焊接工艺设计摩擦焊

1、焊接工艺设计与实例分析 青年你想变酷吗？拉风的墨镜，帅气的皮手套你想拥有吗？兵锋所指，火花四溅，举手投足间尽显风流，青年你想吗？你还在等吗？快点加入吧，这个NB的职业。 摩擦焊是一种固态热压焊，是利用摩擦热使焊件产生固相结合的焊接方法。摩擦焊是一种固态热压焊，是利用摩擦热使焊件产生固相结合的焊接方法。焊接时是利用焊件接触面之间的相对摩擦运动和塑性流动所产生的热量，使焊接时是利用焊件接触面之间的相对摩擦运动和塑性流动所产生的热量，使界面及其附近区域达到热塑性状态并在压力作用下产生适当的宏观塑性变形界面及其附近区域达到热塑性状态并在压力作用下产生适当的宏观塑性变形而形成接头。而形成接头。 摩擦焊工

2、艺摩擦焊工艺焊件绕轴旋转焊件绕轴旋转 其他运动其他运动 焊件不运动焊件不运动相位控制摩擦焊相位控制摩擦焊连续驱动摩擦焊连续驱动摩擦焊惯性摩擦焊惯性摩擦焊摩擦堆焊摩擦堆焊线性摩擦焊线性摩擦焊轨道摩擦焊轨道摩擦焊径向摩擦焊径向摩擦焊搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊摩擦焊工艺及分类一一 搅拌摩擦焊概况搅拌摩擦焊概况 搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding，简称FSW)是英国焊接研究所（TWI）1991 年发明的新型焊接工艺，起初主要是用于铝合金的焊接。自问世以来，引起了世人的广泛关注。世界许多国家和研究机构进行了大量的研究，自1999 年以来，国际上已经连续举办了5 届专门的搅拌摩擦焊学术研讨会

3、，从2000 年起FSW 已成为美国“AeroMat”和“Materials Solution”学术会议中重要的内容。搅拌摩擦焊国内直到1998年才开始进行搅拌摩擦焊技术研究。近年来，随着人们对其优越性的不断认识，许多高校、科研院所及企业都纷纷涉足搅拌摩擦焊领域，这些研究单位包括北京搅拌摩擦焊中心、南昌航空工业学院、哈尔滨工业大学、西北工业大学、大连铁道学院、上海交通大学、华东船舶工业学院、兰州理工大学、清华大学、中南大学、天津大学等。研究的主要内容涉及接头微观组织、接头力学性能、材料流动行为、焊接温度场和热循环等。 二二 搅拌摩擦焊工艺原理及过程搅拌摩擦焊工艺原理及过程 待焊接的对接或搭接件

4、放置于垫板上，并被夹紧。搅搅拌头拌头高速旋转并使搅拌针搅拌针迅速插入被焊件的待焊位置上，当轴肩轴肩与工件相接触时，搅拌头边旋转，边沿焊接方向移动，被焊工件在搅拌头的压力和摩擦热作用下变为塑性状态。搅拌头向前行走时，受到挤压的塑性材料在摩擦搅拌力的作用下向搅拌头的后侧流动，待搅拌头移走后，塑性材料冷却，经过原子扩散动态再结晶形成焊接接头，实现固相连接。图1 搅拌摩擦焊原理图 (a)施焊过程;(b)搅拌头(a)(b)搅拌摩擦焊焊缝中的洋葱环搅拌摩擦焊焊缝中的洋葱环紫铜搅拌摩擦焊接头横剖面形貌图紫铜搅拌摩擦焊接头横剖面形貌图 (a) 前进边洋葱环结构前进边洋葱环结构 (b) 后退边洋葱环结构后退边洋

5、葱环结构FSW 紫铜接头中洋葱环结构示意图紫铜接头中洋葱环结构示意图镁镁钢无匙孔搅拌摩擦点焊钢无匙孔搅拌摩擦点焊搅拌摩擦焊工艺过程夹持工件夹持工件开冷却水开冷却水焊机开启焊机开启摩擦头旋转下降摩擦头旋转下降搅拌针压入工件搅拌针压入工件摩擦头摩擦头旋旋 转转摩擦头停止下降摩擦头停止下降保温一定时间保温一定时间焊机关闭焊机关闭停冷却水停冷却水摩擦头向前摩擦头向前移动焊接开始移动焊接开始摩擦头停止摩擦头停止移动向上提升移动向上提升 三三 搅拌摩擦焊特点搅拌摩擦焊特点 与普通的摩擦焊相类似，搅拌摩擦焊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

