搅拌摩擦焊用搅拌头的开发

搅拌摩擦焊用搅拌头的开发

搅拌缓冲焊接（fsw）是英国焊接研究所（欧美，简称氛围探测研究所）在1991年开发的一种先进的固相连接技术。这是自激光焊接出版以来首次提出和开发的最具吸引力的连接技术。FSW与弧焊、激光焊、电子束焊、钎焊和扩散连接等传统焊接方法相比,FSW具有高效低耗、焊接温度低、接头残余应力小、焊接工件变形小、环境友好等特点,特别在大规格薄板焊接中是其他焊接方法远不可相比的。经过20多年的发展,搅拌摩擦焊已经从技术研究迈向高层次的工程化和工业化应用阶段。被焊材料也已从铝合金逐渐扩展到镁合金、铅合金、铜合金、钢、钛合金以及复合材料等。目前,搅拌摩擦焊设备的制造和产品的加工在国内外已经成为一类高技术新兴产业。搅拌头作为搅拌摩擦焊的“心脏”,其材料和结构设计是搅拌摩擦焊技术的核心,是搅拌摩擦焊工艺中最重要的技术之一,是决定搅拌摩擦焊技术能否扩大待焊材料的种类以及能否提高待焊材料板厚范围的关键。本文主要介绍,国内外搅拌摩擦焊用搅拌头的研究现状及发展趋势,以期为我国搅拌摩擦焊行业的战略规划、技术研发、成果应用及市场拓展等相关工作的开展提供一定的参考作用。1旋转焊接机构的工作原理在搅拌摩擦焊专利许可协会的影响下,业界已经对该方法涉及的通用技术术语进行了定义和认可。常用术语及定义如表1所示。搅拌摩擦焊的工作原理如图1所示,在焊接过程中搅拌针要旋转着插入被焊材料的结合界面处,旋转的搅拌头与工件之间的摩擦热使搅拌头前面的材料发生强烈塑性变形。轴肩一方面可以和工件表面相互摩擦产生摩擦热,另一方面可以防止搅拌头在高速旋转时塑化的材料从焊缝区喷射出去,同时可以起到清除表面氧化膜的作用。随着搅拌头的移动,高度塑性变形的材料流向搅拌头的背后,搅拌头后方的材料冷却后就形成固态焊缝。2搅拌头研究现状2.1试验研究及结果搅拌摩擦焊的实质是搅拌头与被焊材料之间发生热-机械作用并形成接头,在此过程中搅拌头直接承受焊接过程的热载、力载及摩擦磨损,因而要求它在焊接条件下具有高于被焊材料的熔点、强度、硬度和韧性,应由具有良好耐高温静态和动态力学性能以及其他物理特性的耐磨损材料制成。在焊接铝、镁、铅等低熔点材料时,搅拌头采用工具钢即可。对于钢、铜、钛等高熔点材料来讲,焊接时最高温度在1000℃以上,能满足使用要求的搅拌头材料往往是难熔金属合金或者结构陶瓷。Brigham的Nelson等人与Megastir公司合作采用多晶立方氮化硼(PCBN)作为搅拌头材料,针对不同高熔点材料设计了相应品级的PCBN搅拌头并申请了专利。该材料属于超硬材料,以立方氮化硼作为基体,采用粘结剂作为第二相在高温高压下烧结而成,通过调整基体和第二相的比例获得不同品级搅拌头以满足不同需求。目前已有不少研究机构选用PCBN作为高熔点材料搅拌摩擦焊用搅拌头材料,但由于目前冶金技术的限制,只能制出厚度较小的坯料,加工和设计难度较大。Ramirez等人采用纯钨作为搅拌头材料,对TC4板材进行搅拌摩擦焊连接,并对接头的组织演变进行了细致的研究。王文英等人采用钼合金搅拌头对Q235A碳钢进行搅拌摩擦焊连接,焊接过程中采用加热辅助热源和无辅助热源两种情况,获得了质量良好的焊接接头,可耐受1000℃以上焊接温度。日立公司最近和日本东北大学合作,针对铁合金、钛合金以及锆合金等成功开发了Co-Al-W合金搅拌头材料。该材料铸造性和可加工性良好,高温强度和耐磨损磨耗性能优异,以钴基合金为基体,Co3(Al,W)金属间化合物为第二相,通过调整基体和第二相的比例可获得不同性能要求的搅拌头。Co-Al-W合金搅拌头材料的微观组织,以及该搅拌头用于钛合金搅拌摩擦焊的试验效果分别如图2和图3所示。洛克希德公司的Jones等人得出,采用W-25Re作为搅拌头材料焊接TC4时的工艺参数范围很窄,还采用W-1%La2O3作为搅拌头材料,但该研究还有待深入。另外,为了能降低成本,也有研究者尝试采用镍基合金、硬质合金、金属陶瓷等作为高熔点材料搅拌摩擦焊用搅拌头材料,但其可行性有待进一步研究。表2为不同搅拌头材料的最高工作温度、适用性、加工性、化学活性和热稳定性等性能。从表中可以发现,工具钢、不锈钢、镍基合金的综合性能比较好,但工作温度达不到钛合金的焊接温度;而工作温度比较高的几种材料,如金属陶瓷、高熔点金属以及金属间化合物的复杂形状可加工性相对较差。2.2搅拌针和轴肩的设计轴肩在搅拌摩擦焊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。图4所示的是常见的几种轴肩形貌,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填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。