攪拌摩擦焊用攪拌頭的開發(fā)

攪拌摩擦焊用攪拌頭的開發(fā)

攪拌緩沖焊接（fsw）是英國焊接研究所（歐美，簡稱氛圍探測研究所）在1991年開發(fā)的一種先進的固相連接技術(shù)。這是自激光焊接出版以來首次提出和開發(fā)的最具吸引力的連接技術(shù)。FSW與弧焊、激光焊、電子束焊、釬焊和擴散連接等傳統(tǒng)焊接方法相比,FSW具有高效低耗、焊接溫度低、接頭殘余應力小、焊接工件變形小、環(huán)境友好等特點,特別在大規(guī)格薄板焊接中是其他焊接方法遠不可相比的。經(jīng)過20多年的發(fā)展,攪拌摩擦焊已經(jīng)從技術(shù)研究邁向高層次的工程化和工業(yè)化應用階段。被焊材料也已從鋁合金逐漸擴展到鎂合金、鉛合金、銅合金、鋼、鈦合金以及復合材料等。目前,攪拌摩擦焊設(shè)備的制造和產(chǎn)品的加工在國內(nèi)外已經(jīng)成為一類高技術(shù)新興產(chǎn)業(yè)。攪拌頭作為攪拌摩擦焊的“心臟”,其材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計是攪拌摩擦焊技術(shù)的核心,是攪拌摩擦焊工藝中最重要的技術(shù)之一,是決定攪拌摩擦焊技術(shù)能否擴大待焊材料的種類以及能否提高待焊材料板厚范圍的關(guān)鍵。本文主要介紹,國內(nèi)外攪拌摩擦焊用攪拌頭的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢,以期為我國攪拌摩擦焊行業(yè)的戰(zhàn)略規(guī)劃、技術(shù)研發(fā)、成果應用及市場拓展等相關(guān)工作的開展提供一定的參考作用。1旋轉(zhuǎn)焊接機構(gòu)的工作原理在攪拌摩擦焊專利許可協(xié)會的影響下,業(yè)界已經(jīng)對該方法涉及的通用技術(shù)術(shù)語進行了定義和認可。常用術(shù)語及定義如表1所示。攪拌摩擦焊的工作原理如圖1所示,在焊接過程中攪拌針要旋轉(zhuǎn)著插入被焊材料的結(jié)合界面處,旋轉(zhuǎn)的攪拌頭與工件之間的摩擦熱使攪拌頭前面的材料發(fā)生強烈塑性變形。軸肩一方面可以和工件表面相互摩擦產(chǎn)生摩擦熱,另一方面可以防止攪拌頭在高速旋轉(zhuǎn)時塑化的材料從焊縫區(qū)噴射出去,同時可以起到清除表面氧化膜的作用。隨著攪拌頭的移動,高度塑性變形的材料流向攪拌頭的背后,攪拌頭后方的材料冷卻后就形成固態(tài)焊縫。2攪拌頭研究現(xiàn)狀2.1試驗研究及結(jié)果攪拌摩擦焊的實質(zhì)是攪拌頭與被焊材料之間發(fā)生熱-機械作用并形成接頭,在此過程中攪拌頭直接承受焊接過程的熱載、力載及摩擦磨損,因而要求它在焊接條件下具有高于被焊材料的熔點、強度、硬度和韌性,應由具有良好耐高溫靜態(tài)和動態(tài)力學性能以及其他物理特性的耐磨損材料制成。在焊接鋁、鎂、鉛等低熔點材料時,攪拌頭采用工具鋼即可。對于鋼、銅、鈦等高熔點材料來講,焊接時最高溫度在1000℃以上,能滿足使用要求的攪拌頭材料往往是難熔金屬合金或者結(jié)構(gòu)陶瓷。Brigham的Nelson等人與Megastir公司合作采用多晶立方氮化硼(PCBN)作為攪拌頭材料,針對不同高熔點材料設(shè)計了相應品級的PCBN攪拌頭并申請了專利。該材料屬于超硬材料,以立方氮化硼作為基體,采用粘結(jié)劑作為第二相在高溫高壓下燒結(jié)而成,通過調(diào)整基體和第二相的比例獲得不同品級攪拌頭以滿足不同需求。目前已有不少研究機構(gòu)選用PCBN作為高熔點材料攪拌摩擦焊用攪拌頭材料,但由于目前冶金技術(shù)的限制,只能制出厚度較小的坯料,加工和設(shè)計難度較大。Ramirez等人采用純鎢作為攪拌頭材料,對TC4板材進行攪拌摩擦焊連接,并對接頭的組織演變進行了細致的研究。