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机床设计之家

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铝合金的搅拌摩擦焊  

2014-01-08 21:35:49|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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摘要:本文在详细介绍搅拌摩擦焊原理、特点的基础上,针对铝合金的搅拌摩擦焊特点、性能以及工业应用作了详细的阐述,并且对搅拌摩擦焊在中国市场的发展和应用作了简略介绍和预测。

关键词:搅拌摩擦焊 铝合金焊接

前言

铝合金材料由于重量轻、抗腐蚀、易成形等优点受到众多工业制造的青睐,随着这种材料的性能的不断提高,如新型牌号的硬铝、超硬铝等材料的出现,在航空、航天、高速列车、高速舰船等工业制造领域得到了越来越广泛的应用。但是,铝合金材料表面的致密的氧化层以及弧焊过程中较大变形等又限制了这种材料的进一步推广应用。

英国焊接研究所The Welding Institute 发明的搅拌摩擦焊[1]为轻金属材料的连接提供了新的方法和途径。自从搅拌摩擦焊摩擦焊发明以来,搅拌摩擦焊技术得到广泛的关注和深入的研究,特别是针对铝合金材料,世界范围的研究机构、学校以及大公司都对此进行了深入细致的研究和工程应用开发,并且在诸多工业制造领域得到了成功应用。

本文详细介绍了搅拌摩擦焊原理、特点,并且针对铝合金的搅拌摩擦焊特点、性能以及工业应用作了详细的阐述,同时对搅拌摩擦焊在中国市场的发展和应用作了简略介绍和预测。

1 原理

英国焊接研究所 简称TWI 1991 年发明了搅拌摩擦焊技术并对此进行了世界范围的专利保护[2 4],这种连接技术与传统概念中的摩擦焊方法如图1 所示相似,焊接过程没有被焊材料的熔化,形成的是固相接头。对于铝合金材料要获得高效率、高质量的连续对接和搭接接头的焊接,目前在世界范围内公认搅拌摩擦焊是最具潜力和应用前景的新型连接方法。

铝合金的搅拌摩擦焊 - LSWEDM - 机床设计之家

旋转摩擦焊

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惯性摩擦焊

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线性摩擦焊
图1 传统概念中的摩擦焊

搅拌摩擦焊(简称FSW)是利用一种非耗损的特殊形状的搅拌头,旋转着插入被焊零件,然后沿着被焊零件的待焊界面向前移动,通过搅拌头对材料的搅拌、摩擦,使待焊材料加热至热塑性状态,在搅拌头高速旋转的带动下,处于塑性状态的材料环绕搅拌头由前向后转移,同时结合搅拌头对焊缝金属的挤压作用,在热-机联合作用下材料扩散连接形成致密的金属间固相连接。

搅拌摩擦焊的原理如图 2 所示,其中搅拌头由特殊形状的搅拌指棒和轴肩组成,轴肩的直径大于特形搅拌指棒的直径,在焊接过程中轴肩与被焊材料的表面紧密接触,防止塑化金属材料的挤出和氧化,同时搅拌轴肩还可以提供部分焊接所需要的搅拌摩擦热,搅拌指棒的形状比较特殊,焊接过程中搅拌指棒要旋转着插入被焊材料的结合界面处,并且沿着待焊界面向前移动,对于对接焊缝,搅拌指棒的插入深度一般要略小于被焊材料的厚度。

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图2 搅拌摩擦焊原理示意图

搅拌摩擦焊要求的特殊形状的搅拌指棒一般要用具有良好耐高温力学和物理特性的抗磨损材料制造,对于铝合金等轻型合金材料,在焊接过程中搅拌头的磨损程度很小;焊接过程中,搅拌头对焊接区域的材料具有向下挤压和侧向挤压的倾向,所以被焊工件要夹装背垫和夹紧固定,以便承受搅拌头施加的轴向力纵向力(沿着焊接方向)以及侧向力。经过研究,在对接接头中,由于焊接方法的优越性,搅拌摩擦焊对焊接接头形状、清洁度以及接头装配间隙均有较大的工艺裕度;如搅拌摩擦焊对接焊时在接头间隙为厚度10%的条件下,同样可以得到优良的焊接接头。

