1.搅拌摩擦焊的发展历史

  搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding)是英国焊接研究所(The Welding Institute)与1991年发明的专利焊接技术。搅拌摩擦焊除了具有普通摩擦焊技术的优点外,还可以进行多种接头形式和不同焊接位置的连接。挪威已建立了世界上第一个搅拌摩擦焊商业设备.可焊接厚3—15mm、尺寸6×16的Al船板;1998年美国波音公司的空问和防御实验室引进了搅拌摩擦焊技术.用于焊接某些火箭部件;麦道公司也把这种技术用于制造Delta运载火箭的推进剂贮箱。下面主要介绍搅拌摩擦焊的方法、过程、特点以及焊接质量。

2.搅拌摩擦焊的原理

  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形状的焊头(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。

  在焊接过程中,焊头在旋转的同时伸入工件的接缝中,旋转焊头与工件之问的摩擦热,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流向焊头的背后,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。焊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。

  关于在搅拌摩擦过程中界面原子的运动现在仍处于研究阶段。

3.搅拌摩擦焊的特点

  焊接过程中也不需要其它焊接消耗材料,如焊条、焊丝、焊剂及保护气体等。唯一消耗的是焊接搅拌头。通常在Al合金焊接时,一个工具钢搅拌头可焊到800m长的焊缝。

  同时,由于搅拌摩擦焊接时的温度相对较低,因此焊接后结构的残余应力或变形也较熔化焊小得多。特别是Al合金薄板熔化焊接时,结构的平面外变形是非常明显的,无论是采用无变形焊接技术还是焊后冷、热校形技术,都是很麻烦的,而且增加

  了结构的制造成本。

  目前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,目前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。

  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。

4.搅拌摩擦焊在中国的发展现状

  2002年,在中国航空工业集团-北京航空制造工程研究所与英国焊接研究所共同签署关于搅拌摩擦焊专利技术许可、技术研发及市场开拓等领域的合作协议的基础上,中国第一家专业化的搅拌摩擦焊技术授权公司——中国搅拌摩擦焊中心即北京赛福斯特技术有限公司成立,标志着搅拌摩擦焊技术在中国市场的研发及工程应用工作的正式开启。

  搅拌摩擦焊作为一种多学科交汇的新方法,可以发展出纵缝焊接、环缝焊接、无匙孔焊接、变截面焊接、自支撑双面焊接、空间3D曲线焊接、搅拌摩擦点焊、回填式点焊、搅拌摩擦焊表面改性处理、搅拌摩擦焊超塑性材料加工等多种连接加工方法和技术。

  历经近十年的快速发展,赛福斯特公司已成功开发了60余套搅拌摩擦焊设备,将搅拌摩擦焊技术应用于我国航空、航天、船舶、列车、汽车、电子、电力等工业领域中,创造了可观的社会经济效益,为铝、镁、铜、钛、钢等金属材料提供了完美的技术解决方法,为国内外用户提供了不同类型、不同用途的搅拌摩擦焊工业产品加工,包括:航天筒体结构件、航空薄壁结构件、船舶宽幅带筋板、高速列车车体结构、大厚度雷达面板、汽车轮毂、集装箱型材壁板、各种结构散热器及热沉器等。


2015年11月17日

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