FSW原理及应用

铝合金搅拌磨擦焊的应用现状

搅拌磨擦焊技术拥有诸多独特的优点,对于轻合金材料(如、铜、镁、锌等)的连接在焊接方法、力学性能和生产效率上具有其他焊接方法不可比拟的优越性。搅拌磨擦焊是一种固相连接方法,焊缝接头具有优良的力学性能和小的焊接变形,焊接过程中不需要添加保护气和焊丝,没有熔化、烟尘、飞溅及弧光,是一种环保型的新型连接技术。实际情况也的确如此,FSW技术问世后的短短几年内,在焊接机理、适用材料、焊接设备以及工程化应用方面均取得了很大的进展。搅拌磨擦焊技术最初主要用于解决铝合金、镁合金及锌合金等材料的焊接。关于搅拌磨擦焊工艺的特点和应用等,英国焊接研究所进行了较多的研究,关19931995年申请了世界范围内的专利保护。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公司联合,以团体赞助或合作的形式TWIGSP项目)研究、开发搅拌磨擦焊技术,不断扩大其应用范围。

目前由工业企业赞助的研究项目包括:大厚度铝合金的搅拌磨擦焊、钢的搅拌磨擦焊、钛合金的搅拌磨擦焊、汽车轻型构件的搅拌磨擦焊等。美国的爱迪生焊接研究所EWITWI密切协作,也在进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Stuttgart大学、澳大利亚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磨擦焊进行了专门研究。

1.       铝合金搅拌磨擦焊在航空航天领域中的应用

随着搅拌磨擦焊的研究进一步走向深入,搅拌磨擦焊设备也逐渐从试验室走向商用TWI应用此技术为波音公司生产32000系列铝合金航天飞机燃料箱;美国洛克希德。马丁公司、波-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磨擦焊接的研究、应用评估和开发。在航空航天领域适于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Delta运载火箭的大型低温燃料容器的大型专用搅拌磨擦焊机BAE空中客车公司正在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,所采用的搅拌磨擦焊机由地处合利伐克斯GRAWFORD-SWIFT公司制造,据说是欧洲功率最大的焊机。美ECLIPSE(月蚀)航空公司将利FSW来制造一架10.86m长、翼展11.88m的中型飞机,1就是美ECLIPSE公司耗3亿美元研制成功E500型新型节能小型喷气高务飞机。公司估计,采FSW可以将机身壁板上的加强肋、框架的装配时间减80%,使飞机成本降低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搅拌磨擦焊技术制造,客机的机身基本上全部利用搅拌磨擦焊制造,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 

搅拌磨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磨擦焊工艺是TWI与美ALCOA公司联合进行试验开发,然后应用ECLIPSE500型飞机结构件的焊接。公司20009月通过了飞机安全委员会的初步设计评估和认证20016月确定搅拌磨擦焊的飞机制造中的可行性2001年开始制造搅拌磨擦焊飞机结构件20026月首飞,并在629~71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、能的商务飞机 

2.  铝合金搅拌摩擦焊在船舶制造领域中的应 

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-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,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

Friction Stir Welding  FSW

作为一种固相连接手段,它克服了以往熔焊的诸如气孔、裂纹、变形等缺点,更使得以往通过传统熔焊手段无法实现焊接的材料可以采FSW实现焊接,被誉继激光焊后又一革命性的焊接技 

FSW主要由搅拌头的摩擦热和机械挤压的联合作用下形成接头,其主要原理和特点如下 

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  搅拌摩擦焊示意图

焊接时,欲搭接或者对接的工件相对放置在垫板上,为了防止在施焊时工件被搅拌头推开,应加以约束。施焊工具主要是搅拌头。焊接时旋转的搅拌头缓缓进入焊缝,在与工件表面接触时通过摩擦生热使得该处金属软化,在顶压力的作用下,指棒进入到工件内部,在高速旋转下使得搅拌头周围的一层金属塑性化。同时,在肩轴端面的包拢下搅拌头沿焊接方向移动形成焊缝。焊缝的深度由指棒的插入深度决定。在焊接过程中主要的产热体是指棒和轴肩。在焊接薄板时,轴肩和工件的摩擦是主要的热量来源。

作为一种固相连接手段,搅拌摩擦焊除了可以焊接用普通熔焊方法难以焊接的材料外(例如可以实现用熔焊难以保证质量的裂纹敏感性强70002000系列铝合金的高质量连接)FSW还具有以下优点:

温度低,所以变形小(即使是长焊缝也是如此);

接头机械性能(包括疲劳、拉伸、弯),不产生类似熔焊接头的铸造组织缺陷,并且其组织由于塑性流动而细化。

与其它焊接方法相比,焊接变形小,调整、返修频率低,某航空发动FSW的缺陷发生率低,传统熔焊时每焊接8.4m,产生一个缺陷,FSW时在焊接长度为76.2m时,才仅出现一个缺陷。由此可以使成本降60%

