1、实 验 24 搅 拌 摩 擦 焊 实 验 史 清 宇 1 . 实 验 目 的 ( 1 ) 了 解 搅 拌 摩 擦 焊 的 基 本 原 理。 ( 2 ) 了 解 搅 拌 摩 擦 焊 的 设 备 及 其 工 艺 流 程。 ( 3 ) 初 步 了 解 焊 接 工 艺 参 数 对 搅 拌 摩 擦 焊 焊 缝 成 形 的 影 响。 2 . 概 述 1 ) 实 验 简 述 搅 拌 摩 擦 焊( FSW ) 作 为 一 种 新 型 焊 接 技 术, 是 由 英 国 焊 接 研 究 所 于 1991 年 发 明 的 一 种 固 态 塑 性 连 接 方 法, 并 被 誉 为“ 继 激 光 焊 后 又 一 次 革
2、 命 性 的 焊 接 技 术”。 由 于 特 殊 的 工 艺 过 程, 搅 拌 摩 擦 焊 具 有 传 统 焊 接 所 没 有 的 诸 多 优 点。 因 为 在 焊 接 过 程 中 没 有 发 生 金 属 的 熔 化, 所 以 从 根 本 上 避 免 了 凝 固 裂 纹 和 气 孔 等 缺 陷; 搅 拌 摩 擦 焊 不 需 要 填 充 焊 丝 和 使 用 保 护 气 体, 工 作 条 件 优 良; 采 用 机 械 化 焊 接 设 备, 易 于 保 证 焊 接 质 量 和 提 高 生 产 效 率。 最 重 要 的 一 个 优 势 就 是 搅 拌 摩 擦 焊 可 以 焊 接 传 统 工 艺 认 为
3、 难 焊 或 不 可 焊 的 某 些 铝 合 金 系 列, 如 7XXX 系 列。 本 实 验 在 了 解 搅 拌 摩 擦 焊 原 理 的 基 础 上, 使 用 专 用 搅 拌 摩 擦 焊 设 备( 如 图 24 - 1 ), 针 对 不 同 的 工 艺 参 数 进 行 铝 合 金 的 焊 接, 初 步 了 解 其 工 艺 过 程。 2 ) 搅 拌 摩 擦 焊 原 理 搅 拌 摩 擦 焊 是 利 用 一 种 带 有 搅 拌 针( p i n ) 和 轴 肩( s hou l d e r ) 的 特 殊 形 状 搅 拌 头 对 工 件 进 行 搅 拌 摩 擦, 通 过 搅 拌 针 的 搅 拌 摩
4、 擦 过 程 和 轴 肩 与 材 料 摩 擦 产 生 的 热 量 使 焊 缝 处 的 材 料 达 到 热 塑 性 变 形 状 态, 在 轴 肩 的 顶 锻 压 力 作 用 下 达 到 固 态 连 接, 如 图 24 - 2 所 示。 首 先 搅 拌 头 高 速 旋 转 插 入 待 焊 焊 缝, 随 后 以 一 定 的 速 度 沿 焊 缝 前 进。 在 搅 拌 头 旋 转 的 过 程 中, 待 焊 材 料 经 搅 拌 头 的 搅 拌、 摩 擦 达 到 热 塑 性 状 态。 处 于 热 塑 性 状 态 的 焊 缝 材 料 围 绕 搅 拌 头 由 前 向 后 移 动, 在 热 - 机 械 联 合 作
5、 用 下, 材 料 相 互 扩 散 连 接, 在 轴 肩 的 锻 造 作 用 下 形 成 致 密 的 焊 缝。实 验 24 搅 拌 摩 擦 焊 实 验 图 24 - 1 搅 拌 摩 擦 焊 设 备 图 24 - 2 搅 拌 摩 擦 焊 原 理 图 3 ) 搅 拌 摩 擦 焊 工 艺 参 数 搅 拌 摩 擦 焊 的 工 艺 参 数 主 要 有: 搅 拌 头 倾 角、 搅 拌 头 旋 转 速 度、 焊 接 速 度、 搅 拌 头 下 压 量 等。 ( 1 ) 搅 拌 头 倾 角 在 焊 接 时, 搅 拌 头 通 常 会 向 后 倾 斜 一 定 的 角 度, 以 便 在 焊 接 时 轴 肩 后 沿 能
6、 够 对 焊 缝 施 加 一 定 的 焊 接 顶 锻 力。 搅 拌 头 倾 角 的 设 计 指 标 一 般 为 5 , 对 于 薄 板( 厚 度 为 16mm ) 搅 拌 头 倾 角 才 有 小 角 度, 通 常 为 12 , 对 于 中 厚 板( 厚 度 大 于 6mm ), 根 据 被 焊 工 件 的 结 构 和 焊 接 压 力 的 大 小, 倾 角 通 常 为 35 。 ( 2 ) 搅 拌 头 旋 转 速 度 搅 拌 头 的 旋 转 速 度 通 常 和 焊 接 速 度 共 同 决 定 焊 缝 质 量 的 好 坏。 对 于 特 定 的 材 9 7 1材 料 加 工 系 列 实 验( 第 2
