2022年铝合金搅拌摩擦焊工艺分析研究 .pdf

1 / 7 铝合金搅拌摩擦焊工艺研究1. 本设计 。另一方面搅拌摩擦焊不需要焊丝，不需要对接束缚条，不需要加强板，不需要粘接密封介质，没有紧固铆钉和高锁，在减少制造过程库存零部件的同时，大大减轻了飞机连接装配的重量。搅拌摩擦焊作为一种低成本的制造技术，用来代替气体保护熔化焊接( GMAW 和APPW ，大幅度降低了系统费用。同时使单个燃料筒体的制造周期由原来的 23天，缩短为 6天。1. 2 提高飞机制造效率传统的飞机结构多为机械连接的装配方法，零件多，速度慢，制造步骤复杂，不容易实现生产装配自动化。但搅拌摩擦焊技术在飞机制造领域的应用，可使飞机高成本、大件加工、机械连接方式变为低成本、小件焊接、整体成型结构方式，有效提高了飞机制造装配的效率，缩短了飞机零、部件的制造装配周期。另外，搅拌摩擦焊技术对硬件要求较低，完全可以通过对传统机床设备的改造，或在现有机械设计和加工能力的基础上完成。而且焊接过程没有飞溅、电弧等强烈的电磁干扰，易于实现过程数字控制和生产自动化。目前国外公司已经在数控多坐标铣床和焊接机器人系统上应用搅拌摩擦焊技术，实现搅拌摩擦焊的变截面的空间曲线轨迹的焊接。波音公司已经成功地实现了复杂结构的飞机门的曲线搅拌摩擦焊焊接。另外在战斗机的裙翼上成功地实现了薄板 T 形接头的搅拌摩擦焊连接，并且进行了相关飞行测试。1. 3 提供新的飞机结构设计可能性搅拌摩擦焊不仅能在普通材料上得到优良的接头，而且在以前所谓的“ 难焊 ” 和“ 不可焊接” 铝合金材料上也能实现可靠连接，如可在 1420、2195、2524、6013、 6056、7075、AlMgSc等多种航宇合金材料上得到固相连接。同时，由于搅拌摩擦焊技术的特殊性，不同金属合金材料例如2524和7349，6065和1424，6061和 2024等，也能得到可靠的焊接。对于从1 mm 到75 mm不同厚度的金属材料，基于搅拌摩擦焊不存在熔化过程，所以也能得到优良的固相连接。另外虽然原始材料的生产准备状态不同，但是搅拌摩擦焊可以实现板材件、挤压型材件以及预成型件的焊接。英国焊接研究所已经成功地把锻压板材件用搅拌摩擦焊的方法和铸态零件焊接在一起，同时得到非常优异的接头机械性能。搅拌摩擦焊技术为飞机结构设计中新材料、新结构的应用提供了更多的选择性和可能性。2. 本设计 课题）国内外研究历史与现状目前，该所主要是与航空、航天、船舶、高速列车及汽车等焊接设备制造厂和国际性的大精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 7 页2 / 7 公司联合，以团体赞助或合作的形式TWI 的 GSP工程）研究、开发搅拌摩擦焊技术，不断扩大其应用范围。目前由工业企业赞助的研究工程包括：大厚度铝合金的搅拌摩擦焊、钢的搅拌摩擦焊、钛合金的搅拌摩擦焊、汽车轻型构件的搅拌摩擦焊等。美国的爱迪生焊接研究所EWI ）与TWI 密切协作，也在进行FSW工艺的研究。美国的洛克希德。马丁航空航天公司、马歇乐航天飞行中心、美国海军研究年、Dartmuth大学、德国的Stuttgart大学、澳大利亚的Adelaide大学及澳大利亚焊接研究所等都有从不同的角度对搅拌摩擦焊进行了专门研究。1铝合金搅拌摩擦焊在航空航天领域中的应用随着搅拌摩擦焊的研究进一步走向深入，搅拌摩擦焊设备也逐渐从实验室走向商用。TWI 应用此技术为波音公司生产了3个2000系列铝合金航天飞机燃料箱；美国洛克希德。马丁公司、波音 -麦道公司、洛克韦乐集团、爱迪生焊接研究所等多家机构目前正在致力于搅拌摩擦焊接的研究、应用评估和开发。在航空航天领域适于用FSW技术焊接的结构包括：军用或民用飞机的蒙皮、航天器中的低温燃料箱，航空器油箱、军用机的副油箱、军用或科技探测火箭等；美国洛克希德。马丁航空航天公司用该技术焊接了航天飞机外部储存液态氧的低温容器；在马歇乐航天飞行中心，也已用该技术焊接了大型圆筒形容器。Boeing公司投资几百万美元，制造了用于Delta运载火箭的大型低温燃料容器的大型专用搅拌摩擦焊机， BAE 空中客车公司正在对FSW技术进行方法、性能和可行性验证，目的是用来生产中型和大型商用客机，所采用的搅拌摩擦焊机由地处合利伐克斯的GRAWFORD-SWIFT 公司制造，据说是欧洲功率最大的焊机。