焊前及焊后处理简单,焊接过程中的摩擦和搅拌可以有效去除焊件表面氧化膜及附着杂质。而且焊接过程中不需要保护气体、焊条及焊料。

能够进行全位置的焊接;适应性好,效率高;

操作简单;

焊接过程中无烟尘、辐射、飞溅、噪音及弧光等有害物质产生,是一种环保型工艺方法。

尤其值得指出的是,搅拌摩擦焊所具有适合于自动化和机器人操作的优点,诸如:不需要填丝、保护气(对于铝合金)、可以允许有薄的氧化膜、对于批量生产,不需要进行打磨、刮擦之类的表面处理非损耗的工具头、一个典型的工具头就可以用来焊6000系列的铝合金达1000等。

搅拌摩擦焊的原理与应用

1                      前言

  摩擦焊是利用工件端面相互运动、相互摩擦所产生的热,使端部达到热塑性状态,然后迅速顶锻,完成焊接的一种方法。摩擦焊可以方便地连接同种或异种材料,包括金属、部分金属基复合材料、陶瓷及塑料。摩擦焊方法在制造业中已应40多年了,由于其生产率高、质量好获得了广泛的工程应用,但焊接的对象主要是回转形零件,虽然也有其它形式的摩擦焊技术出现,以克服被焊工件几何形状的限制或提高生产率,如相位摩擦焊、径向摩擦焊、线性摩擦焊等,但实际应用很少。最近还出现了摩擦堆焊,在工件上形成特殊性能的表面层。

  搅拌摩擦(Friction Stir Welding)是英国焊接研究TWI(The Welding Institute)提出的专利焊接技术1,2。搅拌摩擦焊除了具有普通摩擦焊技术的优点外,还可以进行多种接头形式和不同焊接位置的连接。挪威已建立了世界上第一个搅拌摩擦焊商业设备,可焊接315mm、尺16m2A1船板1998年美国波音公司的空间和防御实验室引进了搅拌摩擦焊技术,用于焊接某些火箭部件;麦道公司也把这种技术用于制Delta运载火箭的推进剂贮箱。本文主要介绍搅拌摩擦焊的方法、过程、特点以及焊接质量。

2 搅拌摩擦焊方法
  与常规摩擦焊一样,搅拌摩擦焊也是利用摩擦热作为焊接热源。不同之处在于,搅拌摩擦焊焊接过程是由一个圆柱体形状的焊(welding pin)伸入工件的接缝处,通过焊头的高速旋转,使其与焊接工件材料摩擦,从而使连接部位的材料温度升高软化,同时对材料进行搅拌摩擦来完成焊接的。焊接过程如1所示。在焊接过程中,工件要刚性固定在背垫上,焊头边高速旋转,边沿工件的接缝与工件相对移动。焊头的突出段伸进材料内部进行摩擦和搅拌,焊头的肩部与工件表面摩擦生热,并用于防止塑性状态材料的溢出,同时可以起到清除表面氧化膜的作用。

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1 搅拌摩擦焊接过程示意图

在焊接过程中,焊头在旋转的同时伸入工件的接缝中,旋转焊头与工件之间的摩擦热,使焊头前面的材料发生强烈塑性变形,然后随着焊头的移动,高度塑性变形的材料流向焊头的背后,从而形成搅拌摩擦焊焊缝。

搅拌摩擦焊对设备的要求并不高,最基本的要求是焊头的旋转运动和工件的相对运动,即使一台铣床也可简单地达到小型平板对接焊的要求。但焊接设备及夹具的刚性是极端重要的。焊头一般采用工具钢制成,焊头的长度一般比要求焊接的深度稍短。

应该指出,搅拌摩擦焊缝结束时在终端留下个匙孔。通常这个匙孔可以切除掉,也可以用其它焊接方法封焊住。

3 搅拌摩擦的特点
  搅拌摩擦焊的提出A1合金的焊接有很大关系A1合金广泛应用在飞机、航天器、船舶、高速火车等制造领域。特别是高强A1合金,在采用传统的熔化焊接方法时,即使采用很好的变极性焊接设备,也仍然容易产生焊接裂纹等焊接缺陷。搅拌摩擦焊是固相焊接。6016T6高强A1合金为便,该合金的熔化温度约为582,而焊缝中心的最高温度仅450左右,所以搅拌摩擦焊时不会产生与金属熔化有关的焊接缺陷。

而且焊接过程中也不需要其它焊接消耗材料,如焊条、焊丝、焊剂及保护气体等。唯一消耗的是焊接搅拌头。通常A1合金焊接时,一个工具钢搅拌头可焊到800m长的焊缝。

同时,由于搅拌摩擦焊接时的温度相对较低,因此焊接后结构的残余应力或变形也较熔化焊小得多。特别A1合金薄板熔化焊接时,结构的平面外变形是非常明显的,无论是采用无变形焊接技术还是焊后冷、热校形技术,都是很麻烦的,而且增加了结构的制造成本。