2 优点

与普通的摩擦焊相类似,搅拌摩擦焊基于这种连接方法是在被焊材料熔点以下实现固相连接,所以在方法和工艺上具有较多的优越性。例如,搅拌摩擦焊目前可以焊接所有牌号的铝合金,其中包括以前熔焊难以焊接2xxx 系列和7xxx 系列的铝合金,焊接过程中没有弧光、烟尘、飞溅等,针对工业制造领域归纳起来,搅拌摩擦焊主要具有如下方面优越性[5]:

(1) 摩擦焊可以降低制造成本--搅拌摩擦焊是一种简单、高效、节能、没有焊接消耗的连接方法。搅拌摩擦焊可以利用现有的通用机床技术(如铣床技术)来实现焊接;搅拌摩擦焊可以节约能源--一台简单的适合于搅拌摩擦焊焊接的设备,对于厚度为12.5mm 的6xxx 系列的铝合金材料的搅拌摩擦焊,单道焊的总功率输入大约为3kW,而且除了搅拌头和电外没有其他消耗;焊接过程不需要填充焊丝和保护气;焊前不需要开坡口和对材料表面的氧化层等作特殊的处理;搅拌摩擦焊是一种纯机械化的焊接技术,易于实现自动化和工业产品的批量化制造;搅拌摩擦焊是一种固相焊接,焊接过程中没有熔化,可以实现全位置焊接。

(2) 搅拌摩擦焊为新产品、新结构的设计提供了可能--对于铝合金材料,优良的搅拌摩擦焊固相接头和高可靠性和重复性的焊接过程可以促进现有工业产品的改进以及铝合金材料在其他工业产品中的应用和创新。例如以前熔焊不能连接的热敏感性很强的硬铝、超硬铝等材料可以用搅拌摩擦焊得到可靠连接;搅拌摩擦焊可以提高热处理铝合金的接头强度;搅拌摩擦焊没有气孔出现的可能性;固相联接方法可以防止铝基复合材料等的合金和强化相的析出和破坏;搅拌摩擦焊可以实现铸造/锻压以及铸造/挤压等不同材料状态的焊接;较小的焊接变形可以实现精密铝合金零部件的制造用搅拌摩擦焊实现小尺寸挤压形材的连接可以用来制造大尺寸的船舶夹板、列车壁板、卡车箱体等。

(3) 搅拌摩擦焊具有可靠的质量保证--搅拌摩擦焊是一种完全机械化的连接技术,可以实现焊接过程以及焊接能量输入的精确控制。搅拌摩擦焊的焊接质量完全由搅拌头的形状和焊接参数决定,所以可以实现精密的过程监控;由于焊接过程的机械性,所以可以实现焊接参数的数字化输入、控制和纪录;由于搅拌摩擦焊方法的优越性,被焊接工件不需要紧密的接触,对于厚度为12.7mm 的铝合金板材的搅拌摩擦焊,焊缝间隙容差可以为1.25mm[ 5 ]。

(4) 搅拌摩擦焊是一种安全的焊接方法--搅拌摩擦焊是一种机械化的焊接方法,只需要简单的普通机床设备操作防护。与熔焊方法相比,搅拌摩擦焊过程没有飞溅、烟尘、以及弧光辐射等对人体的危害;焊接过程不需要电流、电压的参与,没有高的触电危险等。

3 缺点

随着搅拌摩擦焊技术的研究和发展,搅拌摩擦焊在应用领域的限制得到很好解决,但是尽管搅拌摩擦焊目前可以单道完成厚度为50mm 铝合金材料的焊接,但与某些弧焊技术相比(如薄板的激光焊)焊接速度还相对较慢;另外,基于搅拌摩擦焊本身的特点,被焊零件需要由一定的结构刚性或被牢固固定来实现焊接;焊接结束由于搅拌头的回抽,焊缝的末端留有“匙孔”,所以必要时,焊接工艺上需要添加“引焊板或出焊板”;搅拌摩擦焊过程中需要对焊缝施加巨大的顶锻压力,这也限制了搅拌摩擦焊技术在机器人等设备上的应用。

