電子束與摩擦焊

1、第二講 電子束焊接 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)。 (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?子束流，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

2、工工 藝。 (6)合軸系統(tǒng) 得到滿意的電子束斑點。 2.2 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，工件材料表面溫度可達(dá)到 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(kuò)散，形成窄而深 的加熱模式。 基本結(jié)論：提高電子束的功率密度 可以增加穿透深度。 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，使焊件表 面材料熔化并伴隨著液態(tài)金屬的蒸發(fā)，材料表面 蒸發(fā)走的原子的反沖力使焊縫金屬表面壓凹

3、，隨 著電子束功率密度進(jìn)一步加大，金屬蒸汽量增多， 3.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 (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(hù)，真空 獲得所消耗的成本遠(yuǎn)低于消耗氬氣的成本。 (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留精加工余量。 不同焊接方法的熱影響區(qū)寬度 不同焊接方法焊縫晶粒尺寸的比較(6Al-6V- 25N) 不同焊

4、接方法的橫向收縮量 (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(jì)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。 All metallic materials can be melted using a focused electron b

5、eam and, in consequence, most pure 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 C

6、ast irons :EB welding is not recommended as a joining process for cast irons。 EBW 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 materials

7、 EBW Problems and Discontinuities Undercutting（咬邊） Porosity Cracking Underfill Lack of fusion Shrinkage voids Missed joints 4.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。 (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

8、 避免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) (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(hù)。 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、 800 2)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 7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。

9、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)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 焊件表面至電子槍的距離盡可能短。 (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(jìn)行焊接。 4）焊前預(yù)熱或預(yù)置坡口

10、 減少熱量沿焊縫橫向的熱傳導(dǎo)損失，利于增加熔 深。 8.電子束焊接技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展前景 (1)國外 1)大功率電子槍的開發(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(dá)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)大功率表面處理技術(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、表 面強化等功能 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、

11、 德開展研究非真空電子束焊接設(shè)備。 (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，高壓大部分進(jìn)口。 北京航空工藝研究所1992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)中將有較大的發(fā)展 2)航空航天工業(yè)中，將繼續(xù)擴(kuò)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 9.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

12、孔 束的入射角變化范圍打，最大傾角可達(dá)70度 典型產(chǎn)品 玻璃纖維整流罩 離心分離器管，50000個 衛(wèi)星燃料系統(tǒng)中多孔鈦板，20106個/m2 (2)表面改性 1)表面淬火 相變溫度以上 2)表面回火/退火 3)表面重熔 熔化溫度以上 4)表面合金化 5)表面涂層 (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 第三講 摩 擦 焊 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， 并達(dá)到熱塑性狀

13、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(kuò)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。 （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(yuǎn)大于熔焊、釬焊的強度，達(dá)到母材的強 度； 2) 效率高。 對焊件準(zhǔn)備

14、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； 3) 節(jié)能、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(hù)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)。 (6)徑向摩擦焊 徑向摩擦焊由于其引入中間旋轉(zhuǎn)加壓

15、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。 3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 到了迅速的發(fā)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

16、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。 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)發(fā)展史上 自發(fā)明到工業(yè)應(yīng)用時間跨度最短和發(fā)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 北京賽福斯特技術(shù)有限公司（中國攪拌摩擦焊 中心）相關(guān)技術(shù)人員采用自主研制

17、的攪拌摩擦 焊設(shè)備成功實現(xiàn)了3mm的紫銅板對接（如圖1 所示） 采用攪拌摩擦焊技術(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. 攪拌摩擦焊發(fā)明初期主要解決厚度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，

18、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)。 攪拌摩擦焊為固相連接方法，采用該方法實現(xiàn) 銅連接避免了熔焊方法的諸多缺陷和不足。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，焊接成本低. 圖 攪拌摩擦焊焊接黃銅板全貌 金屬在焊接過程中不熔化

19、，熱輸入量??；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)表明焊接接頭的抗拉 強度達(dá)到了母材的91，試樣延伸率達(dá)到了25 ，接頭組織晶粒細(xì)化、均勻而致密，消除了母 材的鑄造缺陷。 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

20、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。 不銹鋼的攪拌摩擦焊接接頭及金相 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。 5 攪拌摩擦焊原理 (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)的攪拌針接觸工件表面時,與工件表面的 快

