搅拌摩擦焊用搅拌头的研究与发展

搅拌摩擦焊用搅拌头的研究与发展

0搅拌头是焊接技术中的一种核心技术,搅拌摩擦焊接是英国焊接研究所（ti）提出的一种新兴的固体连接方法。通过搅拌针和轴肩与工件间的摩擦热,在搅拌针的附近形成塑性软化层,软化层在搅拌头高速旋转的作用下填充入搅拌针后方所形成的空腔内,从而实现可靠的连接。与弧焊、激光焊、电子束、钎焊和扩散连接等传统焊接方法相比,搅拌摩擦焊具有焊接温度低、接头残余应力小、焊接工件变形小等优点。由于搅拌摩擦焊的焊接温度低于合金元素的熔点,从而避免了合金内易挥发性元素和低熔点元素的损失,接头内不易形成气孔和热裂纹等焊接缺陷。由于搅拌摩擦焊的这些优点,搅拌摩擦焊接头的力学性能较高,并且能一次完成较长、较大截面、多方位的焊接,操作便于机械化、自动化,所消耗的成本也较低。搅拌头是搅拌摩擦焊的关键,最优搅拌头是搅拌摩擦焊获得高质量接头的前提。搅拌头主要由轴肩和搅拌针两部分构成,其几何形貌和尺寸不仅决定着焊接过程的热输入方式,还影响焊接过程中搅拌头附近塑性软化材料的流动形式,对于给定板厚的材料来说,焊接质量和效率主要取决于搅拌头的形貌和几何设计。因而设计合理的搅拌头是提高焊接质量、获得高性能接头的前提和关键。对国内焊接行业来说,搅拌摩擦焊技术仍属于一种崭新的技术,对搅拌头这种核心技术的研究尚不够深入。本文对国外搅拌头的研究发展现状及发展趋势进行了系统的总结和分析,为搅拌摩擦焊技术在中国的应用和发展提供有价值的参考。1搅拌针和轴肩的实际焊接轴肩在焊接过程中主要起两种作用:①通过与工件表面间的摩擦,提供焊接热源;②提供一个封闭的焊接环境,以阻止高塑性软化材料从轴肩溢出。常见的几种轴肩形貌如图1所示,它们都是在搅拌针和轴肩的交界处中间凹入。在焊接过程中,这种设计形式可保证轴肩端部下方的软化材料受到向内方向的力的作用,从而有利于将轴肩端部下方形成的软化材料收集到轴肩端面的中心以添充搅拌针后方所形成的空腔,同时,可减少焊接过程中搅拌头内部的应力集中而保护搅拌针。对于特定的焊接材料,为了获得最佳的焊接效果,必须设计出与之相适应的特殊的轴肩几何形貌。由于轴肩在焊接过程中所起的作用比较单一,因而人们对轴肩形貌、几何尺寸及其对焊接过程中塑性流动和焊后接头质量影响方面的研究较少,而将大部分精力投入搅拌针形貌、几何尺寸设计方面的研究。2搅拌针的形貌和几何尺寸搅拌针在焊接过程中不仅通过与接合面间的摩擦来提供热输入,更重要的是起到机械搅拌作用,因而搅拌针的形貌和几何尺寸影响着塑性软化材料的流动形式和被切削材料的体积,进而影响接头的力学性能。正是由于搅拌针在焊接过程中所发挥的复杂而重要的作用,人们对搅拌摩擦焊的研究越来越深入,设计出了多种形式的搅拌针,以适应各种焊接状态。2.1材料流动性差图2是搅拌针为柱形时的搅拌头形貌。在搅拌摩擦焊工艺应用的初始阶段,柱形搅拌针应用得较为广泛,然而在焊接过程中,柱形搅拌针周围的软化材料受到指向焊缝根部的力较弱,软化材料的流动性较差。作者在实验过程中发现柱形搅拌针存在以下问题:(1)耐冲击力弱,即在焊接行走的起始瞬间,搅拌针容易在针的根部断裂,或经过较少的几次焊接后,搅拌针在焊接起始瞬间断裂;(2)焊后接头性能较差。2.2槽两种搅拌针的切变锥形螺纹搅拌针(WhorlTM)(图3)和三槽锥形螺纹搅拌针(MX-TrifluteTM)(图4)是英国焊接研究所(TWI)淘汰柱形搅拌针后设计出的两种搅拌针形貌。锥形螺纹搅拌针和三槽锥形螺纹搅拌针的共同之处是它们都呈平截头体状(或玻璃杯状),而且都带有螺纹。在搅拌针根部直径相同时,平截头体状搅拌针切削的材料比柱形的少。据计算,锥形螺纹搅拌针所切削的材料只有柱形搅拌针的60%,而三槽锥形螺纹搅拌针所切削的也只有柱形的70%。另外,平截头体形状搅拌针上的螺纹能促进搅拌头附近的塑性软化材料具有向上运动的趋势。