鎂合金制品等。64(1)攪拌摩擦焊在船舶制造工業(yè)中的應(yīng)用 早在1995年，挪威Hydro Marine Aluminium公司就將FSW技術(shù)應(yīng)用于船舶結(jié)構(gòu)件的制造。 采用攪拌摩擦焊技術(shù)將普通型材拼接，制造用于造船業(yè)的寬幅型材。該焊接設(shè)備以及工藝已經(jīng)獲得Det Norske Veritas和 Germanischer Lloyd的認(rèn)可。 從1996到

36、1999，已經(jīng)成功焊接了1700塊船舶面板，焊縫總長度超過110km。 在造船領(lǐng)域，攪拌摩擦焊適用面很寬：船甲板、側(cè)板、船頭、殼體、船艙防水壁板和地板，船舶的上層鋁合金建筑結(jié)構(gòu)，直升飛機起降平臺，離岸水上觀測站，船舶碼頭，水下工具和海洋運輸工具，帆船的桅桿及結(jié)構(gòu)件，船上制冷設(shè)備用的中空擠壓鋁板等。65(2)攪拌摩擦焊在航空航天工業(yè)中的應(yīng)用 航空航天飛行器鋁合金結(jié)構(gòu)件，如飛機機翼壁板、運載火箭燃料儲箱等，選材多為熔焊焊接性較差的2000及7000系列鋁合金材料，而攪拌摩擦焊可以實現(xiàn)這些系列鋁合金的優(yōu)質(zhì)連接，國外已經(jīng)在飛機、火箭等宇航飛行器上得到應(yīng)用。 66 波音公司首先在加州的Huntingto

37、nBeach工廠將攪拌摩擦焊應(yīng)用于Delta II運載火箭4.8米高的中間艙段的制造（縱縫，厚度22.22毫米 ，2014鋁合金），該運載火箭于1999年8月17日成功發(fā)射升空。 2001年4月7日，“火星探索號發(fā)射升空，采用攪拌摩擦焊技術(shù)，壓力貯箱焊縫接頭強度提高了30， 攪拌摩擦焊制造技術(shù)首次在壓力結(jié)構(gòu)件上得到可靠地應(yīng)用。67 波音公司在阿拉巴馬州的Decatur工廠將攪拌摩擦焊技術(shù)用于制造Delta 運載火箭中心助推器。Delta 運載火箭貯箱直徑為5m，材料改為2219-T87鋁合金。到2002年4月為止，攪拌摩擦焊已成功焊接了2100m無缺陷焊縫應(yīng)用于Delta II火箭，1200m

38、無缺陷焊縫應(yīng)用于Delta IV火箭。采用攪拌摩擦焊節(jié)約了60的本錢，制造周期由23天降低為6天。 歐洲Fokker宇航公司將攪拌摩擦焊技術(shù)用于Ariane 5發(fā)動機主承力框的制造，承力框的材料為7075-T7351，主體結(jié)構(gòu)由12塊整體加工的帶翼狀加強的平板連接而成，結(jié)構(gòu)制造中用攪拌摩擦焊代替了螺栓連接，為零件之間的連接和裝配提供了較大的裕度，并可減輕結(jié)構(gòu)重量，提高生產(chǎn)效率。68 美國Eclipse飛機制造公司斥資3億美元用于攪拌摩擦焊的飛機制造方案，其制造的第一架攪拌摩擦焊商用噴氣客機（Eclipse500）于2002年8月在美國進行了首飛測試。其機身蒙皮、翼肋、弦狀支撐、飛機地板以及結(jié)構(gòu)

39、件的裝配等鉚接工序均由攪拌摩擦焊替代，提高了生產(chǎn)效率、節(jié)約了制造本錢并且減輕了機身重量。69(3)攪拌摩擦焊在軌道交通及陸路交通工業(yè)中應(yīng)用 日本住友輕金屬公司已將FSW工藝用于地鐵車輛，采用這種工藝制造的工件長度已經(jīng)超過了3km，接頭質(zhì)量良好。由住友輕金屬公司生產(chǎn)的擠壓型材FSW焊接拼板，用于日本新干線車輛的制造，車輛時速可達285 km/h。70(4)攪拌摩擦焊在汽車工業(yè)中應(yīng)用 為了提高運載能力和速度，汽車制造呈現(xiàn)出材料多樣化、輕量化、高強度化的開展趨勢，鋁合金、鎂合金等輕質(zhì)合金材料所占的比重越來越大，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)以及接頭形式都在設(shè)法改進。攪拌摩擦焊技術(shù)的創(chuàng)造恰好滿足了這種新材料、新結(jié)構(gòu)對新型連接技術(shù)的需求。挪威Hydro公司采用攪拌摩擦焊技術(shù)制造汽車輪轂，將鑄造或鍛造的中心零件與鍛鋁制造的輻條連接起來，以獲得良好的