21、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 工件表面為止，由旋轉(zhuǎn) 軸肩和攪拌針產(chǎn)生的摩 擦熱在軸肩下面和攪拌 指頭周圍形成大量的塑 化層。 (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, 攪拌針的前表面把塑化的材料移送到攪拌針后表面。 (4)在攪拌針沿著接縫前進(jìn)時,攪拌頭前部的對接接頭表 面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 組攪拌針后方的磨碎材 料。攪拌針后方的材料 冷卻后就形成焊縫，可 見此焊縫是在熱機聯(lián) 合作用

22、下形成的固態(tài)焊 縫。 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）攪拌頭與工件表面接觸 的肩臺部分； 攪拌針（Tool Pin）攪拌頭插入工件的部分； 前進(jìn)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 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(jìn)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

23、h.角接 幾種攪拌摩擦焊的接頭形式 攪拌摩擦焊焊縫組織分區(qū) A區(qū)為母材區(qū)(basicmetal,簡稱BM) B區(qū)為熱影響區(qū)(heataffectedzone,簡稱HAZ） C區(qū)為熱力影響區(qū)(thermomechanicallyaffectedzone, 簡稱TMAZ) D區(qū)為焊核(dynamicallyrecrystallizedzone,簡稱DXZ) 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(xì)的經(jīng)動態(tài)再結(jié) 晶的等軸

24、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表明,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,強度接近于基體材料 的強度. 組織分區(qū)分析組織分區(qū)分析： (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對比，從圖 中可觀察到焊核區(qū)微觀組織是無方向性的、細(xì)小 的等軸晶粒，母材區(qū)為粗大的樹枝狀鑄造組織 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(yuǎn)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

25、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。 為獲得最佳的性能，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(jìn)行熱處理。 焊縫質(zhì)量焊縫質(zhì)量 攪拌摩擦焊是在剛性固定下焊接的，熱源來自 焊口表面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 橫向和縱向殘余應(yīng)力及變形都大大減少。從焊縫 形成來看，基本上成矩形，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

26、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，也減少了焊后的殘余應(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)力攪拌摩擦焊的焊接變形與應(yīng)力 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 壓緊力 攪拌頭的發(fā)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)成本和效率。攪拌頭的主要 功能如下： 加熱和軟化被焊接材料（工件材料）； 破碎和彌散接頭表面的氧化層； 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；

27、使轉(zhuǎn)移后的熱塑化的材料形成固相接頭。 攪拌頭的發(fā)展攪拌頭的發(fā)展 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，在攪拌摩擦焊發(fā) 展初期，TWITWI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)的發(fā)展，針對不同的 焊接材料和結(jié)構(gòu)，目前已有系列化的攪拌頭。 英國焊接研究所研制的 Whorl TMWhorl TM和 MX MX TrifluteTriflute TM 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。 TWI開發(fā)的開發(fā)的MX Triflute TM（左）和（左）和Skem-St

28、ir TM（右）攪拌頭（右）攪拌頭 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背面成形有關(guān)，攪拌焊針過 短，背面焊不透；攪拌針過長，則背面易過熱，導(dǎo)致成 形較差。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。 攪拌針攪拌針 6.典型材料的攪拌

29、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。 25 mm 厚的厚的7A52 鋁合金軋制板焊接速度鋁合金軋制板焊接速度v = 40mm/min , 攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度攪拌頭旋轉(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 7A52焊縫的顯微硬度分布（攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為1500r/ min、焊接速度為40mm/min） 7. 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、

30、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

31、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。 (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、

32、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。 挪威挪威Hydro Marine Aluminium采用攪拌摩擦焊采用攪拌摩擦焊 技術(shù)制造船用寬幅鋁合金型材技術(shù)制造船用寬幅鋁合金型材 (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。 波音公司首先在加州的Huntin

33、gtonBeach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。 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 I

34、I火箭，1200m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的成本，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。 波音公司阿拉巴馬州的工廠波音公司阿拉巴馬州的工廠 采用攪拌摩擦焊連接的采用攪拌摩擦焊連接的Delta II型火箭燃料貯箱截面型火箭燃料貯箱截面 采用攪拌摩擦焊連接的DeltaII型火箭航