王文英等人采用鉬合金攪拌頭對Q235A碳鋼進行攪拌摩擦焊連接,焊接過程中采用加熱輔助熱源和無輔助熱源兩種情況,獲得了質(zhì)量良好的焊接接頭,可耐受1000℃以上焊接溫度。日立公司最近和日本東北大學合作,針對鐵合金、鈦合金以及鋯合金等成功開發(fā)了Co-Al-W合金攪拌頭材料。該材料鑄造性和可加工性良好,高溫強度和耐磨損磨耗性能優(yōu)異,以鈷基合金為基體,Co3(Al,W)金屬間化合物為第二相,通過調(diào)整基體和第二相的比例可獲得不同性能要求的攪拌頭。Co-Al-W合金攪拌頭材料的微觀組織,以及該攪拌頭用于鈦合金攪拌摩擦焊的試驗效果分別如圖2和圖3所示。洛克希德公司的Jones等人得出,采用W-25Re作為攪拌頭材料焊接TC4時的工藝參數(shù)范圍很窄,還采用W-1%La2O3作為攪拌頭材料,但該研究還有待深入。另外,為了能降低成本,也有研究者嘗試采用鎳基合金、硬質(zhì)合金、金屬陶瓷等作為高熔點材料攪拌摩擦焊用攪拌頭材料,但其可行性有待進一步研究。表2為不同攪拌頭材料的最高工作溫度、適用性、加工性、化學活性和熱穩(wěn)定性等性能。從表中可以發(fā)現(xiàn),工具鋼、不銹鋼、鎳基合金的綜合性能比較好,但工作溫度達不到鈦合金的焊接溫度;而工作溫度比較高的幾種材料,如金屬陶瓷、高熔點金屬以及金屬間化合物的復雜形狀可加工性相對較差。2.2攪拌針和軸肩的設(shè)計軸肩在攪拌摩擦焊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,以阻止高塑性軟化材料從軸肩溢出。圖4所示的是常見的幾種軸肩形貌,它們都是在攪拌針和軸肩的交界處中間凹入。在焊接過程中,這種設(shè)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(shè)計出與之相適應的特殊的軸肩幾何形貌。由于軸肩在攪拌摩擦焊接過程中所起的作用比較單一,因而人們對軸肩形貌、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、幾何尺寸設(shè)計方面的研究。2.3攪拌針的形貌和幾何尺寸攪拌針在摩擦焊過程中不僅提供熱輸入,而且起到機械攪拌作用,因而攪拌針的形貌和幾何尺寸影響著塑性軟化材料的流動形式和被切削材料的體積,進而影響接頭的力學性能。隨著20多年來對攪拌摩擦焊的研究越來越深入,研究者設(shè)計出了多種攪拌針,以適應多種焊接狀態(tài)。2.3.1攪拌針的形貌在攪拌摩擦焊接工藝應用的初始階段,柱形攪拌針應用得較為廣泛,其形貌如圖5所示。在實際焊接過程中,發(fā)現(xiàn)柱形攪拌針存在耐沖擊力弱以及焊后接頭性能較差等問題。2.3.2和三槽三角形螺紋攪拌針英國焊接研究所在淘汰柱形攪拌針后設(shè)計出錐形螺紋攪拌針(WhorlTM)和三槽錐形螺紋攪拌針(MX-TrifluteTM),分別如圖6和圖7所示。它們的共同之處是都呈平截頭體狀(或玻璃杯狀),而且都帶有螺紋。在攪拌針根部直徑相同時,平截頭體狀攪拌針切削的材料約為柱形的60%～70%。2.3.3試驗結(jié)果x-trivesxm偏心圓攪拌針(TrivexTM)和偏心圓螺紋攪拌針(MX-TrivexTM)外形是根據(jù)攪拌摩擦焊的動態(tài)模擬得出的,分別如圖8和圖9所示。利用攪拌摩擦焊三維動態(tài)模擬技術(shù)可以觀察到各種不同攪拌頭焊接時塑性材料的流動形式。2.3.4中心軸和角的內(nèi)涵圖10所示的為非對稱攪拌針的形貌圖,其攪拌針的中心軸與設(shè)備的中心軸存在一個偏角,而軸肩的表面垂直于設(shè)備的中心軸。因此,在焊接過程中非對稱攪拌頭不是以攪拌頭自身中心軸旋轉(zhuǎn)。由于攪拌針只有部分表面直接與工件摩擦接觸,攪拌針上部分材料可以被切去,以增加焊接過程中軟化材料的流動路徑,圖11為改進后的非對稱攪拌針。