美国ECLIPSE 月蚀）航空公司将利用FSW来制造一架 10.86m长、翼展 11.88m的中型飞机。公司估计，采用FSW可以将机身壁板上的加强肋、框架的装配时间减少80%，使飞机成本降低为83.7万美元。此飞机的主要结构件、蒙皮等全部采用国际上最新的连接技术 搅拌摩擦焊技术制造，客机的机身基本上全部利用搅拌摩擦焊制造，其中包括飞机蒙皮、翼肋、弦状支撑、飞机地板以及结构件的装配等搅拌摩擦焊的应用主要用来提高生产效率和降低制造成本，会对航空结构件的搅拌摩擦焊工艺是由 TWI 与美国 ALCOA 公司联合进行实验开发，然后应用于ECLIPSE500 型飞机结构件的焊接。公司在2000年9月通过了飞机安全委员会的初步设计评估和认证，2001年6月确定搅拌摩擦焊的飞机制造中的可行性，2001年开始制造搅拌摩擦焊飞机结构件，2002年6月首飞，并在 6月29日7月1日向公众展示了这种新型飞机的目前已经有上百家客户争相订购这种新型的谦价、切能的商务飞机，该种飞机预计2003年8月进行飞行认证，在2003年8月交会用户使用。2铝合金搅拌摩擦焊在船舶制造领域中的应用目前，基于搅拌摩擦焊在焊接方法、力学性能、制造成本以及环境等方面的巨大优越性和潜在的工业应用前景，在船舶制造领域里，搅拌摩擦焊得到了深入细致的研究和开发。船舶制造不仅要求速度的增加，而且要求单位价格载荷性能的提高，所以舰艇制造要尽可能的铝合金材料来降低船舶重量。但铝合金材料的传统连接方法为铆钉连接和弧焊连接，铆接增加了制造时间、人力和物料的使用量，而铝合金熔焊时容易产生变形、缺陷及烟尘等，也限制了弧焊在铝合金构件上的使用，所以随着搅拌摩擦焊技术的发展，用搅拌摩擦焊来实现高集成度的预成型模块化制造来代替传统的船舶来板-加强件结构的制造，是船舶制造技术发展的必然和革命性的进步。搅拌摩擦焊在船舶轻合金预成形结构件上的应用，在外观、重量、性能、成本以及制造时间上具有明显的优越性，不仅可以用于船舶轻合金结构件的制造，还可以用于现场装配，精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 7 页3 / 7 为现代船舶制造提供了新的连接方法通知搅拌摩擦焊代替熔焊实现轻合金结构件的制造，是现代焊接技术发展的又一次飞跃。FSW技术在船舶制造、海洋工业和宇航工业中有广泛的应用前景，适于用FSW技术焊接的结构包括：甲板、壁板、隔板等板材的拼焊、铝挤压件的焊接、船体和加强件的焊接、直升机降落平台的焊接等。目前已用该技术焊接快艇中上长为 20m的铝合金结构件，焊缝总长度超过500km。3. 目前存在的主要问题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. 本设计 : 18 202 张华 ,林三宝 ,吴林 ,冯吉才 ,栾国红 . 搅拌摩擦焊研究进展及前景展望J. 北京：焊接学报，2003(6:2325. 3 舒霞云 .贺地求 .周鹏展 高强铝合金厚板搅拌摩擦焊可焊性分析J-轻合金加工技术 2004(12 4 汪建华 , 姚舜 , 魏良武 . 搅拌摩擦焊的传热和力学计算模型J焊接学报 ,2002,21(4:61-64 5 栾国红，郭德伦， 张田仓 .搅拌摩擦焊在飞机制造工业中的应用J 航空制造技术，2002,(4:27-32. 6 赵熹华，冯吉才.压焊方法及设备M. 北京：机械工业出版社，2005.8 7 匡震邦，顾海澄，李中华材料的力学行为M 北京：高等教育出版社，1985 8 王大勇，冯吉才，搅拌摩擦焊接三维流动模型J焊接学报，2004，25(4：46-509 于勇征，罗宇，栾国红影响搅拌摩擦焊金属塑性流动的因素J. 焊接学报 . 2004，25(2:117120. 10 侯增寿 ,卢光熙 ,金属学原理 M. 上侮：上海科学技术出版杜. 1990.2. 11王希靖 ,阿荣 ,郭瑞杰 LY12铝合金的搅拌摩擦焊接工艺研究J甘肃兰州兰州理工大学学报 2004.8:1214. 12方洪渊 .