7、 版) 料, 某 一 旋 转 速 度 通 常 对 应 于 一 个 最 佳 的 工 艺 窗 口, 在 这 个 窗 口 内 焊 接 速 度 通 常 可 以 在 一 定 范 围 内 波 动。 根 据 旋 转 速 度 的 大 小 可 以 分 为 冷 规 范、 弱 规 范、 强 规 范 三 种, 由 于 本 实 验 不 涉 及 此 方 面 内 容, 所 以 不 再 作 详 细 介 绍。 ( 3 ) 焊 接 速 度 搅 拌 摩 擦 焊 的 焊 接 速 度 就 是 指 搅 拌 头 沿 焊 缝 行 进 的 速 度。 焊 接 速 度 通 常 由 焊 接 材 料 的 厚 度 决 定, 并 且 需 要 和 搅 拌
8、头 的 旋 转 速 度 相 匹 配。 ( 4 ) 搅 拌 头 轴 肩 下 压 量 搅 拌 头 轴 肩 下 压 量 是 指 轴 肩 后 沿 低 于 材 料 表 面 的 深 度。 通 常 搅 拌 针 的 长 度 要 小 于 所 焊 板 材 的 厚 度, 所 以 下 压 量 可 以 在 一 定 范 围 内 波 动。 对 于 薄 板, 下 压 量 一 般 为 0. 10. 3mm , 对 于 中 厚 板, 这 个 深 度 一 般 在 0. 5mm 左 右。 4 ) 搅 拌 摩 擦 焊 的 焊 接 缺 陷 搅 拌 摩 擦 焊 的 主 要 缺 陷 有 孔 洞、 飞 边、 沟 槽 和 未 焊 合 四 种,
9、如 图 24 - 3 所 示。 在 焊 接 过 程 中, 有 可 能 由 于 热 输 入 过 大 或 者 过 小 导 致 不 同 焊 接 缺 陷 的 产 生。 在 焊 缝 的 顶 部, 由 于 直 接 受 到 轴 肩 的 摩 擦 作 用, 热 输 入 能 够 保 证 无 缺 陷 的 连 接; 在 焊 缝 的 中 部, 尽 管 热 输 入 不 如 焊 缝 顶 部, 但 是 它 的 散 热 量 更 小, 是 材 料 软 化 程 度 最 高 的 区 域, 所 以 不 易 出 现 缺 陷; 在 焊 缝 的 底 部 由 于 热 输 入 最 少, 而 且 散 热 量 最 大, 很 有 可 能 由 于 焊
10、接 参 数 不 合 适 导 致 焊 接 缺 陷 的 产 生。 图 24 - 3 搅 拌 摩 擦 焊 焊 缝 缺 陷( 飞 边、 沟 槽) ( 1 ) 孔 洞 孔 洞 缺 陷 的 形 成 主 要 是 由 于 焊 接 过 程 中 热 输 入 不 够, 达 到 塑 性 化 状 态 的 材 料 不 足, 材 料 流 动 不 充 分 而 导 致 在 焊 缝 内 部 形 成 材 料 未 完 全 闭 合 的 现 象。 当 采 用 无 螺 纹 的 搅 拌 头 进 行 焊 接 时 容 易 出 现 此 类 缺 陷。 ( 2 ) 飞 边 飞 边 缺 陷 出 现 在 焊 缝 表 面, 通 常 是 由 于 下 压 量
11、过 大 而 导 致 较 多 的 塑 性 材 料 从 轴 肩 两 侧 挤 出 并 冷 却, 最 后 形 成 的 一 种 缺 陷。 这 是 搅 拌 摩 擦 焊 比 较 常 见 的 一 种 缺 陷。 ( 3 ) 沟 槽 沟 槽 缺 陷 是 搅 拌 头 在 对 接 板 表 面 机 械 搅 动 后 未 形 成 连 接 的 一 种 严 重 缺 陷。 沟 槽 缺 陷 的 产 生 主 要 是 由 于 焊 接 过 程 中 压 力 过 小, 导 致 热 输 入 严 重 不 足, 发 生 塑 性 变 形 的 0 8 1实 验 24 搅 拌 摩 擦 焊 实 验 材 料 大 量 减 少, 而 且 材 料 流 动 性 能
12、 降 低, 在 搅 拌 头 前 进 的 过 程 中 材 料 不 能 及 时 回 填, 这 就 造 成 了 沟 槽 的 产 生。 ( 4 ) 未 焊 合 未 焊 合 是 指 在 焊 缝 底 部 未 形 成 连 接 或 不 完 全 连 接 而 出 现 的“ 裂 纹 状” 缺 陷。 这 种 缺 陷 主 要 是 由 于 搅 拌 针 的 长 度 不 足 造 成 的。 在 焊 接 过 程 中, 搅 拌 针 下 部 存 在 一 个 不 与 搅 拌 针 接 触 的 区 域, 如 果 这 个 区 域 过 大, 则 会 由 于 搅 拌 作 用 很 差 而 产 生 未 焊 合 的 现 象。 3 . 实 验 内 容