2.3.5樣支開、錐度方向外開螺紋攪拌針(圖12)在靠近軸肩部分是平截頭形狀,但是開槽的地方卻像樹杈一樣支開,錐度方向與平截頭體相反,其目的是為了增加攪拌針的直徑,而不必改變軸肩的尺寸。另外,攪拌針的端部是一個三叉樣的攪拌器。這樣的外形特征都是為了增加攪拌針掃過體積與攪拌針靜態(tài)體積間的差值,改善軟化材料沿攪拌針側(cè)面環(huán)向流動的路徑。2.3.6和自動伸縮式針根據(jù)針的收縮方式,可伸縮式攪拌針可分為兩種:手動可伸縮式攪拌針(圖13)和自動伸縮式攪拌針(圖14)。手動式伸縮攪拌針可以通過調(diào)節(jié)針長來焊接不同厚度的材料和實現(xiàn)變厚度板材間的連接。自動伸縮式攪拌針不僅具有手動伸縮攪拌針的功能,還可在焊接即將結(jié)束時將攪拌針逐漸縮回到軸肩內(nèi),從而避免形成匙孔缺陷。2.4攪拌頭磨損特性對于低熔點低硬度材料的攪拌摩擦焊而言,攪拌頭不要求太高強度就可以滿足焊接要求,攪拌頭磨損很小,然而對于高熔點高硬度的材料來說,在確定攪拌頭材料和形狀尺寸后,其抗磨損破壞性能決定著焊接過程能否持續(xù)進行,能否得到合格可靠焊縫。目前,國內(nèi)外對這方面的研究較少。攪拌摩擦焊工藝參數(shù)(焊接速度,旋轉(zhuǎn)速度)對攪拌頭磨損情況和磨損機理有很大影響。焊接速度對攪拌針的徑向磨損有決定性的影響。焊接速度越低,磨損率越高,最大磨損率出現(xiàn)在焊接開始時。在Al、Mg等低熔點材料的攪拌摩擦焊時,攪拌頭的磨損很小,但在焊接鋁基復合材料時,由于出現(xiàn)的高硬度的第二相顆粒會導致攪拌頭較嚴重的磨損。文獻探討了復合材料攪拌摩擦焊時攪拌頭的磨損狀況和磨損機理。Fernandez等研究了鑄造鋁359含20%SiC的金屬聚合物攪拌摩擦焊攪拌頭磨損情況,結(jié)果表明,在高旋轉(zhuǎn)速度和低焊接速度下,攪拌頭磨損非常明顯。他們的研究還指出,在旋轉(zhuǎn)速度減小和焊接速度提高的情況下,攪拌頭的磨損開始下降。Liua等研究了AC4A+30%SiCp復合材料攪拌摩擦焊WC-Co的磨損特性,實驗結(jié)果表明,雖然軸肩尺寸和攪拌針長度的改變很小,但是攪拌頭的磨損是可評估的。在攪拌針不同的位置其徑向磨損是不同的,最大磨損出現(xiàn)在根部以上三分之一的位置。焊接速度對攪拌針徑向磨損具有決定性的影響,最大磨損率出現(xiàn)在開始焊接時。Nelson等人對PCBN攪拌頭的磨損和破壞形式進行了深入細致的研究,結(jié)果表明,攪拌頭設(shè)計、焊接工藝參數(shù)、PCBN品級都會對攪拌頭的磨損及破壞造成影響,PCBN攪拌頭與被焊材料之間可發(fā)生粘著磨損、化學磨損及機械磨損。他們還指出,攪拌頭由于磨損而發(fā)生破損時,最終會造成脆性斷裂。Liu等人采用純鎢及W-25Re作為攪拌頭材料對L80鋼施行了攪拌摩擦焊,并對二者的磨損行為進行了對比研究。結(jié)果表明,在焊接過程中,純鎢攪拌頭的磨損較為嚴重,而W-25Re攪拌頭的磨損較小。3低成本高性能攪拌頭新產(chǎn)品研發(fā)通過分析國內(nèi)外攪拌摩擦焊用攪拌頭的研究現(xiàn)狀,不難看出,未來攪拌頭研究的發(fā)展趨勢,主要集中在以下幾方面:(1)鋼材、鈦合金以及鋯合金等高熔點材料攪拌摩擦焊用低成本高性能攪拌頭新材料和制造技術(shù)研發(fā)。(2)軸肩和攪拌針形貌和幾何尺寸的設(shè)計,特別是自動變軸肩尺寸且可自動伸縮式攪拌頭設(shè)計技術(shù)的改進與優(yōu)化。(3)高熔點材料攪拌摩擦焊過程中攪拌頭抗摩擦磨損性能等的深入研究。4發(fā)展高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)新型攪拌頭的不斷成功開發(fā)不僅有效促進了攪拌摩擦焊技術(shù)在焊接更大板厚和