铝合金搅拌摩擦焊工艺及性能的研究

摘 ! 要 !搅拌摩擦焊工艺 ! 简称 ? 是# 具有很多 优 点 $ 4D" $ 世纪 E $ 年代出现的一种固态塑化连接方法 # 本文主要讲述了搅拌摩擦焊的基本原理 % 优缺点以及目前华东船舶工业学院所进行的 搅 拌 摩 擦 焊 研 究 # 研究了工艺参数对焊缝成型和焊缝性能的影响 $ 试验表明当工艺参数选择最佳值时 # 焊缝成型较好# 表 面较光洁 % 美观 & 如果焊接工艺参数选择不当 # 将出现飞边和沟槽 $ 对于 F 当! ’ ? G 铝合金而言 # ! 为一定 值# 在一定的工艺范围内 # 焊缝的机械性能随着 ! 的增加而增加 # 当工艺参数取得最佳值时 # 接头的抗拉 强度可达到母材的 E $H 以上 $ 关键词 !搅拌摩擦焊 &基本原理 &工艺 中图分类号 ! I J % G CK @ E!!!!!!!! 文献标识码 !L
收稿日期 ! # $ $ C B$ A B# E
万方数据 作者简介 !季亚娟 ! # 女# 辽宁抚顺人 # 华东船舶工业学院硕士研究生 $ ! E X E B"
第 ! 期 !!!!!!!!!!!!! 季亚娟等 )铝合金搅拌摩擦焊工艺及性能的研究
A E
基本可实现板件的低应力无变形焊接 ! 与普通摩擦焊相比 " 可用于板结构的焊 ? 4 D 不受轴类零件的限制 " 接# 此外 " 这种方法对操作者的技能要求不高 " 极易实现高速 $ 自动化操作 !? 4 D 的应用也很广泛 " ID 9的 研究人员认为 " 造船与海洋工业 $ 铁路及汽车工业 $ 建筑业以及电器工业 ? 4 D 技术可以用于航空航天工业 $ 中 ! 因此 " 自? 已受到世界上主要工业化国家的重视 ! 各国研究工作者对其进行了大量的 4 D 问世以来 " 在美国加利弗尼亚召开了第一届 ? 研究 ! ! E E E 年A 月由 ID 9主办 $ 4 D 国际学术研讨会 " # $ $ $ 年X 月在丹 麦召开了第二届 ? 就铝及其合金的 ? 应用 $ 接头性能 $ 过程模拟 $ 显微 4 D 国际学术研讨会 " 4 D 焊接工艺 $ 组织和耐蚀性等问题进行了初步的讨论 ! 美国材料学会 # & 和% $ $ $ 年召开的 % L : ) ’ N + 0 # $ $ $ N + 0 : ) 3 + , /4 ’ , ( W & 和# & 学术会 议中 " 0 3 ’ * # $ $ $ $ $ !年! ! 月在9 * 7 3 + * + ’ , 3 /召开的 % N + 0 : ) 3 + , /4 ’ , ( 0 3 ’ * # $ $ ! ? 4 D 成为 其中一 项 5 重要的内容 ! & 国际会议 " 汽车中的轻型结构设计制造是其 # $ $ $ 年E 月在德国召开的 % N + 0 : ) 3 + , /D : : T# $ $ $ 重要的内容之一 " 而镁合金 $ 泡沫材料是制造轻型结构的重要材料 " 搅拌摩擦焊是连接这些材料的一种可
较差时焊缝的形状 %
图# ! 焊接效果较好的焊缝的形状 ? 3 @ # ’ ’ 7S : , 7+ : ) + * < : !J 8 5 5
图C ! 焊接效果较差时焊缝的形状 ? 3 @ C + 7S : , 7+ : + ) + * < : !Y 8 5 5
影响焊接效果 !! 利用搅拌摩擦焊对材料进行焊接时 " 的主要工艺参数为搅拌头的旋转速度 !! 焊接速度 !! 轴 肩压力& 本试验应用的焊机的轴肩压力是通过轴肩的压 下量来计算的 ’ 以及比例系数 2& 为搅拌头的旋转速度 ! 与焊接速度! 的比值 " 即为 2Z! ( % 各工艺参数之间 !’
