攪拌摩擦焊技術(shù)的發(fā)展

攪拌摩擦焊技術(shù)的發(fā)展

1fsw技術(shù)的應(yīng)用攪拌摩擦焊接（fsw）是英國焊接研究所（twi）于1991年開發(fā)的一種新技術(shù)。由于攪拌摩擦焊是固相連接,熱輸入量低,與傳統(tǒng)的熔焊相比,其接頭力學(xué)性能優(yōu)異,具有優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、焊接變形小、無污染等特點。已成功應(yīng)用于鋁、鎂、銅、鋅、鉛、不銹鋼、低碳鋼和鋁基復(fù)合材料的攪拌摩擦焊連接,尤其是鋁合金的攪拌摩擦焊接已經(jīng)成功應(yīng)用于工程生產(chǎn)中。在航空航天領(lǐng)域FSW技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用,波音公司與英國焊接研究所合作,成功的利用FSW技術(shù)解決了工程中的連接問題,在1999年成功發(fā)射的DeltaII火箭上和2001年發(fā)射的“火星探索號”運載火箭上得到了應(yīng)用。在造船和軌道交通工業(yè),歐洲、澳大利亞、美國、日本等國的很多造船公司都在積極地采用鋁合金結(jié)構(gòu)取代原來的鋼結(jié)構(gòu)[10-11]。攪拌頭的設(shè)計是FSW技術(shù)的關(guān)鍵,它的設(shè)計是否合理直接影響著摩擦熱源的產(chǎn)生、塑性金屬的流動,決定了攪拌摩擦焊接頭的機械性能,對于攪拌摩擦焊能否在更大范圍內(nèi)的應(yīng)用有著決定性的影響作用。早在FSW發(fā)明初期,研究人員就認(rèn)識到攪拌頭設(shè)計的重要性,一些科研機構(gòu)和企業(yè)與TWI合作對攪拌頭的設(shè)計進(jìn)行研究,已開發(fā)了針對焊接不同材料和結(jié)構(gòu)的攪拌頭。本文主要將攪拌頭的研究現(xiàn)狀作一下介紹。2偏冷劑的研制攪拌頭的外形除了常見的圓柱形外,TWI還開發(fā)了多種外形的攪拌頭,包括截錐形、非圓截面、錐形螺紋和螺旋形等。最早使用的攪拌頭是5651系列,這是TWI早期的研究結(jié)果,5651系列主要是為焊接板厚為1.2～12mm的鋁合金所研制的。隨著攪拌摩擦焊技術(shù)的發(fā)展,目前針對不同的焊接材料和結(jié)構(gòu),已經(jīng)開發(fā)出系列化的商業(yè)攪拌頭。TWI研制了Skew-stirTM、WhorlTM、MXTrifluteTM、TrivexTM和MXTrivexTM等系列的攪拌頭,NASA研制了可伸縮式的攪拌頭,這些系列的攪拌頭可針對不同情況下的攪拌摩擦焊接。其中MXTrivexTM系列攪拌頭單道可實現(xiàn)厚度為6～50mm的鋁合金板材的攪拌摩擦焊接,雙面焊可以實現(xiàn)75mm板材的攪拌摩擦焊接。圖1示出了WhorlTM攪拌頭焊接75mm厚的6086-T6鋁合金橫截面圖。當(dāng)進(jìn)行單面焊時,它可以焊接板厚為25～40mm的鋁合金;雙面焊時可以焊接板厚為40～75mm的鋁合金。3攪拌頭材料優(yōu)化由于攪拌摩擦焊接所需要的熱源主要來源于攪拌頭和工件材料的摩擦熱,所以攪拌頭要有良好的耐高溫靜態(tài)和動態(tài)力學(xué)性能以及其他物理特性的抗磨材料制成。常用的攪拌頭材料有馬氏體不銹鋼SUS440C、S45C中碳鋼、高碳鋼、工具鋼等。相對于其他材料,工程陶瓷氧化鋯作為攪拌頭材料最好,它比普通攪拌頭多產(chǎn)熱30%～70%。高速度的熱輸入意味著有高的焊接速度,因而有高的生產(chǎn)效率。A.P.Reynolds在焊接2195-T8鋁鋰合金時選用H13工具鋼作為攪拌頭材料,而且攪拌頭表面還有TiN滲層以增加耐磨性。