搅拌摩擦焊近年来,为了适应新材料与新结构的应用,国内外在摩擦焊接及相关技术方面取得了重要进展,其中以线性摩擦焊(LinearFriction Welding)、摩擦堆焊(Consumable RodFrictionsurfacing)、搅拌摩擦焊(FrictionStir Welding)、摩擦塞焊(Friction Plug Welding)等被称为是“科学摩擦(Science Friction)的先进摩擦焊接技术具代表性。 摩擦焊技术在国内的发展及应用状况 摩擦焊是焊接大家族中的一名重要成员,是一种金属固相热压焊方法。搅拌摩擦焊它是把两种焊件的结合面作相对高速运动,借助于摩擦热使接触部分达到塑性状态,再经加压而连接成一体的一种工艺方法。 摩擦焊接在中国的发展,目前在基础技术研究,工程化开发,设备制造等方面已经取得了一定的成绩,并在迅速发展,面对中国在航天,航空,铁路,船舶,能源等领域的远景规划和长远发展,以及潜在的巨大市场需求,摩擦焊接在未来几年内将迎来快速发展和应用的高峰。
搅拌摩擦焊焊接技术可以追溯到几千年前的青铜器时代,在人类早期工具制造中,无论是中国还是当时的埃及等文明地区,都能看到焊接技术的雏形。古代的焊接方法主要是铸焊、钎焊和锻焊。搅拌摩擦焊中国商朝(公元前1600年—公元前1046年)制造的铁刃铜钺就是铁和铜的铸焊件,其表面铜与铁的熔合线蜿蜒曲折,接合良好。春秋战国时期(公元前770年—公元前221年)曾侯乙墓中的建鼓铜座上的盘龙是分段钎焊连接而成的,与现代软钎料成分相近。战国时期制造的刀剑一般是加热锻焊而成的。据明朝宋应星所著《天工开物》记载:中国古代将铜和铁一起入炉加热,经锻打制造刀、斧;用黄泥或筛细的陈久壁土撒在接口上,分段锻焊大型船锚。在古埃及和地中海地区,公元前1000年人们就已经能够通过搭接的方法制造金盒及铁质工具。到中世纪(约公元476年—公元1453年),早叙利亚大马士革曾用锻焊方法打造兵器。但古代焊接技术长期停留在较原始的水平,使用的热源都是炉火,温度低、能源不集中,无法用于大截面、长焊缝工件的焊件,只能用以制作装饰品、简单的工具和武器。近代真正意义上的焊接技术起源于1880年左右电弧焊方法的问世。下表列出了焊接史上重要方法和技术的出现时间、发明人及所属国家。
搅拌摩擦焊摩擦焊通常由如下四个步骤构成:1、机械能转化为热能;2、材料塑性变形;3、热塑性下的锻压力;4、分子间扩散再结晶。摩擦焊相较传统熔焊大的不同点在于整个焊接过程中,待焊金属获得能量升高达到的温度并没有达到其熔点,即金属是在热塑性状态下实现的类锻态固相连接。搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊相对传统熔焊,摩擦焊具有焊接接头质量高,能达到焊缝强度与基体材料等强度,焊接效率高、质量稳定、一致性好,可实现异种材料焊接等。
搅拌摩擦焊在飞机制造中,摩擦焊接也展现了新的应用前景。AI SI 4340超高强度钢因其具有高的缺口敏感性和焊接脆化倾向,当用来制造飞机起落架时,国外规定不允许采用熔化焊接方法施焊,已成功地进行了4340管与4030锻件起落架、拉杆的摩擦焊接。此外,直升飞机旋翼主传动轴的N i t r a l l o y N合金齿轮与18%高镍合金钢管轴的焊接、双金属飞机铆钉、飞机钩头螺栓等均采用了摩擦焊接,这表明摩擦焊接技术已渗透到了飞机重要承力构件的焊接领域。某航天飞机三部发动机上1800个高温合金喷射器柱全部是由摩擦焊接方法焊接到发动机上的。(2)汽车工业搅拌摩擦焊国外在汽车零配件规模化生产中,摩擦焊接技术占有较重要的地位。据不完全统计,美国、德国、日本等工业发达国家的一些著名汽车制造公司,已有百余种汽车零配件采用了摩擦焊接技术。
搅拌针的尺寸(包括轴肩长度,针的长度和半径与板材的匹配性),焊速,转速倾角;搅拌摩擦焊摩擦焊通常由如下四个步骤构成:1、机械能转化为热能;2、材料塑性变形;3、热塑性下的锻压力;4、分子间扩散再结晶。搅拌摩擦焊摩擦焊相较传统熔焊大的不同点在于整个焊接过程中,待焊金属获得能量升高达到的温度并没有达到其熔点,即金属是在热塑性状态下实现的类锻态固相连接。搅拌摩擦焊相对传统熔焊,摩擦焊具有焊接接头质量高——能达到焊缝强度与基体材料等强度,焊接效率高、质量稳定、一致性好,可实现异种材料焊接等。
搅拌摩擦焊搅拌头的成功设计是把搅拌摩擦焊应用在更大范围的材料和焊接更宽的厚度范围的关键。下面主要讨论一下搅拌头的发展现状.一般说来,搅拌头包括两部分:搅拌探头和轴肩,而搅拌头的材料通常都采用硬度远远高于被焊材料的材料制成,这样能够在焊接过程中将搅拌头的磨损减至最小。在初期,搅拌头形状的合理设计是获得良好机械性能焊缝的关键。关于搅拌头的发展主要集中在两个方面:一个是带螺纹的搅拌头,一个是带三个沟槽的搅拌头。本质上,这两种搅拌探头都设计成锥体,大大减少了相同半径圆柱体搅拌探头的材料卷出量,一般说来,带三沟槽的搅拌探头减小了70%,而带螺纹的搅拌探头减小了60%。搅拌摩擦焊如果使用一个确定的较小直径的搅拌探头,锥形搅拌探头比圆柱形搅拌探头更容易进入焊件而通过塑性材料,并且减小了搅拌头的应力集中和断裂可能性。