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外外 文文 翻翻 译译 毕业设计题目 毕业设计题目 火箭燃料贮箱火箭燃料贮箱 FSW 焊接用组合焊接用组合夹具设计夹具设计 原文原文 1 Friction stir welding for the transportation industries 译文译文 1 搅拌摩擦焊在运输行业搅拌摩擦焊在运输行业上上的应用的应用 原文原文 2 The role of friction stir welding tool on material flow and weld formation 译文译文 2 搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊搅拌头搅拌头在在材料流动材料流动与焊缝成形方面的作用与焊缝成形方面的作用 搅拌摩擦焊在运输行业搅拌摩擦焊在运输行业上上的应用的应用 作者 W M Thomas E D Nicholas 国籍 英国 出处 爱思唯尔科技部 本文将重点介绍较新兴的技术 搅拌摩擦焊 简称 FSW 像所有的摩擦焊接 一样 FSW 也是在固相中进行的 一般的固相焊接方式是以一种古老的冶金工艺的 形式被人们所熟知 搅拌摩擦焊接是一个比被加工面更硬的搅拌头连续自发无损耗的 热剪切过程 另外 FSW 产生的固相 以相对较低的代价得到变形小 表面不错的 焊接面 从本质上讲 外形特殊的搅拌头的一部分插入接缝处 一旦进入焊缝 有相 对运动的搅拌头与工件摩擦生热从而在接触的部分地方产生一个塑性变形区域 在工 件的顶部和搅拌头轴肩的接触区域也会产生摩擦热 轴肩区域产生的额外的摩擦热提 供了焊缝区并且起到了防止塑形状态材料溢出的作用 然后搅拌头沿着工件上的分型 线前行 背后的塑性材料接合形成固相焊缝 虽然工件在搅拌摩擦焊时会变热但是不 会达到熔点 搅拌摩擦焊可以加工大多数铝合金 并且不容易生成表面氧化物 到目 前为止的实验证明 大部分适用于汽车 铁路 海运和航空运输产业的轻质材料都可 以应用 FSW 来焊接 关键词 搅拌摩擦焊关键词 搅拌摩擦焊 运输产业运输产业 固相固相 介绍介绍 最近 一种新奇的摩擦焊接工艺吸引了有色金属材料的制造厂家 这种相对新颖 的工艺被称为搅拌摩擦焊接 FSW 作为一种固相工艺能提供高质量的焊接和焊缝 这种搅拌摩擦焊接工艺被证明适用于制造高质量焊缝 并且可以用于大多数材料 包 括那些在传统融合工艺看来很难焊接的材料 图 1 阐释了这种工艺的基本原理 这一工艺在焊接时通过一种比工件更硬的搅拌 头旋转着与工件产生摩擦热 以这种方式通过热环境软化邻近焊缝区域的材料来焊 接 这个搅拌头的形状是由一个大直径的轴肩与小直径的轴肩外加一个特殊的搅拌针 组成 搅拌针第一次与工件接触是在接缝区域 最初插入时的接触摩擦在搅拌针周围 以及搅拌针下面小区域范围内融出一个圆柱形 插入深度由搅拌针到搅拌头轴肩的距 离决定 轴肩与工件的接触给予焊缝区额外的摩擦热 保证了在焊接过程中高度塑化 材料不会溢出 一旦轴肩接触到相邻的热软化区域将形成与搅拌头几何形状相对应的 截头锥体区域 这个热软化区的顶部更广泛的与轴肩接触并逐渐减小到与搅拌针底部 一样大小 搅拌针与轴肩的摩擦热合并后在搅拌针附近与轴肩和工件接触的区域产生 了塑形流态材料 物质流在搅拌头处环绕并在搅拌头后合并 搅拌摩擦焊可以被视为 一个自发的锁孔接缝技术 这种合并焊接是自然的固相 没有显示出熔焊的缺陷 无 需消耗填充材料 没有用到保护气体 无边缘配备 引起的扭曲也远远低于其他任何 熔焊技术 实验所用铝材料厚度范围在 1 到 75mm FSWFSW 焊接试验 焊接试验 早期的勘探开发性试验用的是 6082 T6 型铝合金 厚度范围是 1 6 到 12 7mm 最 近的试验把厚度范围扩展到 75mm 以上 金相检验 图 2 4 展示了一系列 6082 T6 铝合金在厚度为 50mm 和 75mm 焊接时的可能性 这 些焊接时的宏观金相试片特点是有明确界定的焊缝块和流动轮廓 轮廓近球形 这些 轮廓依赖于搅拌头设计和焊接参数以及工艺条件 热处理材料的一个明确的热影响区 域是围绕在焊接块区域和延伸到工件表面与轴肩直径焊接处 焊接块本身就是一个区 域 那里有全动态重结晶出现 由细小的等轴晶粒结构组成 测得的晶粒直径大小在 2 到 