曹朝霞在使用45#鋼制作的攪拌頭焊接L2Y2工業(yè)純鋁發(fā)現(xiàn):攪拌針與軸肩過渡處易沾鋁,焊縫表面光潔度較低;當(dāng)采用表面經(jīng)滲碳處理的45#鋼攪拌頭焊接時,由于攪拌頭的表面硬度和耐磨性有所提高,可克服攪拌針表面沾鋁的現(xiàn)象,得到表面光潔明亮的焊縫。TWI選用合適的材料制作的MXTrifluteTM攪拌頭可在6mm厚的鋁合金擠壓型材上連續(xù)焊接上千米的焊縫而不用更換攪拌頭。值得注意的是不同材料的攪拌頭對攪拌摩擦焊接的質(zhì)量有很大影響。根據(jù)HashimotoT等人的研究在相同的焊接參數(shù)下,不同材質(zhì)的攪拌頭對熱輸入的影響可以通過熱力影響區(qū)的顯微組織看出。薛朝改在對攪拌頭材料進(jìn)行優(yōu)化時發(fā)現(xiàn):采用1Cr18Ni9Ti制成的攪拌頭焊接純鋁時,焊后焊縫的表面成形很好,內(nèi)部晶粒較細(xì);采用3Cr2W8V材料在焊接過程中攪拌頭會發(fā)黑,攪拌頭在旋轉(zhuǎn)過程中粘鋁,表面成形不好,說明該材料與鋁摩擦產(chǎn)熱量高;采用GCr15制成的攪拌頭焊縫表面成形一般。在焊接純銅時,采用1Cr18Ni9Ti制成的攪拌頭焊后銅板表面發(fā)黑,表面成形不好;而采用3Cr2W8V材料的攪拌頭在焊接過程中金屬變色不嚴(yán)重,表面成形也好,但是焊縫底部有小孔洞,熱力影響區(qū)寬;Ni基高溫合金制成的攪拌頭在焊接過程中未變色,表面成形好,內(nèi)部無缺陷,焊后晶粒比較小,熱力影響區(qū)較窄;所以在純銅攪拌摩擦焊接時攪拌頭優(yōu)化的材料選用Ni基高溫合金。4攪拌針的長度攪拌頭是攪拌摩擦焊所采用的一種非消耗的可轉(zhuǎn)動的焊接工具。在焊接過程中,攪拌頭具有與其周圍材料摩擦產(chǎn)熱、破碎工件表面氧化層、轉(zhuǎn)移塑性流變材料等作用。因而,攪拌頭是攪拌摩擦焊技術(shù)的核心,其結(jié)構(gòu)設(shè)計決定了整個焊接過程的各個工藝參數(shù)和焊縫質(zhì)量。攪拌頭的尺寸決定焊縫尺寸、焊接速度及工具強度;攪拌頭的材料決定摩擦加熱速率、工具強度及工作溫度,并決定什么樣的材料可以采用FSW焊接。對于平板對接焊縫,圓柱狀攪拌針的長度與待焊工件厚度相當(dāng),攪拌針的直徑一般為待焊工件厚度的0.9～1.1倍,軸肩直徑為攪拌針直徑的3倍。對攪拌摩擦焊來說,攪拌針旋轉(zhuǎn)時所轉(zhuǎn)移材料的體積和攪拌針自身體積的比值是十分重要的參數(shù),這個比值對于提高塑化的材料的流動性非常重要,這個比值越大越好。一般對于傳統(tǒng)圓柱形攪拌頭來說,這個比值是1.1:1,WhorlTM形式的攪拌頭是1.8:1,MXTrifluteTM形式的攪拌頭是2.6:1(當(dāng)焊接25mm厚的鋁合金板時)。所以在保證攪拌針的性能不受影響的前提下,應(yīng)使攪拌針頂端直徑盡量的小,這樣可以使截錐狀的攪拌針比圓柱形的攪拌針更容易穿越塑化的材料和減少攪拌頭自身的體積。4.1攪拌頭的軸線和機器主軸的高效Skew-stirTM攪拌頭是TWI開發(fā)的一種非對稱攪拌頭,如圖2。在裝卡時攪拌頭的軸線和機器主軸有一個1°～3°的斜交角,但攪拌頭的軸肩端面和機器主軸保持垂直。由于斜交角的存在,使得攪拌頭在旋轉(zhuǎn)過程中攪拌針轉(zhuǎn)移材料的體積要大于攪拌針自身的體積,達(dá)到和MXTrifluteTM攪拌頭一樣的效果。攪拌頭的軸線和機器主軸的交點位置影響著軸肩和攪拌針運動軌跡的幅值。當(dāng)交點位于軸肩端面的上方或下方時,隨著斜交角的增大以及交點與軸肩端面之間距離的增大,軸肩和攪拌針的運動軌跡幅值增大,產(chǎn)生更大的熱影響區(qū)和焊核區(qū)。