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机械技术

搅拌摩擦焊技术虽然先进,但不是所有的地方都适用

时间:2016-09-18 22:21:08  作者:未知  来源:网络文摘  浏览:10  评论:0
搅拌摩擦焊原理

    搅拌摩擦焊方法与常规摩擦焊一样。搅拌摩擦焊也是利用摩擦热与塑性变形热作为焊接热源。不同之处在于搅拌摩擦焊焊接过程是由一个圆柱体或其他形状(如带螺纹圆柱体)的搅拌针(welding pin)伸入工件的接缝处,通过焊头的高速旋转,使其与焊接工件材料摩擦,从而使连接部位的材料温度升高软化。同时对材料进行搅拌摩擦来完成焊接的。焊接过程如图所示。在焊接过程中工件要刚性固定在背垫上,焊头边高速旋转,边沿工件的接缝与工件相对移动。焊头的突出段伸进材料内部进行摩擦和搅拌,焊头的肩部与工件表面摩擦生热,并用于防止塑性状态材料的溢出,同时可以起到清除表面氧化膜的作用。

搅拌摩擦焊技术虽然先进,但不是所有的地方都适用

    在焊接过程中,搅拌针在旋转的同时伸入工件的接缝中,旋转搅拌头(主要是轴肩)与工件之间的摩擦热,使焊头前面的材料发生强烈塑性变形,然后随着焊头的移动,高度塑性变形的材料逐渐沉积在搅拌头的背后,从而形成搅拌摩擦焊焊缝。搅拌摩擦焊对设备的要求并不高,最基本的要求是焊头的旋转运动和工件的相对运动,即使一台铣床也可简单地达到小型平板对接焊的要求。但焊接设备及夹具的刚性是极端重要的。搅拌头一般采用工具钢制成,焊头的长度一般比要求焊接的深度稍短。应该指出,搅拌摩擦焊缝结束时在终端留下个匙孔。通常这个匙孔可以切除掉,也可以用其它焊接方法封焊住。针对匙孔问题,已有伸缩式搅拌头研发成功,焊后不会留下焊接匙孔。

搅拌摩擦焊接头微观组织

    基于焊缝组织晶粒和析出强化相的微观结构特点,可以把搅拌摩擦焊焊缝分为4个明显的区域:焊核区(Stirred或Nugget Zone)、热力影响区(Thermo-Mechanically Affected Zone,TMAZ)、热影响区(Heat-Affected Zone,HAZ)以及母材(Base或Parent material)。

搅拌摩擦焊技术虽然先进,但不是所有的地方都适用

    焊核区材料经受的严重变形和摩擦热,由晶粒尺寸为1-15μm不等的细小等轴再结晶组织组成。再结晶组织的内部为低密度的位错,但也有发现再结晶组织的内部却有高密度的亚晶界、亚晶和位错。在铝合金和其他有些的合金中焊核区可以观察到类似“洋葱环”结构。 

    在母材和焊核区之间是搅拌摩擦焊特有的热力影响区。热力影响区的特征是存在高度变形的结构。焊核区周围母材晶粒被拉长变形,尽管热力影响区也经历了塑性变形,却由于没有足够大的应力,不发生再结晶。在热力影响区也有强化相的溶解、粗化,这取决与热力影响区经历的热循环强度。热力影响区晶粒通常由高密度的亚晶界组成。

    热影响区只受热的影响,保持与母材相同晶粒结构,但是受温度的影响,晶粒的尺寸有明显的长大和强化相的粗化,热影响区所经历的温度对其所包含的亚晶影响较小。

搅拌摩擦焊技术虽然先进,但不是所有的地方都适用

搅拌摩擦焊的优缺点

    由于搅拌摩擦焊过程中热输入相对于熔焊过程较小,接头部位不存在金属的熔化,是一种固态焊接过程,在合金中保持母材的冶金性能,可以焊接金属基复合材料、快速凝固材料等采用熔焊会有不良反应的材料。

    其主要优点如下:

(1)焊接接头热影响区显微组织变化小.残余应力比较低,焊接工件不易变形。

(2)能一次完成较长焊缝、大截面、不同位置的焊接接头高。

(3)操作过程方便实现机械化、自动化,设备简单,能耗低,功效高,对作业环境要求低。

(4)无需添加焊丝,焊铝合金时不需焊前除氧化膜,不需要保护气体,成本低。

(5)可焊热裂纹敏感的材料,适合异种材料焊接。

(6)焊接过程安全、无污染、无烟尘、无辐射等。

搅拌摩擦焊也存在一定的缺点:

    焊接工件必须刚性固定,反面应有底板;焊接结束搅拌探头提出工件时,焊缝端头形成一个键孔,并且难以对焊缝进行修补:工具设计、过程参数和机械性能数据只在有限的合金范围内可得:在某种情况下,如特殊领域中要考虑腐蚀性能、残余应力和变形时,性能需进一步提高才可实际应用;对板材进行单道连接时,焊速不是很高:搅拌头的磨损消耗太快等。

搅拌摩擦焊的应用

    搅拌摩擦焊主要是用在熔化温度较低的有色金属,如Al、cu等合金。这和搅拌头的材料选择及搅拌头的工作寿命有关。当然,这也和有色金属熔化焊接相对困难有关,迫使人们在有色金属焊接时寻找非熔化的焊接方法。对于延性好、容易发生塑性变形的黑色材料,经辅助加热或利用其超塑性,也有可能实现搅拌摩擦焊,但这就要看熔化焊和搅拌摩擦焊哪个技术经济指标更合理来决定。

搅拌摩擦焊技术虽然先进,但不是所有的地方都适用

    搅拌摩擦焊在有色金属的连接中已获得成功的应用,但由于焊接方法特点的限制,仅限于结构简单的构件,如平直的结构或圆筒形结构的焊接,而且在焊接过程中工件要有良好的支撑或村垫。原则上,搅拌摩擦焊可进行多种位置焊接,如平焊,立焊,仰焊和俯焊;可完成多种形式的焊接接头,如对接、角接和搭接接头,甚至厚度变化的结构和多层材料的连接,也可进行异种金属材料的焊接。

15mm厚,X80钢管道搅拌摩擦焊

    另外,搅拌摩擦焊作为一种固相焊接方法,焊接前及焊接过程中对环境的污染小。焊前工件无需严格的表面清理准备要求,焊接过程中的摩擦和搅拌可以去除焊件表面的氧化膜,焊接过程中也无烟尘和飞溅.同时噪声低。由于搅拌摩擦焊仅仅是靠焊头旋转并移动,逐步实现整条焊缝的焊接,所以比熔化焊甚至常规摩擦焊更节省能源。


标签:搅拌摩擦焊 

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