4 材料和厚度

从原理上讲,针对一定的材料,只要能够找到这种材料锻压状态下能够有效工作的搅拌头材料和形状,就可以实现搅拌摩擦焊连接。

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图3 熔焊和搅拌摩擦焊的铝合金材料可焊性对比[TWI]

如图3 所示,迄今,搅拌摩擦焊已经被证明可以实现所有牌号的铝合金材料如2xxx(Al-Cu), 5xxx(Al-Mg), 6xxx(Al-Mg-Si), 7xxx(Al-Zn) 8xxx(Al- )等以及铝基复合材料的焊接;对于不同制造形态的铝合金,TWI 已经实现了铸材和锻压板材的铝合金焊接如图4 所示。

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图4 厚度为6 毫米的锻压铝板与厚度15 毫米铸铝的搅拌摩擦焊

搅拌摩擦焊发明初期,主要是针对厚度为1.2~12.5mm 的铝合金板材进行研究、优化和工程应用开发;随着技术的发展,12.5~25mm 的铝合金板材的搅拌摩擦焊再工业产品中得到了成功应用;目前TWI 可以单面实现厚度为50 毫米的铝合金材料的焊接,双面焊可以焊接70mm 的铝合金板材,图5 示出了TWI 焊接厚度为70mm的搅拌摩擦焊接头。 

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图5 厚度70 毫米的搅拌摩擦焊铝合金接头[TWI]

5 接头性能

搅拌摩擦焊是通过搅拌头对被焊材料的摩擦加热、破碎、搅拌和顶锻等行为的作用,得到了比母材金属还精细的微观晶粒组织可以实现高质量的可靠焊接;图6 示出了一个典型的铝合金搅拌摩擦焊对接接头横截面金相图,从图上可以看出搅拌摩擦焊接头中间包含了一个晶粒非常细小的焊核区域,此区域的金属材料经历了完全再结晶过程,其中椭圆形的“洋葱”环状组织结构是搅拌头的外形以及搅拌头的焊接时的向前移动综合作用的结果;如图6 中b 区所示,在焊核区的外围存在一个热-机影响区,此部分晶粒发生了明显的塑性变形和部分重结晶;C 区为热影响区。材料晶粒长大明显。

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图6 典型的搅拌摩擦焊接头横截面金相图

对于普通条件下(如O状态)的非热处理强化铝合金,通过对焊接参数的优化,搅拌摩擦焊可以得到没有空洞和裂纹的优良焊接接头,接头的拉伸强度一般大于或优于母材,并且断裂一般出现在热影响区和远离焊缝接头的母材上,对于冷作和热处理强化铝合金,可以通过控制搅拌摩擦焊过程中的热输入,特别是控制搅拌摩擦焊接头中硬度和强度最低的热影响区的回火和过时效影响,来提高接头的力学性能指标[ 6 ],通过对参数的优化和性能比较,尽管许多人认为在实际应用中不切实际,但焊后热处理似乎是最佳选择;尤其对于热处理铝合金以及人工时效铝合金,如2xxx 和6xxx 系列,通过焊后的时效处理,接头性能可以恢复到母材水平,挪威的Midling O T 研究报道中[ 7 ]提到Al6060 铝合金的搅拌摩擦焊接头时效处理后的T5强度可以达到母材的90%;图7 示出了厚度为6mm 的Al6054 铝合金的搅拌摩擦焊的焊后热处理硬度和母材硬度的对比结果。

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图7 6mm的6054-T6 铝合金搅拌摩擦焊接头焊后热处理后的硬度指标[TWI]