由于斜交角的存在,使得攪拌針在旋轉(zhuǎn)過程中只有一部分表面參與和工件材料的摩擦、攪拌,因此將攪拌針不參與工作的部分材料切除,從而形成了不對稱的攪拌針,這樣有利于促進(jìn)塑化金屬的流動。4.2等間距標(biāo)準(zhǔn)的螺紋焊接技術(shù)WhorlTM攪拌頭是在截錐狀的攪拌針表面設(shè)置了和主軸旋轉(zhuǎn)方向相反的螺紋。在攪拌針旋轉(zhuǎn)過程中,均勻向下的鉆采力就是由這些螺紋的下表面提供的,使得攪拌針在焊接開始階段更容易壓入工件內(nèi);而且螺紋的設(shè)置促進(jìn)了塑化金屬在垂直方向上的流動。圖3顯示了WhorlTM系列攪拌頭的形狀。WhorlTM攪拌頭上面的螺紋不再是簡單的外螺紋,它們之間的螺距也不必是等螺距的。在焊接過程中,為了確保塑化材料有較好的流動性,螺紋之間的間距應(yīng)大于螺紋本身的寬度。當(dāng)焊接不同的材料時,螺紋的傾角是不同的,通過改變傾角,可以調(diào)整攪拌的劇烈程度和控制材料向下運動的幅度,這就要求根據(jù)所焊接的材料來設(shè)計和制造螺紋,這樣才能取得良好的焊接效果。WhorlTM攪拌頭攪拌針的橫截面有圓形、雙凹面和三凹面等,通過這樣的設(shè)計,攪拌針自身的體積要小于旋轉(zhuǎn)過程中轉(zhuǎn)移掃過材料的體積。MustafaBoz研究了攪拌頭螺距對攪拌摩擦焊接頭力學(xué)性能的影響。他采用了在圓柱狀的攪拌針表面加工等間距標(biāo)準(zhǔn)螺紋的攪拌頭焊接5mm厚的1080鋁合金薄板。試驗結(jié)果表明螺距為1.40mm和2.0mm的攪拌頭工作時與其說是攪拌頭不如說是鉆頭,它迫使塑化金屬向上積聚在攪拌頭軸肩處,使焊接過程不能順利進(jìn)行影響了焊接質(zhì)量。螺距為0.85mm和1.10mm的圓柱狀攪拌頭在焊接時能取得最佳焊接效果,焊接試樣在拉伸試驗時均在母材處斷裂,接頭強度達(dá)到或超過了母材強度。4.3在攪拌針上的應(yīng)用MXTrifluteTM是TWI為其開發(fā)的多螺旋線攪拌頭注冊的商標(biāo)。這種攪拌頭的表面有奇數(shù)個帶有陡峭角度的凹槽,凹槽的表面環(huán)繞著粗糙螺旋線,如圖4所示。為了使攪拌頭能提供更大的向下的鉆采力和提高攪拌針的抗彎強度,TWI的研究人員在攪拌針上增開了螺旋狀的凹槽,開槽的數(shù)目最好是奇數(shù)(一般為三個)。這些螺旋狀的凹槽配合攪拌針表面粗糙的螺紋能進(jìn)一步減小攪拌頭的體積,另一方面可以破碎和分散工件結(jié)合面處的氧化膜,提高接頭的強度。另外,攪拌針上螺旋狀的凹槽和螺紋可增加攪拌頭的表面積,這樣就可增加攪拌頭和塑化金屬的接觸面積,有利于產(chǎn)生更多的摩擦熱量。減少攪拌針體積和改變其設(shè)計形式均可顯著改善焊縫的機械性能。MXTrifluteTM攪拌頭的攪拌針也被設(shè)計成截錐狀,這樣相對于具有同樣根部直徑的圓柱形攪拌頭,這種形式的攪拌頭可以有效的減少材料的切削轉(zhuǎn)移量。帶三溝槽的MXTrifluteTM攪拌頭切削轉(zhuǎn)移的材料只有圓柱形攪拌頭的70%,而WhorlTM形式的攪拌頭切削轉(zhuǎn)移的材料量也僅僅是圓柱形攪拌頭的60%。4.4攪拌針形狀對塑性金屬流動的影響TrivexTM和MXTrivexTM是TWI研究人員開發(fā)的一種新型的攪拌頭,如圖5。這種攪拌頭和MXTrifluteTM攪拌頭最大的不同之處就是TrivexTM攪拌頭表面不是凹槽而是凸面。文獻(xiàn)采用了流體力學(xué)計算的方法對攪拌針工作時塑性金屬在攪拌針周圍的流動情況進(jìn)行了研究,并針對攪拌針的形狀對金屬塑性流動的影響進(jìn)行了深入研究,對攪拌針的形狀進(jìn)行了優(yōu)化。研究結(jié)果表明,采用外凸?fàn)畹臄嚢栳樐茉黾訑嚢栳樀臄嚢枇?