搅拌摩擦焊

目录

1绪论 (2)

2搅拌头的设计 (4)

2.1搅拌头材料的选择 (4)

2.2搅拌头结构尺寸设计 (5)

2.2.1轴肩 (5)

2.2.1搅拌针 (6)

3搅拌头的具体设计 (7)

3.1搅拌头的材料选择 (7)

3.2轴肩及搅拌针的具体设计尺寸 (7)

3.3轴肩及搅拌针的几何形状设计 (8)

3.3.1设计原理 (8)

3.3.2形状设计 (9)

参考文献 (10)

1绪论

搅拌摩擦焊( Friction Stir Welding，简称 FSW) 是由英国焊接研究所(The Welding Institute，简称 TWI)于1991年研究发明的一种先进的固相连接技术，被认为是自激光焊接问世以来最引人注目和最具潜力的连接技术[1]。其焊接工作原理如图1-1 所示，高速旋转的搅拌头扎入工件后沿焊接方向运动，在搅拌头与工件接触部位产生摩擦热，使其周围金属形成塑性软化层，软化金属在搅拌头的旋转作用下填充后方空腔并在轴肩与搅拌针的搅拌及挤压作用下实现材料连接。

图1.1 搅拌摩擦焊工作原理

FSW与弧焊、激光焊、电子束焊、钎焊和扩散连接等传统焊接方法相比，FSW具有高效低耗、焊接温度低、接头残余应力小、焊接工件变形小、环境友好等特点，特别在大规格薄板焊接中是其他焊接方法远不可相比的。经过20多年的发展，搅拌摩擦焊已经从技术研究迈向高层次的工程化和工业化应用阶段。被焊材料也已从铝合金逐渐扩展到镁合金、铅合金、铜合金、钢、钛合金以及复合材料等。目前，搅拌摩擦焊设备的制造和产品的加工在国内外已经成为一类高技术新兴产业。搅拌摩擦焊不仅具备普通摩擦焊技术的优点，由于搅拌头的灵活性还可以适应不同接头形式和位置的焊接。由于焊接过程中的热量仅仅能使被焊金属达到塑性状态，故焊接过程焊件的变形量小，焊接无需添料，焊接过程绿色环保、耗材少。应用方面，因为搅拌摩擦焊焊接过程操作简便，焊接缺陷少接头性能好，自动化程度高且生产周期短，现已被广泛用于造船业、车辆制造、飞机制造、航天制造等工业领域。

搅拌头作为搅拌摩擦焊的“心脏”，其材料和结构设计是搅拌摩擦焊技术的核心，是搅拌摩擦焊工艺中最重要的技术之一，是决定搅拌摩擦焊技术能否扩大待焊材料的种类以及能否提高待焊材料板厚范围的关键。

2搅拌头的设计

2.1搅拌头材料的选择

由于搅拌摩擦焊接所需要的热源主要来源于搅拌头和工件材料的摩擦热，焊接过程搅拌头又需要承受高温、顶锻压力、摩擦扭矩、行进阻力等联合作用，所以搅拌头的材料应具备以下基本特征：热硬性、耐磨性、抗蠕变性、耐冲击性、易加工性、材料惰性、优良的摩擦效果等。

目前常用的搅拌头材料主要有三种：高温合金、热作模具钢及硬质合金。高温合金（以 GH4169为例）虽然能在700摄氏度下保持较好的性能，但在400摄氏度以上的焊接工作温度下损耗严重；热作模具钢（以H13为例）工作温度一般在540摄氏度左右，在其工作范围内显然不适合进高熔点的金属及其合金的焊接；对于硬质合金，碳化钨（WC）占据着非常重要的位置，WC-Co系硬质合金在WC基硬质合金中又具有最高的抗弯强度、抗压强度、冲击韧性及弹性模量，在焊接低熔点材料时，WC-Co硬质合金搅拌头可以焊接很大长度的焊缝而几乎没有损耗，焊接高熔点材料时，其优良的耐磨性及高温性能又可以保证焊缝质量的稳定[2]。除了以上三种常用材料之外，国内外用于搅拌头制作的材料还有聚晶立方氮化硼等，各材料的研究情况及优缺点对比如表2-1所示：

表2-1国内外搅拌摩擦焊搅拌头材料研究情况及优缺点[2]

搅拌头材料高温性能强度韧性耐磨性经济性

工具钢良好一般较差较便宜

镍基和钴基合金一般很好一般原材料较贵

难熔金属及其合金良好高温下较好良好周期长，加工难，成本高

聚晶立方氮化硼很好韧性较差很好材料制备条件苛刻，加工成本很高

硬质合金很好较好很好传统加工方法周期长或加工成本高在焊接铝、镁、铅等低熔点材料时，搅拌头采用工具钢即可。对于钢、铜、钛等高熔点材料来讲，焊接时最高温度在1 000 ℃以上，能满足使用要求的搅拌头材料往往是难熔金属合金或者结构陶瓷。

但在焊接铝基复合材料时，由于出现的高硬度的第二相颗粒会导致搅拌头较严重的磨损。经过对各种材料包括特种钢材，硬质合金等的综合研究，在焊接铝基复合材料材料是选用GT35钢结硬质合金作为搅拌头的材料[2]。

2.2 搅拌头结构尺寸设计

搅拌头材料确定的前提下,轴肩和搅拌针形状和尺寸对焊缝的质量有重要影响。搅拌头的形状决定了焊缝金属塑性加热、热塑性材料的流动和锻造形式搅拌头的尺寸决定了焊缝尺寸和焊接速度。

2.2.1 轴肩

轴肩在焊接过程中主要是与工件表面摩擦提供焊接热源以及封闭焊接环境,以阻止高塑性软化材料从轴肩溢出。根据不同焊接需要,轴肩与搅拌针交界的工作面可加工为平面型,凹陷型和凸起型。图2.1为几种常见的轴肩形貌,它们都是在搅拌针和轴肩交界处中间凹入的[3]。研究指出,在焊接过程中,这种设计形式可保证轴肩端部下方的软化材料受到向内方向的力的作用,从而有利于将轴肩端部下方形成的软化材料收集到轴肩端面的中心以填充搅拌针后方形成的空腔,同时还可减少焊接过程中搅拌头内部的应力集中而保护搅拌头。

图2.1 不同几何形貌的轴肩

对于特定的焊接材料，为了获得最佳的焊接效果，必须设计出与之相适应的特殊的几何形貌

轴肩几何形貌。由于轴肩在搅拌摩擦焊接过程中所起的作用比较单一，因而人们对轴肩形貌、几何尺寸及其对焊接过程中塑性流动和焊后接头质量影响方面的研究较少，而将大部分精力投入搅拌针形貌、几何尺寸设计方面的研究。

2.2.1搅拌针

不同形式搅拌针决定被焊材料的流动以及成形机理,合理设计的搅拌针形状和尺寸是得到良好焊缝的关键。大量试验总结说明的搅拌针长度应略小于焊件厚度,其与轴肩径之比约为1:3为好,与焊件厚度之比约为1：1时较好[1]。目前搅拌针的种类主要有带螺纹以及不带螺纹的圆柱形、圆台形、偏心式、非对称式、外开式和可伸缩式等。