为了改善软化材料的流动路径,增强其行为,一些研究人员还在搅拌针上设计出平台,或沟槽(图5)。对于三槽锥形螺纹搅拌针,锥面上开有三个螺旋形的槽,以减小搅拌针的体积,增加软化材料的流动性,同时破坏并分散附着于工件表面上的氧化物。2.3态流动模型计算结果偏心圆搅拌针(TrivexTM)(图6)和偏心圆螺纹搅拌针(MX-TrivexTM)(图7)的外形是根据搅拌摩擦焊的动态模拟得出的。搅拌摩擦焊动态流动模型是对焊接过程的三维动态模拟,它允许材料之间滑动甚至粘到搅拌针表面。用这项模拟技术可以观察到各种不同搅拌头焊接时塑性材料的流动形式。应用这项技术得出如下结论:在用具有球面特征的搅拌针进行焊接时,焊接方向的顶压力较小。该模型计算结果还表明,当搅拌针最小的纵截面与搅拌针旋转起来扫过的纵截面面积比在70%～80%之间时,焊接方向的压力最小。偏心圆螺纹搅拌针与偏心圆搅拌针相比,由于包含螺纹,从而更有利于粉碎工件表面上的氧化膜,有利于获得高强度的接头。2.4改进的搅拌针材料非对称搅拌针与传统搅拌针差异较大,搅拌针中心轴与设备的中心轴存在一个偏角,而轴肩的表面垂直于设备的中心轴(图8)。因而,在焊接过程中非对称搅拌头不是以搅拌头自身中心轴旋转。由于搅拌针只有部分表面直接与工件摩擦接触,搅拌针上部分材料可以被切去,以增加焊接过程中软化材料的流动路径,图9为改进后的搅拌针。采用非对称搅拌针焊接可提高搅拌针周围塑性软化区的范围,同时这种搅拌针的搅拌动作可以提高搅拌针的动态与静态体积比。而传统搅拌针的中心轴与设备的中心轴相重合,其旋转中心即为搅拌针的中心轴,因而只能靠改变搅拌针的形状来来改善搅拌针的动、静态体积比。2.5搅拌针的外观形貌外开螺纹搅拌针(图10)在靠近轴肩部分是平截头体状,但是开槽的地方却像树杈一样支开,锥度方向与平截头体相反,其目的是为了增加搅拌针的直径,而不必改变轴肩的尺寸。另外,搅拌针的端部是一个三叉样的搅拌器。这样的外形特征都是为了增加搅拌针扫过体积与搅拌针静态体积间的差值(即增大动、静态体积比),改善软化材料沿搅拌针侧面环向流动的路径。外开螺纹搅拌针适合搭接焊和“T”形接头焊接。外开螺纹搅拌针具有如下优点:①既增加了软化材料流动时的混合动作,又能充分粉碎和分散工件表面的氧化物;②搭接焊时,焊接区域宽度与板厚的比为190%,因而焊接压力减少20%,可明显减少轴肩于焊缝表面上的压入量,有效提高接头的承载能力;③可以使焊接速度提高一倍。2.6两级轴肩下焊件用于搭接的两级搅拌针(图11),它的一个形状特征是应用了第二级轴肩,第二级轴肩位于上下焊件的界面上。两级搅拌针下面一节针的直径较上一节的小,而且有五边形平台,目的是激起中间界面的氧化膜和提高下层材料的流动性,这样有利于搅拌摩擦焊的工业化。图12为采用搭接的两级搅拌针和传统搅拌针焊后接头形貌对比。2.7自动伸缩式搅拌针根据针的收缩方式,可伸缩式搅拌针可分为两种:手动可伸缩式搅拌针(图13)和自动伸缩式搅拌针(图14)。手动式伸缩搅拌针可以通过调节针长来焊接不同厚度的材料和实现变厚度板材间的连接。自动伸缩式搅拌针不仅具有手动伸缩搅拌针的功能,还可在焊接即将结束时将搅拌针逐渐缩回到轴肩内,从而避免形成匙孔缺陷。目前,NASA宇航局、波音公司以及马歇尔焊接工程中心等部门研制出多种可伸缩式搅拌针,从而解决了管道和液氧储箱等环缝焊件匙孔消除这一难点。目前,针对搅拌针针长发生变化时,轴肩的设计形式有两种:①轴肩尺寸不变(图14a和图14b);②轴肩尺寸随搅拌针尺寸同步变化(图14c),该设计形式可解决搅拌针和轴肩尺寸间的比例搭配关系,从而在焊接过程中有利于提供最佳的热输入,并获得高性能的接头。采用自动可收缩式搅拌针焊接变厚度板材过程见图15所示。3期搅拌焊技术综合上述分析,自动变轴肩尺寸且可自动伸缩式搅拌头是目前搅拌头发展中最有应用前景