攪拌程度越大,攪拌針向前移動所受到的阻力越小;凸面有利于塑性金屬從攪拌針表面滑動,從而避免了金屬尤其是在前進(jìn)側(cè)的金屬被剪切,減小了焊接方向的阻力。攪拌針的橫截面積和攪拌針掃過的面積的比值R的大小在很大程度上影響了攪拌針在焊接方向受到的阻力,當(dāng)R=0.7～0.8時,阻力最小。實驗表明,采用TrivexTM攪拌頭和MXTrifluteTM攪拌頭相比,在焊接方向所受的阻力可減少18%～25%,所需施加的軸肩壓力可減少大約12%,接頭的拉伸強度和MXTrifluteTM相當(dāng)并有所提高。在促進(jìn)焊縫附近金屬的流動混合方面,MXTrivexTM攪拌頭要比MXTrifluteTM攪拌頭更能促進(jìn)塑性金屬的流動,而且不帶螺紋的TrivexTM攪拌頭也能有效的攪拌混合塑性金屬。TrivexTM攪拌頭顯示了更大的優(yōu)越性,在外形加工上TrivexTM攪拌頭要比帶螺紋的MXTrivexTM和MXTrifluteTM攪拌頭能容易加工,而且表面螺紋減小了攪拌頭的強度和抗疲勞性,因為螺紋本身就是裂紋的起始源。4.5“匙孔”攪拌頭的研制根據(jù)攪拌針的收縮方式,可伸縮式攪拌頭可分為手動調(diào)節(jié)式和自動調(diào)節(jié)可伸式縮攪拌頭。手動調(diào)節(jié)可伸縮式攪拌頭通過調(diào)節(jié)攪拌針的長度可焊接不同板厚的材料,但是其最大的缺點是只能焊接厚度不變的焊縫。采用普通攪拌頭焊接圓筒形零件,焊接結(jié)束時,會在焊件中留下一個“匙孔”。為了彌補這個缺陷,美國NASA馬歇爾航天飛行中心研制了一種由計算機控制的可收縮式的攪拌頭,有效避免了“匙孔”的出現(xiàn),如圖6。采用可伸縮式攪拌頭焊接,當(dāng)攪拌針穿過原來起始點時,通過緩慢向上收縮,縮進(jìn)攪拌頭的肩部,使殘留的“匙孔”填滿,形成完整的360°環(huán)形焊縫。使用該攪拌頭,在越來越小深度時重新焊接,起到“匙孔”閉合的作用,可用于焊接變截面工件過渡形接頭。MCE技術(shù)公司和MTS系統(tǒng)公司已經(jīng)將這種可伸縮式的攪拌頭應(yīng)用于攪拌摩擦焊機。GKSS研制了一種帶有兩級軸肩可伸縮攪拌針的攪拌頭,如圖7。第一級軸肩固定不動,第二級軸肩和攪拌針由一個液壓閥推動可以上下移動并高速旋轉(zhuǎn)。GKSS將這種系統(tǒng)應(yīng)用于機器人攪拌摩擦焊設(shè)備上,配合其他柔性操作系統(tǒng)在三維攪拌摩擦焊接上得到廣泛應(yīng)用,不過這種攪拌頭不能焊接變厚度的工件。5軸肩和塑化金屬表面耦合攪拌頭軸肩的設(shè)計對于攪拌摩擦焊接過程中熱源的輸入有著極為重要的作用。對于不同材料的焊接或者不同工況條件下的焊接,應(yīng)選用不同外形的軸肩,如圖8。新一代攪拌頭軸肩上有著設(shè)計精巧的型面,可以使軸肩和塑化的工件表面更緊密的耦合在一起,有效地增強了塑化金屬表面層的流動,同時提高了焊接時的閉合性,從而防止了塑化金屬在攪拌頭旋轉(zhuǎn)過程中被擠出和氧化,以保證焊接質(zhì)量和焊縫表面的平整度。在圖4和圖5所示的MXTrifluteTM和TrivexTM攪拌頭軸肩都采用了帶有同心閉合凹槽的軸肩。A.PReynolds在研究攪拌頭幾何形狀和焊接工藝參數(shù)對鋁合金攪拌摩擦焊接頭性能影響的試驗中,設(shè)計的攪拌頭軸肩端面為一傾斜7°的凹面,這個內(nèi)凹的軸肩可以有效地防止塑化金屬材料被擠出,避免焊接缺陷的產(chǎn)生。6實驗方法及模型的建立在焊接過程中,攪拌頭要承受非常大的負(fù)荷。攪拌頭由于交變載荷或過載會產(chǎn)生很大的應(yīng)力,當(dāng)應(yīng)力足夠大時,攪拌頭就有發(fā)生斷裂的危險。而且攪拌頭的形狀