35、天燃料貯箱 采用攪拌摩擦焊連接的采用攪拌摩擦焊連接的Delta IV型火箭航天燃料貯箱型火箭航天燃料貯箱 歐洲Fokker Space公司采用FSW制造 Ariane 5發(fā)動機主承力框 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計劃，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(jìn) 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)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)約了制造成本并且減輕了機身 重量。 Eclipse 500型商用噴氣客機的攪拌摩擦焊焊接構(gòu)件之一型商用噴氣客機的攪拌摩擦焊焊接構(gòu)件之一 (

36、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(dá)285 km/h。 左：日本住友輕金屬公司左：日本住友輕金屬公司FSW生產(chǎn)的新干線列車壁板；右：生產(chǎn)的新干線列車壁板；右： 法國阿爾斯通法國阿爾斯通FSW制造的列車車頂制造的列車車頂 (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、高強度化的發(fā)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

37、 接頭形式都在設(shè)法改進(jìn)。攪拌摩擦焊技術(shù)的發(fā)明恰好滿 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 良好的載荷傳遞性能并減輕重量。 美國Tower汽車公司采用攪拌摩擦焊制造汽車用懸 掛連接臂，取得了很大經(jīng)濟(jì)效益。攪拌摩擦焊。另外， 該公司還將攪拌摩擦焊技術(shù)用于縫合不等厚板坯料 (Tailored welded blanks)的制造；采用縫合坯料， 在優(yōu)化結(jié)構(gòu)強度和剛度設(shè)計的同時，既大大減少了汽車 制造中模具的數(shù)量，又縮短了工藝流程。 目前攪拌摩擦焊在汽車制造工業(yè)中的應(yīng)用主要為：發(fā)動機引擎和

38、汽車底盤車身支 架； 汽車輪轂；液壓成型管附件；汽車車門預(yù)成型件；轎車車體空間框架；卡車車體； 載貨車的尾部升降平臺汽車起重器；汽車燃料箱；旅行車車體；公共汽車和機場運 輸車；摩托車和自行車框架；逃生交通工具；鋁合金汽車修理；鎂合金和鋁合金的 連接。 攪拌摩擦點焊(FSSW)的研究與技術(shù)開發(fā)是汽車制造工業(yè)中的一個新熱點。 2.4 攪拌摩擦焊設(shè)備的發(fā)展及工藝過程的 數(shù)值模擬與參數(shù)控制的自動化 早期的攪拌摩擦焊設(shè)備是利用傳統(tǒng)銑床改裝而成。隨著攪拌摩擦焊技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的日益擴(kuò)大，以及被焊 接材料厚度的增加和被焊接零件焊縫形式的復(fù)雜多樣化，普通銑床的剛性以及操作控制都難以滿足對攪拌 摩擦焊更高的技術(shù)需求

39、，攪拌摩擦焊設(shè)備逐漸從試驗型設(shè)備向商用專機化方向發(fā)展。 采用數(shù)值模擬方法，對攪拌摩擦焊工藝過程與接頭形 成和質(zhì)量進(jìn)行建模描述及預(yù)測，正在各國學(xué)術(shù)界掀起熱潮， 主要研究工作內(nèi)容包括有： 1) 攪拌頭與工件摩擦產(chǎn)熱模型； 2) 攪拌摩擦焊熱過程模擬及預(yù)測； 3) 焊縫形成與熱塑金屬的遷移； 4) 諸多工藝參數(shù)的耦合效應(yīng)； 5) 焊縫中缺陷形成的機制； 6) 攪拌摩擦焊引發(fā)的殘余應(yīng)力與變形。 數(shù)值模擬及預(yù)測中的關(guān)鍵是正確地描述物理現(xiàn)象：即 在建立有效物理模型（實驗）的基礎(chǔ)上，才能運用數(shù)學(xué)建模 和有限元方法進(jìn)行分析，獲得反映實際的結(jié)果，用以指導(dǎo)實 踐。更重要的是用物理實驗對數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行驗證，二者 相輔相成。 只有正確的模擬及預(yù)測才能有工程實用價值， 避免反復(fù)實驗。 圖所示為一組典型的攪拌摩擦焊過程主要工藝參數(shù) 實時檢測記錄曲線。 被焊材料為厚6mm低合金鋼，