C型搅拌摩擦焊机机械结构设计【2张CAD图纸】
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C型搅拌摩擦焊的现状与发展1 前言1991年,英国焊接研究所（The Welding Institute-TWI）发明了搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding-FSW），这项杰出的焊接技术发明正在为世界制造技术的进步做出贡献。在国外,搅拌摩擦焊已经在诸多制造领域达到规模化、工业化的应用水平。如在船舶制造领域，在1996年搅拌摩擦焊就在挪威MARINE公司成功地应用在铝合金快速舰船的甲板、侧板等结构件的流水线制造。在轨道车辆制造领域，日本HITACHI公司首先于1997年将搅拌摩擦焊技术应用于列车车体的快速低成本制造，成功实现了大壁板铝合金型材的工业化制造。在世界宇航制造领域，搅拌摩擦焊已经成功代替熔焊实现了大型空间运载工具如运载火箭和航天飞机等的大型高强铝合金燃料贮箱的制造，波音公司的DELTA II型和IV型火箭已经全部实现了搅拌摩擦焊制造，并于1999年首次成功发射升空。2000年世界汽车工业，如美国TOWER汽车公司等就利用搅拌摩擦焊实现了汽车悬挂支架、轻合金车轮、防撞缓冲器、发动机安装支架以及铝合金车身的焊接。2002年8月，美国月蚀航空公司利用FSW技术研制出了全搅拌摩擦焊轻型商用飞机，并且首次试飞成功。2 搅拌摩擦焊的技术特点搅拌摩擦焊作为一项新型焊接方法，用很短的时间就完成了从发明到工业化应用的历程。目前,在国际上还没有针对搅拌摩擦焊公布的统一技术术语标准，在搅拌摩擦焊专利许可协会的影响下，业界已经对搅拌摩擦焊方法中所涉及到的通用技术术语进行了定义和认可。下图示出了搅拌摩擦焊所用到的主要描述性术语。搅拌摩擦焊是一种在机械力和摩擦热作用下的固相连接方法。如图1所示，搅拌摩擦焊过程中，一个柱形带特殊轴肩和针凸的搅拌头旋转着缓慢插入被焊接工件，搅拌头和被焊接材料之间的摩擦剪切阻力产生了摩擦热，使搅拌头邻近区域的材料热塑化（焊接温度一般不会达到和超过被焊接材料的熔点），当搅拌头旋转着向前移动时，热塑化的金属材料从搅拌头的前沿向后沿转移，并且在搅拌头轴肩与工件表层摩擦产热和锻压共同作用下，形成致密固相连接接头。搅拌摩擦焊具有适合于自动化和机器人操作的诸多优点，对于有色金属材料（如铝、铜、镁、锌等）的连接,在焊接方法、接头力学性能和生产效率上具有其他焊接方法无可比拟的优越性，它是一种高效、节能、环保型的新型连接技术。但是搅拌摩擦焊也有其局限性，例如：焊缝末尾通常有匙孔存在（目前已可以实现无孔焊接）；焊接时的机械力较大，需要焊接设备具有很好的刚性；与弧焊相比,缺少焊接操作的柔性；不能实现添丝焊接。 搅拌摩擦焊对材料的适应性很强，几乎可以焊接所有类型的铝合金材料，由于搅拌摩擦焊接过程较低的焊接温度和较小的热输入，一般搅拌摩擦焊接头具有变形小、接头性能优异等特点;可以焊接目前熔焊“不能焊接”和所谓“难焊”的金属材料如：Al-Cu(2xxx系列) 、Al-Zn(7xxx系列)和Al-Li(如8090、2090 和2195铝合金)等铝合金。另外，搅拌摩擦焊对于镁合金、锌合金、铜合金、铅合金以及铝基复合材料等材料的板状对接或搭接的连接也是优先选择的焊接方法；目前，搅拌摩擦焊还成功地实现了不锈钢、钛合金甚至高温合金的优质连接。搅拌摩擦焊可以较容易实现异种材料的连接，例如铝合金和不锈钢的搅拌摩擦焊接，利用搅拌摩擦焊可以较方便的实现铝钢板材之间的连接和铜铝复合焊接接头。3 搅拌摩擦焊在国外的发展搅拌摩擦焊作为一种轻合金材料连接的优选焊接技术，已经从技术研究，迈向高层次的工程化和工业化应用阶段,形成了一个新的产业: 搅拌摩擦焊设备的制造、搅拌摩擦焊产品的加工.如在美国的宇航制造工业、北欧的船舶制造工业、日本的高速列车制造等制造领域，搅拌摩擦焊得到了广泛的应用,均已形成新兴产业。4激光辅助搅拌摩擦焊激光辅助搅拌摩擦焊（LAFSW）是一种新改进的搅拌摩擦焊，搅拌摩擦焊是近10年开发的工艺。在搅拌摩擦焊里，焊接热能是来自工具和工件之间摩擦热量。由于这种工艺需要相对大的力，因此，在搅拌摩擦焊中使用的设备笨重且昂贵。激光辅助搅拌摩擦焊用激光能源加热工件，而搅拌头的主要作用是搅拌和连接工件2部分。由于这种原因，激光辅助搅拌摩擦焊是一种相对简单和廉价的方法。 