4 m 通常情况下 基材的化学性是保留的 没有任何合金元素偏析 从 50mm 厚的焊接试验处得到的硬度数据记录为下值 金属断面的显微镜观察 焊接样品是从 6082 T6 金属的基材的焊接块区域的弯曲断裂处开槽口取 50mm 厚 得到 断裂表面用扫描电子显微镜进行了研究 基材与焊接块焊接失败的原因在于微 孔聚合机制 如图 3 然而 在焊接块样本中缺少相对较大的微孔 这可能是由于在 搅拌焊接时主要的组成粒子破裂了 机械完整性 金属板厚度达 50mm 横向截面弯曲测试为 180 度 图 4 展示了当横向截面部分是 从 75mm 厚的钢板处截取时的三点弯曲测试的情况 图 4 还展示了在 175 牛顿平方米 的热影响区时 一些拉伸试验通常都会失败 局部减少厚度的样品在拉伸试验中对应 区域的硬度下降 工艺特点 工艺特点 英国焊接研究所 TWI 的实验研究工作在于评估各种材料和发展其他摩擦搅拌 焊接用搅拌头 旨在改善在搅拌针附近的流动塑形材料 并且能够加工更厚的金属板 和拥有较高的进给速度 图 5 说明了所有旋转机械固有的自然动态轨道 这个偏心或多或少算是搅拌摩擦 焊的一部分特点 偏心使流性不可压缩的塑性材料更容易在搅拌针附近流动 由此可 见 一个偏心的或非圆的搅拌针也允许塑性材料通过其周围 基本上这是大多数的动 态轨道探针与静态位移探针的关系 这有助于提供给塑性材料在旋转搅拌头间的一个 从前缘到后沿的流动路径 针对不同的材料所做的搅拌头 文献中已经有大量的几何形状与风格 搅拌头定 位时垂直于旋转搅拌头的前缘 提供了一个摩擦预热的效果 随后工件的热软化发生 在探头的前面 这种预热在焊接较硬或比较困难的材料时是一种优势 旋转搅拌头的 轴肩区域与结合表面接触的越多 摩擦产热就越有优势 然而轴肩区域的增加是由材 料限制的 往往会在焊接表面产生闪光 搅拌摩擦焊在运输行业的潜力 搅拌摩擦焊在运输行业的潜力 搅拌摩擦焊的潜在应用范围最初是铝 铜 铜合金 铅 钛 锌等材料 如下 航空领域的机身 燃料罐 薄合金表面 汽车制造业的薄车体 引擎支撑架 运输行业中的火车车身 大体积运输罐 造船业中高速渡轮的船体 甲板 内部结构以及液化石油气储存容器 搅拌摩擦焊技术将会应用到更薄的板材并且有更高的横向速度能产生泡沫填充 截面 随着技术的发展 更易弯曲的薄质板材的叠加焊接正在研究中 可移动回应性支承砧 图 6 展示了一个微型的卡特彼勒履带 它能为旋转搅拌头提供实体支持 即 移 动砧 这样的设计适应一些组合结构 像传统的电阻焊接技术和应对材料厚度等于 或小于 1 5mm 的情况 移动砧可以适当的和机器人对接来实现全自动缝焊与点焊 移 动砧的方法也可以被认为是代替一种相对较大的机械 例如 可以替代一个穿过固定 反应装置的旋转头 材料可以连续不断地通过滚轴输送到固定的工作台 装上一个移 动砧 就像一台家用缝纫机一样 移动砧 的概念可以考虑应用到航空与汽车工业 上去 总结 总结 毫无疑问的是 当搅拌摩擦焊作为一个可以产生优越焊缝 有高可靠性 高生产 力的焊接工艺被广泛认可时 它将开拓新的市场和新的机会 搅拌摩擦焊技术早已经 商业化而且被认为是提供了强力的技术性与环境适应性 鸣谢 鸣谢 感谢 Mike Gittos 和 PhilThreadgill 在冶金学上的支持 感谢 Steve King Peter Temple Smith Cliff Hart 在技术上的支持 搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊搅拌头搅拌头在材料流动和焊缝形成时的作用在材料流动和焊缝形成时的作用 作者 K Kumar Satish V Kailas 国籍 印度 出处 爱思唯尔科技部 摘要 摘要 本文尝试让人理解搅拌摩擦焊焊缝形成的机制以及搅拌摩擦焊搅拌头在这里面 所起的作用 通过特殊的焊接实验过程来理解材料流动的模式 其中搅拌摩擦焊搅拌 头和基材的相互影响是逐渐增加的 结果表明 在搅拌摩擦焊焊缝形成过程中一共有 两种材料流动规则 分别命名为 pin driven 流动 与 shoulder driven 流动 这些材料的流动规则混合在一起成为一个完整的焊接 这些规则明显的对比导致在搅 拌摩擦焊焊接过程中产生洋葱圈模式 此外 根据材料流动特性 焊缝形成的机制也 被提出 关键词 搅拌摩擦焊关键词 搅拌摩擦焊 材料流动材料流动 