与TIG 和MIG 等熔焊方法相比较,铝合金材料的搅拌摩擦焊接头的疲劳性能具有明显的优势,这是因为搅拌摩擦焊的焊缝材料经过搅拌头的摩擦、挤压、顶锻得到的,是精细的等轴晶组织,由于焊接过程是在材料的熔点以下温度条件下完成,焊缝组织中没有熔焊经常出现的凝固偏析和凝固缺陷,接头综合性能比熔焊优良的结果。对于不同材料的铝合金如Al2014-T6、Al2219、Al5083-O、Al7075 等的搅拌摩擦焊疲劳性能研究表明(如图8 所示),铝合金材料的搅拌摩擦焊接头的疲劳性能均优于熔焊接头,其中对于Al5083-O 状态的铝合金,搅拌摩擦焊的疲劳性能完全可以达到与母材相同的水平;尽管搅拌摩擦焊一般情况下是单道单面焊来完成焊接,但系列疲劳试验结果表明铝合金的疲劳性能指标远超过工业设计熔焊标准,如:英国的BS 8118 class 35 和熔焊接头的欧洲设计标准ECCS B3。

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图8 铝合金对接搅拌摩擦焊和母材的疲劳性能实验结果比较

6 接头形状

通常搅拌摩擦焊利用平板对接和搭接来完成焊接,迄今,实际上搅拌摩擦焊已经能够实现如图9 所示的多种接头的焊接,如多层对接、多层搭接、T 形接头、V形接头、角接等,并在实际工业制造中得到了应用。

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图9 不同形式的搅拌摩擦焊接头

经过不断的开发研究,针对不同的结构零件,研究人员设计了多种方式的搅拌摩擦焊接头,如图10 所示。

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图10 不同形式结构的搅拌摩擦焊连接[TWI]

工业生产中,搅拌摩擦焊不仅可以焊接筒形零件的环缝和纵缝,而且考虑搅拌摩擦焊是一个固相连接过程,不受重力影响,所以搅拌摩擦焊可以实现全位置空间焊接,如水平焊、垂直焊、仰焊以及任意位置和角度的轨道焊。

7 搅拌摩擦焊设备

搅拌摩擦焊技术的发展和成熟,促进搅拌摩擦焊设备的设计、制造以及在工业制造领域的生产应用。针对不同的零部件和应用对象,世界范围内的搅拌摩擦焊设备制造商:如ESAB、FSWLI、GEMCOR、GTC、HITAHI、KAWASAKI、MTS、TWI、Danstir、FSL、MTS、Stirtec、和CFSWC 等,开发研制了系列化的搅拌摩擦焊专用设备,并且在航空、航天、船舶、汽车等制造领域得到应用。

在中国市场(包括香港、澳门和台湾),北京航空制造工程研究所于2002 年4月18 日与英国焊接研究所TWI 正式签署协议,并且双方决定在专利许可和全面技术合作基础上建立中国搅拌摩擦焊中心(China FSW Center)。中国搅拌摩擦焊中心是目前中国地区唯一被授予搅拌摩擦焊设备制造许可的单位,本论文发稿时,中心已经为国内市场完成了3 台商业性质搅拌摩擦焊专用设备的设计工作,如图11 所示,该设备可以焊接壁厚为2-15mm 的铝合金筒形零件,被焊零件的最小直径为2.2m,焊缝长度可达1.5m,该设备主要由主轴动力单元、液压驱动单元、摆动式焊接夹具、高精度焊接平台、悬臂式移动横梁、友好人机界面控制系统、位置传感控制系统等组成。主要应用对象为航天火箭筒体的搅拌摩擦焊制造。

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图11 中国搅拌摩擦焊中心设计完成的中国第一台搅拌摩擦焊设备

8 工业应用

铝合金的搅拌摩擦焊经历10 年的研究发展,现在国外已经进入大规模的工业化应用阶段尤其在美国的宇航工业、欧洲的船舶制造工业、日本的高速列车制造等工业制造领域得到了非常成功的应用。

船舶制造和海洋工业:船舶制造和海洋工业是搅拌摩擦焊首先得到商业应用的两个工业领域,主要在如下船舶零部件上得到成功应用:甲板、侧板、防水壁板、和地板;铝合金型材;船体外壳和主体结构件;直升机降落平台;离岸水上观测站;海洋运输结构件;帆船的桅杆及结构件;船用冷冻器中空平板等。