6、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：（1）搅拌摩擦焊可以降低制造成本。搅拌摩擦焊是一种简单、高效、节能且没有焊接消耗的连接方法。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。 （2）搅拌摩擦焊为新产品新结构的设计提供了可能。例如以前熔焊不能连接的热敏

7、感性很强的硬铝、超硬铝及铝基复合材料材料都可以用搅拌摩擦焊得到可靠连接。搅拌摩擦焊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型材的连接，也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记录。（4）搅拌摩擦焊是一种安全的焊接方法。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，并且不需要电流电

8、压的参与，没有高的触电危险等。搅拌摩擦焊目前主要有以下局限性：（1）焊接速度比某些熔化焊方法的低，如薄板焊接时，虽然质量比激光焊接的好，但是焊接速度比激光焊接低。（2）工件必须被刚性固定夹紧，不同的焊缝需要不同的工装夹具，焊接设备的灵活性差。（3）需要背面垫板，由于有较大的轴向力，背面必须有刚性垫板。在封闭的结构中，背面垫板的取出是一个问题。（4）焊接结束后存在“匙孔”。目前正在开发搅拌摩擦焊“回抽技术”加以解决。 四 搅拌摩擦焊的应用 （1）搅拌摩擦焊在飞机制造业中的应用 NASA、波音公司及英国宇航空中客车公司BAA目前都致力于搅拌摩擦焊研究和应用。其中 NASA很早就开展了搅拌摩擦焊相关

9、技术研究，目前成功的将搅拌摩擦焊应用于航天器助推器制造。航空航天工业 电子工业 轨道交通业 应用领域不断扩大建筑材料工业 石油工业 汽车工业 需求与日剧增图2 搅拌摩擦焊连接的航天飞机助推器筒体及其外观（2）搅拌摩擦焊在造船行业中的应用 挪威、日本以及澳大利亚已经有多个船舶制造公司利用搅拌摩擦焊技术来建造大型船舶铝合金结构件。迄今为止挪威大约有25的船用铝合金结构采用搅拌摩擦焊制造。图3 挪威Hydro Marine采用搅拌摩擦焊焊制造船用型材和预制板（3）搅拌摩擦焊在汽车工业中的应用 目前，搅拌摩擦焊已经用于汽车车体顶棚加强板、车体地板加强结构件、铝合金发动机框架、发动机壳体内衬、车门加强结

10、构件等。挪威首先利用搅拌摩擦焊实现了铝合金汽车轮毂的搅拌摩擦焊制造，如图1.4所示。图4 中国搅拌摩擦焊中心制作的铝合金轮毂图5 采用FSW焊接的轨道列车地板图6 采用FSW点焊连接的RX-8后门（4）搅拌摩擦焊在军事工业上的应用 搅拌摩擦焊成功实现了坦克、装甲车的主体结构和防护装甲板的制造。如美国海军将FSW技术用于装甲车用2519板的焊接。图7 搅拌摩擦焊接工艺在坦克装甲车上的应用（5）搅拌摩擦焊在其他领域的应用 在其他领域，FSW也有较多的应用,如民用建筑工业中的铝合金桥梁、装饰板、门窗框架、管线、铝合金反应器、热交换器等；电子工业中的发动机壳体、电器连接件、电器封装等。此外，FSW还应用在冰箱冷却板、厨房电器、“白色”家用物品和工具、天然气和液化气储箱、家用装饰等。国内外国内外研究现状研究现状 目前我国针对逆变焊割设备的研究，特别是应用上的研究主要还是在硬开关逆变焊机的研究；而全桥软开关技术的逆变焊机的研究，在国内除一些高校进行研究之外，很少有企业进行研究的。至于采用嵌入式系统数字化处理与逆变软开关技术相结合的方式设计逆变电源方面研究，除