由于轴肩在搅拌摩擦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。2.3搅拌针的形貌和几何尺寸搅拌针在摩擦焊过程中不仅提供热输入,而且起到机械搅拌作用,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。随着20多年来对搅拌摩擦焊的研究越来越深入,研究者设计出了多种搅拌针,以适应多种焊接状态。2.3.1搅拌针的形貌在搅拌摩擦焊接工艺应用的初始阶段,柱形搅拌针应用得较为广泛,其形貌如图5所示。在实际焊接过程中,发现柱形搅拌针存在耐冲击力弱以及焊后接头性能较差等问题。2.3.2和三槽三角形螺纹搅拌针英国焊接研究所在淘汰柱形搅拌针后设计出锥形螺纹搅拌针(WhorlTM)和三槽锥形螺纹搅拌针(MX-TrifluteTM),分别如图6和图7所示。它们的共同之处是都呈平截头体状(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约为柱形的60%～70%。2.3.3试验结果x-trivesxm偏心圆搅拌针(TrivexTM)和偏心圆螺纹搅拌针(MX-TrivexTM)外形是根据搅拌摩擦焊的动态模拟得出的,分别如图8和图9所示。利用搅拌摩擦焊三维动态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。2.3.4中心轴和角的内涵图10所示的为非对称搅拌针的形貌图,其搅拌针的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。因此,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11为改进后的非对称搅拌针。2.3.5样支开、锥度方向外开螺纹搅拌针(图12)在靠近轴肩部分是平截头形状,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,改善软化材料沿搅拌针侧面环向流动的路径。2.3.6和自动伸缩式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。2.4搅拌头磨损特性对于低熔点低硬度材料的搅拌摩擦焊而言,搅拌头不要求太高强度就可以满足焊接要求,搅拌头磨损很小,然而对于高熔点高硬度的材料来说,在确定搅拌头材料和形状尺寸后,其抗磨损破坏性能决定着焊接过程能否持续进行,能否得到合格可靠焊缝。目前,国内外对这方面的研究较少。搅拌摩擦焊工艺参数(焊接速度,旋转速度)对搅拌头磨损情况和磨损机理有很大影响。焊接速度对搅拌针的径向磨损有决定性的影响。焊接速度越低,磨损率越高,最大磨损率出现在焊接开始时。在Al、Mg等低熔点材料的搅拌摩擦焊时,搅拌头的磨损很小,但在焊接铝基复合材料时,由于出现的高硬度的第二相颗粒会导致搅拌头较严重的磨损。文献探讨了复合材料搅拌摩擦焊时搅拌头的磨损状况和磨损机理。Fernandez等研究了铸造铝359含20%SiC的金属聚合物搅拌摩擦焊搅拌头磨损情况,结果表明,在高旋转速度和低焊接速度下,搅拌头磨损非常明显。他们的研究还指出,在旋转速度减小和焊接速度提高的情况下,搅拌头的磨损开始下降。Liua等研究了AC4A+30%SiCp复合材料搅拌摩擦焊WC-Co的磨损特性,实验结果表明,虽然轴肩尺寸和搅拌针长度的改变很小,但是搅拌头的磨损是可评估的。在搅拌针不同的位置其径向磨损是不同的,最大磨损出现在根部以上三分之一的位置。焊接速度对搅拌针径向磨损具有决定性的影响,最大磨损率出现在开始焊接时。Nelson等人对PCBN搅拌头的磨损和破坏形式进行了深入细致的研究,结果表明,搅拌头设计、焊接工艺参数、PCBN品级都会对搅拌头的磨损及破坏造成影响,PCBN搅拌头与被焊材料之间可发生粘着磨损、化学磨损及机械磨损。他们还指出,搅拌头由于磨损而发生破损时,最终会造成脆性断裂。Liu等人采用纯钨及W-25Re作为搅拌头材料对L80钢施行了搅拌摩擦焊,并对二者的磨损行为进行了对比研究。结果表明,在焊接过程中,纯钨搅拌头的磨损较为严重,而W-25Re搅拌头的磨损较小。3低成本高性能搅拌头新产品研发通过分析国内外搅拌摩擦焊用搅拌头的研究现状,不难看出,未来搅拌头研究的发展趋势,主要集中在以下几方面:(1)钢材、钛合金以及锆合金等高熔点材料搅拌摩擦焊用低成本高性能搅拌头新材料和制造技术研发。(2)轴肩和搅拌针形貌和几何尺寸的设计,特别是自动变轴肩尺寸且可自动伸缩式搅拌头设计技术的改进与优化。(3)高熔点材料搅拌摩擦焊过程中搅拌头抗摩擦磨损性能等的深入研究。4发展高新技术产业新型搅拌头的不断成功开发不仅有效促进了搅拌摩擦焊技术在焊接更大板厚和