为了克服搅拌摩擦焊中存在的不足，如（1）装夹焊接工件的夹具较大，需要很大的力向前移动焊接工具，焊接工具磨损率相对高；（2）用感应线圈方法加热不能保证正确的位置、焊接搅拌头和夹具装置都受到加热感应线圈的影响及用感应线圈作媒介加热及仅适用于导体材料，并不能用于其他非金属和非导体材料。人们开发了的激光辅助搅拌摩擦焊 。这种方法由通用铣床和Nd：YAG激光器改造成的。激光能源在旋转搅拌头前面有限范围内预热工件。这样，旋转的搅拌头前面的工件体积、塑性增加（插图1）。然后，采用与普通FSW工艺一样的方法连接工件。旋转工具前面的高温软化了工件，并且可以不用强大夹具装夹就能够保证连接。向前移动焊接工具只需很小的力，所以减少了磨损。对于激光能源这种工艺的优点还有焊接能力较高，焊接中不会引起过多的磨损。商业用的激光器，具有很精确地激光直径控制装置，因此，控制工件的受热区域和激光源到达工件的数量，并且保持系统的其他部位的受热是比较容易的。 目前激光辅助搅拌摩擦焊的焊接工艺已经被证明。激光能预热工件的使用标志着在焊接工具和工件中需要提供较大的力的降低，用这种改进的方法简化了使用，因此使用经济的焊接方法已成为可能。另外，较高的焊接速度在改进中获得了较好的效益。5搅拌摩擦焊铸铝的高效连接技术针对ZL114A合金广泛应用，中国搅拌摩擦焊中心对该材料的搅拌摩擦焊工艺适应性进行了开发， 试验数据表明，该材料的搅拌摩擦焊工艺适应性良好，接头抗拉强度达到了母材的91%，接头力学综合性能优于电子束等熔焊方法。 ZL114A合金（旧牌号为ZAlSi7Mg1A），是在ZL101A合金基础上增加Mg元素的含量发展起来的Al-Si-Mg系高强度铸造铝合金。它既具有优良的铸造工艺性能，又具有较ZL101A合金更高的力学性能。由于其优越特性，在航空航天制造业中，广泛用于制造重要部位的大型薄壁结构件。ZL114A合金应用前景广阔，产生了对材料高效连接技术的迫切需求。因采用熔焊方法，热输入量较大，焊接变形大，难以满足薄壁件精度要求；并且焊缝易出现气孔、夹渣、未焊透、烧穿、裂纹等缺陷，缺陷率高；而且焊前焊后处理工序较繁琐。 搅拌摩擦焊是一种新兴的金属固相连接技术，金属在焊接过程中不熔化，热输入量小；焊缝的连接是在金属受挤压的状态下完成的，焊接接头不会产生熔化焊焊接接头的气孔和裂纹等一类缺陷，焊缝缺陷少；搅拌摩擦焊类似于机械加工过程，容易实现自动化控制，而且没有熔化焊中的电压，电流，强光，金属粉尘等现象，工作环境环保清洁。最重要的是，搅拌摩擦焊接头的力学性能优于熔焊接头。试验数据表明焊接接头的抗拉强度达到了母材的91，试样延伸率达到了2.5，接头组织晶粒细化、均匀而致密，消除了母材的铸造缺陷。ZL114A母材与焊接接头微观组织对比，可观察到焊核区微观组织是无方向性的、细小的等轴晶粒，母材区为粗大的树枝状铸造组织。搅拌摩擦焊是一种区别于熔化焊和机械连接的新型焊接技术，基于其技术优势，在航空制造业中的应用具有巨大的潜在性，为各种轻质合金高效连接，提供了解决途径和方法。6搅拌摩擦焊接在运载火箭上的应用运载火箭贮箱常用的材料是比强度高、比刚度高的铝合金，如2014，2219和7075 铝合金。现在，运载火箭贮箱又采用性能更好的2195铝锂合金。在航天产品中，特别是在制 造运载火箭贮箱中，焊接工艺是一项关键的制造技术。熔焊技术如气体钨极电弧焊（GTAW ）和气体金属电弧焊（GMAW）自20世纪50年代起，在雷神、宇宙神、大力神、土星和德尔它 系列运载火箭贮箱的制造中使用了几十年，从焊接设备、焊接材料、焊接工艺等方面作了大量的研究工 作，满足了焊接质量的需要。同时，为了提高焊接质量和降低成本，20世纪80年代美国又采 用了变极性等离子弧焊（VPPA）焊机，并配备了先进的计算机控制系统，代替了GTAW和GMAW ，焊接了2219-T87铝合金制的航天飞机外贮箱，使焊接工艺在贮箱的制造中向前迈进了一 大步。迄今为止，虽然焊接质量有所提高，焊接时间有所缩短，但仍不能彻底解决焊缝及近缝区的裂纹和减少焊接气孔等缺陷问题。1991年英国剑桥大学焊接研究所（TWI）发明了搅 拌摩擦焊接(FSW)。这种焊接技术焊接的铝合金变形小、冶金和力学性能高、成本低和焊接时间短。挪威在世界上最早用FSW焊接技术焊接过6 mm16 m2的6068-T6铝合金船面板和20 m长的铝合金制的快艇，焊接总长达10 000 m。