焊接结构学 M 北京：机械工业出版社，2008.4 13 Li Y ，Murr L E McClure J C Solid-state flow visualization in the friction-stirwelding of 2024 AL to 6061 ALJScripta Materialia ，1999，40(9:1041104614 Liu G ，Murr L E Niou C S，et alMicrostructural aspects of the friction-stir welding of 6061-T6 aluminumJ Scripta Materialia ，Aug1997，37(3：355361 15 Li Y ， Murr L E精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 7 页4 / 7 ，McClure J C Flow visualization and residual microstroctures associated with the friction-stir welding of 2024 aluminum to 6061 aluminumJ Materials Science and Engineering ：A，1999，271(2：213 223. 铝合金的搅拌摩擦焊工艺研究摘要：搅拌摩擦焊是一种新型的固态连接技术。采用搅拌摩擦焊技术成功地实现了厚度为#铝合金板材的对接、角接及园筒纵缝的焊接。分析研究了实验过程中搅拌焊头的形状、尺寸及焊接工艺参数对搅拌摩擦焊接头质量的影响。实验结果表明，对于厚度为#的铝合金板材，圆柱形搅拌焊头的最佳设计尺寸是：搅拌焊针的直径为#，肩部的直径为* 。采用该焊头在旋转速度为!+&!&,-.，焊接速度为 !$!$+( /的范围内，压力为!+0 时施焊，可获得质量良好的焊接接头。关键词：搅拌摩擦焊；铝合金；固态连接技术搅拌摩擦焊是英国焊接研究所发明的一种新型固态连接技术!#。同传统的熔化焊相比，由于搅拌摩擦焊属固相焊接，其接头不会产生与熔化有关的一些如裂纹、气孔及合金元素的烧损等焊接缺陷；焊接过程中无需填充材料、保护气体，焊接前无需进行复杂的处理工作，焊接时所需能量仅为传统焊接方法的&8 左右；焊接过程中无弧光辐射、烟尘和飞溅，噪音低，因而搅拌摩擦焊是一种高质量、低成本的“ 绿色焊接方法” 。目前，工业发达国家铝合金的搅拌摩擦焊技术已进入商业化阶段，而我国在该技术领域中的研究才刚刚起步。本实验针对工业纯铝及两种典型的铝合金材料做了大量的搅拌摩擦焊工艺实验，旨在深入研究搅拌摩擦焊的工艺原理及微观机理，探索其内在的规律，为搅拌摩擦焊技术早日在我国工业领域推广应用提供理论和实践依据。1.搅拌摩擦焊的工艺原理搅拌摩擦焊的工作原理示于图!。焊接时，先将被焊件固定在平台上，搅拌焊头在高速旋转的同时插入接缝中，直至肩部与被焊件表面紧密接触。旋转的搅拌焊头与焊件之间摩擦产生的热量，使接缝处材料温度升高而软化，同时，搅拌焊头边旋转边沿着接缝与焊件作相对运动，搅拌焊头前面材料发生强烈的塑性变形并流向搅拌焊头的后面，肩部所施加的压力使接缝处的变形金属通过相互扩散与再结晶牢固地结合在一起，从而形成搅拌摩擦焊焊缝。2.实验条件与方法实验分别以厚度为#的工业纯铝、硬铝及防锈铝作为待焊材料，用自制的搅拌摩擦焊设备，实现了对接接头、角接接头及园筒纵缝的焊接图!）。实验过程中，分别采用十种不同尺寸的阶梯圆柱形搅拌焊头，在不同的工艺参数下施焊，观察焊缝成形质量，测试接头的力学性能，利用金相显微镜观察接头的微观组织，分析研究工艺参数对焊缝质量影响。3.实验结果与分析3.1.搅拌焊头的形状、尺寸对焊缝质量的影响搅拌焊头是搅拌摩擦焊所采用的一种非消耗的可旋转的焊接工具，其结构的设计是搅拌摩擦焊技术的核心。结构理想的搅拌焊头能够使焊接区内摩擦产热量高、热塑性状态的金属流动性好、塑性金属流受到的挤压力较大且搅拌焊头向前移动时所受到的阻力较小，可以实现在相对较高的焊接速度下焊接较厚的板材。3.1.1搅拌焊头的形状在搅拌摩擦焊过程中，搅拌焊头的形状对摩擦产热及金属的塑性流动状态有重要作用。搅拌焊头形状设计合理，会使焊接区摩擦产热功率提高，热塑性状态的金属易于流动，焊精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 7 页5 / 7 接工艺性好。