13、( 1 ) 了 解 搅 拌 摩 擦 焊 的 基 本 原 理 与 工 艺 过 程。 ( 2 ) 改 变 工 艺 参 数( 搅 拌 头 转 速、 焊 接 速 度 等) 进 行 搅 拌 摩 擦 焊 实 验, 材 料 为 铝 合 金 板 材。 ( 3 ) 对 实 验 后 焊 缝 外 表 形 貌 与 焊 接 的 工 艺 参 数( 搅 拌 头 转 速、 焊 接 速 度 等) 的 关 系 进 行 分 析。 4 . 实 验 步 骤 与 注 意 事 项 ( 1 ) 实 验 原 理 介 绍。 ( 2 ) 领 取 待 焊 板 材, 用 砂 纸 去 除 待 焊 部 位 的 氧 化 膜, 并 用 无 水 乙 醇 清 洗
14、。 ( 3 ) 装 卡 板 材。 用 压 板、 螺 栓 将 两 块 待 焊 板 材 固 定 在 卡 具 底 座 上, 保 证 焊 接 过 程 中 它 们 不 会 发 生 移 动。 ( 4 ) 通 过 对 刀, 使 搅 拌 针 与 待 焊 板 材 的 表 面 恰 好 接 触。 ( 5 ) 在 机 床 的 数 控 操 作 系 统 中 设 置 焊 接 参 数( 搅 拌 头 旋 转 速 度、 焊 接 速 度 和 下 压 量), 参 数 设 置 好 之 后 便 可 以 进 行 焊 接。 ( 6 ) 观 察 焊 缝 的 外 观, 分 析 焊 接 参 数 对 于 焊 缝 成 形 的 影 响。 5 . 实 验
15、 报 告 要 求 ( 1 ) 写 出 实 验 目 的、 实 验 简 单 原 理、 实 验 内 容。 ( 2 ) 简 述 实 验 步 骤。 ( 3 ) 列 出 实 验 工 艺 参 数 和 焊 缝 外 观 形 貌。 ( 4 ) 对 焊 缝 外 观 形 貌 与 工 艺 参 数 的 关 系 进 行 分 析。 注: 实 验 以 小 组 为 单 位, 每 位 同 学 针 对 一 个 参 数 进 行 实 验, 实 验 后 对 本 组 实 验 现 象 进 行 分 析。 6 . 思 考 题 ( 1 ) 结 合 所 学 专 业 课 知 识, 解 释 为 什 么 搅 拌 摩 擦 焊 相 比 传 统 熔 焊 更 适
16、于 焊 接 铝 合 金? 1 8 1材 料 加 工 系 列 实 验( 第 2 版) ( 2 ) 哪 些 材 料 不 适 合 采 用 搅 拌 摩 擦 焊 焊 接, 为 什 么? 请 举 出 一 两 例。 ( 3 ) 比 较 搅 拌 摩 擦 焊 和 摩 擦 焊 的 异 同 点。 参 考 文 献 1 Thoma sWM , Ne e d l h amJC , Dawe sCJ , e ta l.Fr i c t i ons t i rbu t twe l d i ng P .I n t e n a t i on a lpa t en t app l i c a t i onnumbe rPCT /
17、GB92 / 02203andGBpa t en tapp l i c a t i on9125978. 8 , 1991 - 12 - 06 2 张 忠 科, 孙 丙 岩, 王 希 靖, 王 丽 . 铝 合 金 搅 拌 摩 擦 焊 焊 接 缺 陷 分 析 . 热 加 工 工 艺 . 2006. 35 ( 19 ): 13 - 15 3 王 善 林, 柯 黎 明, 邢 丽 . 搅 拌 头 形 状 对 焊 缝 塑 化 金 属 流 动 行 为 的 影 响 . 南 昌 航 空 工 业 学 院 学 报 . 2005. 19 ( 1 ): 62 - 66 4 北 京 赛 福 特 斯 公 司 . 搅 拌 摩 擦 焊 工 艺 参 数 . 现 代 焊 接 . 2006. 9 5 刘 会 杰 等 . 搅 拌 摩 擦 焊 焊 接 缺 陷 的 研 究 . 焊 接 . 2007. 2 2 8 1