瑞士也研制出FSW焊机。为了加速FSW焊 接技术在工业上的应用，1995年国际合作公司赞助了一项计划，由TWI研究所牵头继续研究FSW，并用FSW焊接2000系（AlCu）、5000系（AlMg）、6000系（AlMgSi）等铝合金，并均获得满意的焊接质量。TWI研究所、美国爱迪生焊接研究所（EWI）等部门，除了研究用FSW焊接铝合金外，还研究用它焊接黑色金属及其它金属。美国的航空航天工业部门对F SW开展了更多的应用性研究，如洛马公司、波音公司投入了大量的研制经费，仅花在FSW 焊接工艺和设备研制上的费用就达1500万美元，成功地焊接了德尔它的运载火箭贮箱 。由于FSW是在比被焊合金材料熔点温度低的条件下完成的固态连接，所以金属材料没有熔化，焊接收缩变形小和力学性能损失低，与传统的GMAW和GTAW熔焊技术焊接铝合金相比，有着突出的优点：a）不需要氩、氦保护气体和填充材料，焊接时不需要控制焊接电流和电弧电压参数，节省了大量材料的消耗。b）焊前不需要对被焊接材料和焊丝仔细清理、酸洗、打磨和烘干等，不必对被焊接材料机械加工开剖口，节省了许多操作时间。c）焊工不要求有高的操作技术。d）焊接能量效率高，单层焊接6000系铝合金可达12.7 mm厚度，因此适合于自动 化生产。e）不存在铝合金焊接主要缺陷，即裂纹敏感性问题，因此，容易焊接难以焊接的铝合金材料，如7075铝合金。f）由于FSW可以保持合金的冶金性能，所以可焊接金属基复合材料和快速凝固材料。 g）采用最佳的焊接参数，可以获得无气孔的焊缝。h）可以焊接异种金属，如铸造和挤压、铸造和锻造材料等。i）用FSW可以焊接许多通常不能够焊接的长而大的横截面零件。J）焊接大尺寸挤压件变形很小。k）焊接前工件装配要求低，待焊接表面根部不必紧配合，根部装配间隙允许公差低， 1.6 mm厚薄板根部装配间隙为0.2 mm，12.7 mm厚板为1.25mm。FSW是一项适合于焊接铝合金的新技术。因为它是固态焊接，与熔焊铝合金技术相比，具有3个主要优点：a）固态连接消除了与熔焊有关的裂纹，即液化或固化裂纹。在最佳焊接条件下完全消除气孔。b）不存在焊缝金属蒸发产生的合金元素损失，焊缝合金元素得到保存，因此焊接质量得到保证。c）由于焊接工具对材料产生的碾压、搅拌和锻造作用，可得到比基体金属更为细小的再结晶组织，焊缝金属强度超过了焊接热影响区材料的强度。用于运载火箭贮箱的材料2014-T6高强度铝合金（中国牌号为LD10）是比较难焊接的金属材料，其焊接热裂纹倾向性高，焊接接头强度系数为0.5左右，塑性不高，延伸率仅2%3 %，补焊性能差。FSW焊接后的接头弯曲试样证明：接头塑性明显提高，弯曲角达180，拉 伸试样均断在焊缝金属外的热影响区。2014-O状态拉伸试样破坏均断在基体金属。与熔焊接头相比，FSW焊接接头 的抗拉强度高30%50%，焊接接头的强度系数达0.7，断裂韧性提高，疲劳性能与铆接 的相同。2519-T87高强度铝合金有优异的冲击性能，用于海军先进的水陆两用攻击型战车，但用普通熔焊时，焊接接头塑性低，不能通过必须的冲击验收试验，经FSW焊接后的焊接接头比熔焊接头塑性提高，强度相同，成功地通过了弹道冲击试验。2195-T8铝锂合 金采用FSW焊接，焊接接头力学性能比VPPA焊接接头力学性能高得多。FSW发展很快，已有10年。自从1995年以来，欧洲、美国和日本等一些国家对FSW开展了应用性研究，特别是美国航空航天工业部门高度重视该技术，并用它 成功地焊接了以往难以焊接的7075铝合金低温燃料贮箱，其力学性能很好。5454铝合金焊接后有很好的抗腐蚀性。当前各国都在研究不同铝合金，不同接头形状的焊接，着手建立材料焊接力学性能数据库，建立飞机和航天工业用铝合金焊接标准，并将FSW应用扩大到汽车、造船 、铁路 、建筑、压力容器等部门。同时研究熔点高的钛合金材料，包括金属基材料在内的泡沫铝合金材料的焊接。FSW焊接主要依靠设备完成，研究的重点是夹持器和特型指棒。研究证明：工具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；夹持器的尺寸决定了焊缝 的尺寸、焊接速度；工具材料决定了摩擦加热速度、夹持器的强度、工件温度；所以，夹持器决定了焊缝的最终质量。在各国的专利中，
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