目前搅拌焊头的形状主要有以下几种：圆柱形、圆锥形 的铝合金薄板，搅拌焊针的直径为 时，其长度应在!#*!#+ 范围内。3.1.3肩部的尺寸搅拌摩擦焊接时，热量主要来自于肩部与焊件的摩擦，肩部尺寸直接影响着焊接线能量的大小，从而影响焊缝的质量。采用不同系列直径的搅拌焊头施焊，焊后对其试样进行比较，结果表明，搅拌焊头的肩部直径与焊针直径之比为,$时，易获得高质量的焊缝。肩部尺寸过大，热输入量增加，势必导致热影响区尺寸增大，同时焊件易产生变形；肩部尺寸过小，则需通过增大旋转速度或降低焊接速度的方式保证热输入量，不利于节能、降耗和提高生产效率。3.2工艺参数对焊缝质量的影响在搅拌摩擦焊接过程中，单位长度焊缝上的热输入量和塑性金属流在搅拌焊头的作用下产生的流动状态是决定焊缝质量的关键因素。搅拌摩擦焊热功率计算公式为+：!#!$% !&%-&%-! ） .*% &% -） $）式中： !输入工件总的热功率；% ，% -焊头肩部的半径和焊针的半径；$压力； #搅拌焊头的转速； !摩擦因数如假定%- ，则 !#! % .*! ）因而，单位长度焊缝上的热输入量即焊接线能量则可用下式表示： #!$% .*( ） ）式中： 焊接线能量； (焊接速度精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 7 页6 / 7 3.2.1.旋转速度与焊接速度由公式 ）可知，在搅拌摩擦焊过程中，焊接线能量的大小取决于搅拌焊头肩部的半径、压力、摩擦因数及转速与焊速之比时，搅拌焊头的旋转速度在$+! /-0范围内，焊接速度为$#!$#+* 1时，即 #(在 $%#!&#*/ 范围内，焊缝质量较好。焊接时，如果转速过低或焊速过高，都会导致#(降低，即焊接线能量较小，热量不足以使焊接区金属达到热塑性状态，因而焊缝成形不好，甚至焊缝表面出现沟槽。随着转速的提高或焊速的降低，# (逐渐增加，焊接线能量趋于合理，焊缝质量较好。当转速较大或焊速较小时，#(则较大，单位长度焊缝上的热输入量过高，焊接区金属过热而导致焊缝成形及质量均较差。3.2.2压力实验过程中发现，采用肩部直径为$%、焊针直径为 !% 的搅拌焊头焊接时，压力基本保持在 #&(!#(的范围内，就可获得较好的焊缝质量。增大压力，可提高热输入量，提高焊缝组织的致密度；但由于摩擦力增大，搅拌焊头向前移动的阻力增大，且压力过大易使焊缝凹陷，焊缝表面出现飞边、毛刺。而压力过小，焊缝组织疏松，焊缝内部出现孔洞，甚至肩部对焊接区起不到封闭作用而使焊缝金属流外溢。3.3.接头的力学性能分析拉伸实验结果表明，母材的平均抗拉强度为&#!*+, ，焊缝的平均抗拉强度为$-.*+, ，较母材低约 #/。由图 !可以看出，焊接接头处于焊态时，其焊缝处的硬度值低于母材；而焊后经低温退火处理的试样，焊缝处的硬度略高于母材。这是由于冷轧的纯铝板材，轧制后有冷作硬化作用，而搅拌摩擦焊使焊缝处的硬化作用消失。由焊接接头的金相组织可见，与母材组织相比，焊缝处的晶粒要细小均匀见图 6，左侧为母材，右侧为焊缝）精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 7 页7 / 7 。这是由于在搅拌摩擦焊接过程中，焊缝组织经历了塑性变形和动态再结晶，使晶粒细化。由金相组织还可以看出，焊缝和母材组织没有明显的过渡，热影响区较窄。由于焊缝区晶粒细化，组织致密，热影响区较熔化焊时窄，且焊接过程中无合金元素烧损，杂质偏析，焊缝内部不会产生裂纹和气孔等缺陷，因而搅拌摩擦焊接头的综合性能良好。结论(的范围内，焊接速度为& #!&. % 5，旋转速度为&.!#2 %34范围时，利用自制的搅拌摩擦焊装置，成功地实现了厚度为!% 的工业纯铝薄板的对接、角接及圆筒纵缝的焊接，并获得成型美观，性能良好的焊接接头。搅拌摩擦焊焊缝是经过塑性变形和动态再结晶而形成，焊缝区晶粒细化，组织致密。热影响区较熔化焊时窄，无合金元素烧损、杂质偏析、裂纹和气孔等缺陷，综合性能良好。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 7 页