第! " 卷第 ! 期 # $ $ %年$ #月
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华 ! 东 ! 船 ! 舶 ! 工 ! 业 ! 学 ! 院 ! 学 ! 报! 自然科学版 " ! " ! & ’ ( ) * + ,’ -. + / 01 2 3 * +4 2 3 6 ( 3 , 7 3 * * / 0 3 0 ( 0 : ; + 0 ( ) + ,4 < 3 : * < :. 7 3 0 3 ’ * 5 89
( ! 选的焊接方法’ !
; ! 搅拌摩擦焊的基本原理
’ ( # 搅拌摩擦焊的基本原理见图 ! ! 将工件放在一块底板上 "
两侧用夹具固定防止焊 接时移动 ! 一 个专 门 设计 的 肩 部带 一面以一 定 速度 旋 转 " 一面 缓慢 有搅拌端头的圆柱 形工具 " 地突入连接线 ! 端头的直径大约是圆柱体直径的三分之一 " 长度略小于工件的厚度 ! 端头压 入 工 件直 至 圆柱 体 肩 部与 工件表面接触 ! 接下去圆柱工具 与 工 件的 表 面摩 擦 将 产生 大的附加热 " 并使环绕插入端头周围的那部分圆柱形金属以 及与工具肩部接触的材料塑 性流动 ! 随 着 旋 转工 具 沿着 焊 接界面的移动 " 在 一个 狭窄区域的 金 属 连续 地 被 加热 " 塑性
:! 引 ! 言
与传统熔化焊相比 # " 无 飞 溅% 烟 尘# 不 需 添 加 焊 丝 和 保 护 气 体# 是一种 ? 4D! ? ) 3 < 0 3 ’ *4 0 3 )D : , 7 3 * 8 清洁的加工制造技术 & 由于接头部位不存在金属的熔 化 过程 # 故 不存在 熔 焊 时 的 各 种 缺 陷 # 焊缝成型较 好& 同时由于不存在熔焊过程中接头部位大范围的热塑性变化过程 # 变形小 # ? 4D 焊后接头的内应力小 %
(? ! / 7 ( , " ) $ , ) 3 < 0 3 ’ *4 0 3 )D : , 7 3 * ? 4D" S 2 3 < 2S + /7 : O : , ’ : 7 3 *! E E $ / 3 / +* : SR ’ 3 * 3 * : 0 2 ’ 7 0 2 + 0 0 2 : 8 5 8P # 3 02 + /P + * 7 O + * 0 + : / @ I 2 3 /5 + : ) 3 * 0 ) ’ 7 ( < : /0 2 : ) ’ < : / / 0 + T : /5 , + < : 3 *0 2 :/ ’ , 3 75 2 + / :’ -P + 0 : ) 3 + , / 5 U+ 8 5 6 + / 3 < 0 2 : ’ ) -? 4D + * 73 0 /+ 7 O + * 0 + : /+ * 77 3 / + 7 O + * 0 + : / @ I 2 :5 ) : / : * 0/ 0 ( 7 + 3 * , * 0 ) ’ 7 ( < : /0 2 : U’ 8 8 UP U3 : : < 0’ -S : , 7 3 * + ) + P : 0 : ) /’ *0 2 :S : , 7/ : + P+ : + ) + * < :+ * 70 2 :) : + / ’ * /’ 0 2 :: : < 0 @ . V : ) 3 P : * 0 + , 85 5 5 5 # # ) : / ( , 0 / / 2 ’ S0 2 + 0 3 0 2 :S : , 7 3 * + ) + P : 0 : ) / + ) :’ 0 3 P + ,8 ’ ’ 7+ : + ) + * < :S : , 7 / + ) :+ < 2 3 : O : 7+ * 7 3 0 2 : 5 5 85 5 # # S : , 7 3 * + ) + P : 0 : ) /+ ) :* ’ 0 ’ ’ 7 3 *+ * 78 ) ’ ’ O :7 : : < 0 /S 3 , , + : + ) @ L / 0 ’F ? GL , ( P 3 * ( P+ , , ’ S 2 : * 85 8 5 5 U ’ # /< ’ * / 0 + * 00 2 :P : < 2 + * 3 < + , ) ’ : ) 0 3 : /’ -S : , 7+ ) : 3 P ) ’ O : 7S 3 0 20 2 : 3 * < ) : + / 3 * ) ’ W 0 2 :O + , ( :’ ! !3 5 5 5 8’ # 0 + 0 3 ’ * + , O : , ’ < 3 0 D2 : *0 2 :S : , 7 3 * + ) + P : 0 : ) 3 /’ 0 3 < + , 0 2 :0 : * / 3 , :5 ) ’ : ) 0 -S : , 7< + *+ 0 0 + 3 *E $ U!@ 85 5 5 U’ : ) < : * 0’ 0 2 + 0’ 0 2 :6 + / :P : 0 + , @ 5 ( & 8 % # " & ( ) 3 < 0 3 ’ */ 0 3 )S : , 7 3 * 6 + / 3 < ’ ( * 7 + 0 3 ’ *& S : , 7 3 * + ) + P : 0 : ) / 8 85 29
= @ ; ! 焊接工艺条件对焊缝成型的影响
万方数据 华东船舶工业学院利用引进的设备进行了很多工艺方面的探索 " 研究的材料包括 F $ $ 阻尼铝 ! ? G F M ! $
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华东船舶工业学院学报 & 自然科学版 ’
# $ $ %年
$ G 其中 F ! 而阻尼铝的焊接效果不是很理想# % 图# 和图C 分别为焊接效果较好和 ? G F M ! $ 的焊接效果较好 "
( % 噪音及弧光等有害物质产生 " 是一种环保型连接方法’ #) 应力小 #* 可进行异种材料连接和可进行水 ( % 下作业’ !
当然 ? 工件需夹紧 $ 需要支架 $ 焊缝端部存在匙孔 " 焊接 4 D 也存在一定的缺点 )焊接速度比熔焊低 " 薄板时还有一定变形 !
= ! 搅拌摩擦焊的工艺研究
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( C % 搅拌 & " 然后冷却 " 从 而使工 件焊 接在 一 起’ !与 传 统 熔 化
图! ! 搅拌摩擦焊基本原理图 ? 3 @ ! < 2 : P + 0 3 < 3 , , ( / 0 ) + 0 3 ’ *’ ) 3 < 0 3 ’ */ 0 3 )S : , 7 3 * !4 8 8
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铝合金搅拌摩擦焊工艺及性能的研究
季亚娟 !蒋成禹 !严 ! 铿
! 华东船Байду номын сангаас工业学院 材料与环境工程系 # 江苏 镇江 # " ! # $ $ C
焊相比 " 烟尘 " 不需添加焊丝和保护气体 " 焊缝 ? 4 D 无飞溅 $
( C 可消除熔焊时的缺陷’ ! 成型美观 "
< ! 搅拌摩擦焊的优缺点
作为一种固相连接手段 " 搅拌摩擦焊除了可以焊接用普通熔焊方法难以焊接的材料外 " ? 4 D 还有以 下优点 ) 即使是长焊缝也是如此 + #" 固相连接 , , , 不产生类似熔焊接头的铸造的组织缺陷 ## ! 温度低 * 接头各种机械性能优良* 包括疲劳 $ 弯曲 $ 拉伸 + #$ 焊前 $ 焊后辅助工作减少 " 生产成本大幅度降低 " 焊接 过程中的搅拌和摩擦可有效去除和破碎焊件表面氧化膜及附着杂质 #% 焊接过程不需要添加保护气体和 焊料 #& 能够进行全位置焊接 #’ 适应性好 " 效率高 " 操作简单 " 易于实现自动焊 #( 无烟尘 $ 辐射 $ 飞溅 $