宇航制造工业:目前搅拌摩擦焊在飞机制造领域的开发和应用还处于验证阶段,主要利用FSW 实现飞机蒙皮和衍樑、荆条、加强件之间的连接,框架之间的连接、飞机预成型件的安装、飞机壁板和地板的焊接、飞机结构件和蒙皮的在役修理等。这些方面的搅拌摩擦焊制造已经在军用和民用飞机上得到验证飞行和部分应用。在航天领域,搅拌摩擦焊已经成功应用在火箭和航天飞机助推燃料筒体的纵向对接焊缝和环向搭接接头的焊接。另外搅拌摩擦焊还用来增加商业板材的成型前的可使用尺寸,从而减少超尺寸板材零件的制造成本和费用。总之,搅拌摩擦焊在宇航领域的工业应用范围主要为:机翼、机身、尾翼、飞机油箱;外挂燃料箱;运载火箭、航天飞机的低温燃料筒;军用和科学研究火箭和导弹;熔焊接构件的修理等。

铁路运输工业:利用搅拌摩擦焊技术来制造高速列车已经取得成功,搅拌摩擦焊在列车制造领域的应用主要为:高速列车、轨道货车、地铁车厢和有轨电车、轨道油轮和货物驳船、集装箱体等。

陆路交通工业:目前已经有多家汽车制造公司以及零件供应商就搅拌摩擦焊在汽车上的应用展开研究和开发,已经取得很大成功。随着铝合金结构件在汽车中的应用越来越广泛,搅拌摩擦焊为汽车工业轻合金结构间的制造和使用提供了巨大的可能。目前应用主要为:发动机引擎和汽车底盘和车甚支架、汽车轮鼓液压成型管附件、汽车车门预成型件、车体空间框架、卡车车体、载货车的尾部升降平台、汽车起重器、装甲车的防护甲板、汽车燃料箱、敞篷旅行车、公共汽车和机场运输车、轻合金摩托车和自行车、人工关节和零件、逃生交通工具、镁合金和铝合金的连接。

建筑工业:搅拌摩擦焊在民用建筑工业的应用主要为:铝合金桥梁、铝合金、铜合金、镁合金装饰板、门窗框架铝、合金管线、电厂和化学工厂的铝合金反应器、热交换器、中央空调、管状结构件制造等。

电子工业:电子工业对搅拌摩擦焊的兴趣也在增加,其应用主要表现为:发动机壳体、电器连接件、电器封装等。

其他工业领域:在其他工业领域搅,拌摩擦焊也有较多应用。例如,冰箱冷却板、厨房电器和设备、白色家用物品和工具、天然器、液化气储箱和容器、家庭装饰等。

在中国市场,搅拌摩擦焊技术面对是一个完全崭新的市场,中国搅拌摩擦焊中心的成立标志着搅拌摩擦焊技术的研究开发和工程应用在中国市场的正式开始,是中国焊接技术发展史上新的里程碑。目前,搅拌摩擦焊技术的开发和应用在中国刚刚开始,迄今,已经正式得到中国搅拌摩擦焊中心搅拌摩擦焊专利技术二级许可的单位已有两家:华东船舶工业学院和哈尔滨工业大学。随着人们对搅拌摩擦焊技术认识的提高,预计在不远的将来,铝合金材料的连接将主要由搅拌摩擦焊来完成,尤其在运载火箭、高速铝合金列车、铝合金高速快艇、全铝合金汽车等项目中,搅拌摩擦焊技术将会占到主导地位。

9 结论

(1) 搅拌摩擦焊为铝合金材料的连接提供了新的方法和途径。
(2) 搅拌摩擦焊为新型铝合金工业产品的设计和制造提供了可能。
(3) 搅拌摩擦焊可以焊接所有牌号的铝合金材料。
(4) 搅拌摩擦焊可以简化铝合金材料焊接准备和要求,并且得到优良的焊接接头。
(5) 铝合金使用的优越性和流行性使搅拌摩擦焊技术在中国具有广阔的应用空间。

感谢

在此,本文作者特别感谢北京航空制造研究所关桥院士,为本文的撰写提出了宝贵意见;特别感谢中国搅拌摩擦焊中心韦依女士为本文提供了中国第一台搅拌摩擦焊设备的三维彩色图片;另外本文中引用的部分技术信息和资料由英国焊接研究所TWI 提供,在此特表示感谢。

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