机制机制 缺陷缺陷 搅拌头设计搅拌头设计 1 1 介绍 介绍 环境友好型搅拌摩擦焊工艺是高强度铝合金焊接的有潜力且行之有效的方法 这 种固态局部热力结合工艺主要用于无消耗对接和搭接 一般来说 这个工艺是通过把 一个旋转的搅拌摩擦焊搅拌头插入到两块紧固夹块的连接处来实现的 直到轴肩接触 到材料正在被焊接的表面 这一过程会沿着焊接线进行 摩擦热和形变热在法向力作 用下被用于焊接 主要热源是来自搅拌头轴肩的摩擦热 次要热源是来自搅拌头的形 变热 搅拌摩擦焊的工序和术语在图 1 中用图示的方式表示出来 搅拌头旋转的速度矢 量是前进侧 AS 横向相同 与速度矢量相对的是回转侧 RS 工艺参数是刀具的 几何形状 轴向力 旋转速度 进给速度 倾斜角度 刀具的倾斜角度指刀具的轴线 与金属板被焊表面之间的角度 通常显微镜研究显示搅拌摩擦焊在微观结构特点上有 四个不同的区域 分别名为焊核区 WN 热机影响区 TMAZ 热影响区 HAZ 以 及基材 或者叫母材 搅拌头的几何形状被认为是影响材料流动和热量输入的其中一个主要因素 这反 过来也会影响焊缝的质量 通过数据研究搅拌头角度在不同区域的影响 晶粒的尺寸 以及焊接强度 发现实验的结果和模型十分吻合 Kumar 与 Kailas 用不同外型的搅 拌头进行试验解释了轴肩直径 搅拌头直径和搅拌头外形对缺口的大小位置 力学性 能 最终晶粒尺寸上的影响 但是 在搅拌摩擦焊设计方面并没有足够的理论背景 在大多数调查报告中 由于很多原因 搅拌头外型没被提到 Mishra 与 Ma 指出 大 多数搅拌头的设计都来自于直观的理念 推进搅拌摩擦焊搅拌头设计理念的第一步是 了解搅拌头在搅拌摩擦焊缝成形时的作用 在固态焊接中 焊缝成形的公认原则认为当一对无污染的表面距离相近到原子间 距时 是原子间的作用力导致它们互相粘合 在大多数固态焊接工艺中 像锻焊 扩 散焊 摩擦焊 爆炸焊 超声波焊 滚焊等等 粘接是靠在规定的压力和温度下 消 除氧化层和杂质来不断产生新的金属接触面而形成的 这些工艺通过修改基材的接合 面来满足固态焊接的条件 这么做不会产生额外的表面 相反 在搅拌摩擦焊中 由 于第三者 搅拌头 的加入 焊接工艺过程中会产生额外的接合面 最后 在正确的 压力和温度下 所有的表面结合在一起 这就是固态焊接产生声音的原因 因此 只 有当搅拌头的作用被知晓时 搅拌摩擦焊焊缝形成机制才能被清楚的知道 研究材料 流动能够很好的了解到搅拌头在焊缝成形时的作用 根据大量的研究资料 通过电脑分析材料的流动 得出结论 材料流动是复杂的 难懂的 一般情况下 材料流动的可视化是通过在焊接痕迹中引入一个标记材料或者 其他材料 在焊接后 可以通过 X 光或者断层或差分蚀刻找到这个被标记材料 以此 与初始位置比较 但是 有人说引入的标记材料破坏了材料流动的自然性 因为不同 的材料流动性是不同的 这会形成新的接合面 在另一方面 不同的材料在不同情况 流动原则不同 不能拿来于搅拌摩擦焊接过程中的情况来相似比较 弗拉蒂尼等对材 料流动的研究做出了巨大贡献 他们通过分析微观组织的演变把材料流动具体化 搅拌摩擦焊接中有个有意思的现象是圈模式的形成 在这方面弗拉蒂尼和司南有 研究 司南解释说洋葱圈的形成就像粘土模型 他指出 洋葱圈的形成是一个几何现 象 他说 大量半圆柱形的材料在每次搅拌头旋转时受挤压 横截面切片通过这些半 圆柱就形成了洋葱圈形状 弗拉蒂尼等人用数值模型解释洋葱圈模式的形成 他们认 为材料从回转侧进入运动区域并在搅拌头后面旋转 但是 没有任何实验证据能够证 明洋葱圈模式形成机制是正确的 另外一个重要的方面是搅拌摩擦焊中瑕疵的形成机制 Kim 艾尔高凡以及 Balasubramanian 提出了大量有关腔 沟 洞等缺陷的形成机制 不久他们就断定是 供热不足或过热以及异常的搅拌造成缺陷的形成 藏等人认为在镁铝合金的搅拌摩擦 焊接过程中气孔的形成是由于肩部底部压力不足 但是 没有任何有价值的信息说明 搅拌头在缺憾形成中起到作用 在本次调查中 通过分析材料流动情况来分析搅拌头在搅拌摩擦焊接过程中所取 得的作用这个简单的方法被提出 此次调查 材料流动的分析不是依靠外来引入的标 记材料 而是靠观察与分析搅拌摩擦焊接的形成机制以及缺陷的形成机制和洋葱圈模 式 2 2 实验方法实验方法 实验中使用的基材是 7020 T6 7020 是一种在航天工业里用作构架的中