目前搅拌摩擦焊主要是用在熔化温度较低的有色金属,A1Cu等合金。这和搅拌头的材料选择及搅拌头的工作寿命有关。当然,这也和有色金属熔化焊接相对困难有关,迫使人们在有色金属焊接时寻找非熔化的焊接方法。对于延性好、容易发生塑性变形的黑色材料,经辅助加热或利用其超塑性,也有可能实现搅拌摩擦焊,但这就要看熔化焊和搅拌摩擦焊哪个技术经济指标更合理来决定。  搅拌摩擦焊在有色金属的连接中已获得成功的应用,但由于焊接方法特点的限制,目前仅限于结构简单的构件,如平直的结构或圆筒形结构的焊接,而且在焊接过程中工件要有良好的支撑或衬垫。原则上,搅拌摩擦焊可进行多种位置焊接,如平焊,立焊,仰焊和俯焊;可完成多种形式的焊接接头,如对接、角接和搭接接头,甚至厚度变化的结构和多层材料的连接,也可进行异种金属材料的焊接。

另外,搅拌摩擦焊作为一种固相焊接方法,焊接前及焊接过程中对环境的污染小。焊前工件无需严格的表面清理准备要求,焊接过程中的摩擦和搅拌可以去除焊件表面的氧化膜,焊接过程中也无烟尘和飞溅,同时噪声低。

由于搅拌摩擦焊仅仅是靠焊头旋转并移动,逐步实现整条焊缝的焊接,所以比熔化焊甚至常规摩擦焊更节省能源。

4 搅拌摩擦焊工艺

目前,搅拌摩擦焊在铝合金的连接方面研究得最多,已成功地进行了搅拌摩擦焊接的铝合金包2000(AlCu)5000(AlMg)6000(AlMgSi)7000(AlZnMg)8000(AlLi)等。

搅拌摩擦焊工艺参数很简单,最重要的参数是:搅拌头的尺寸、搅拌头的圆周速度以及搅拌头与工件的相对移动速度。1是几种有色金属常用的焊接速度。一般来说,对于铝合金的焊接,焊头的旋转速度可以从几r/min到上r/min。焊接速度一般在1mm/s15mm/s之间。所以搅拌摩擦焊可以很方便地实现自动控制。另外,在焊接过程中焊头要压紧工件。

1 有色金属常用的焊接速度

材料

(mm)

焊接速(mm/s)

焊道数

A16082T6

5

12.5

1

A16082T6

6

12.5

1

A16082T6

10

6.2

1

A14212T6

25

2.2

1

A16082T6

30

3.0

2

Cu 5010

0.7

8.8

1

Cu 5010

7.4

6.3

1

A14212+Cu5010

1+0.7

8.8

1

 

例如,11006061冷轧板进行搅拌摩擦焊,板厚6.3mm。搅拌头的直径为6.3mm,长度为5.8mm。当焊接速度14mm/s,搅拌头的转速2002000r/min的范围改变时,形成优质焊缝的最佳转速400r/min。在转速过高时,例如超10000r/min,引进材料应变速率增加,可能影响焊缝的再结晶过程。

5 焊接接头性能
  在搅拌摩擦焊接头中,除了包括常见的焊缝(搅拌),热影响区和母材外,还存在一个搅拌影响(Stir affected zone)2为在焊接过程中从试件背面拍摄的焊接区形貌,从搅拌区前试件接缝的走向可以明显看出搅拌影响区的存在。由3所示的焊接接头硬度分布也能证明搅拌影响区的存在6061T6(A1Mg1SiCu)为冷轧时效强化铝合金,温度的升高会造成材料硬度和强度的降低,但由于搅拌的影响,使得近邻焊缝区域的材料发生变形强化,从而形成搅拌影响区。在3中,硬度最低点至焊缝边界之间的区域即为搅拌影响区。

img3

2 焊接过程中的搅拌摩擦焊接头

img4

3 6061T6铝合金搅拌摩擦焊接头的硬度分布

  Al 6061T6试件的搅拌摩擦焊温度场测试表明,焊缝中心最高温度为450(铝合金母材的熔化温度约为582),相应的材料屈服强度将由常温下的280MPa下降到20MPa,搅拌高温足以使铝合金达到塑性流变状态而形成高塑变搅拌层3
  2014A(AlCu4SiMg)5083(AlMg4.5Mn)6082(AlSi1MgMn)铝合金的搅拌摩擦焊接头的弯曲试验结果表明,此三种接头均可达180度的弯曲4。搅拌摩擦焊焊缝没有凝固组织,焊缝金属力学性能没有显著退化。所以,拉伸试验结果表明接头最薄弱的环节不在焊缝,而是在如3中所示的软化区。26061T6铝合金接头拉伸试验结果。

2 6061T6母材与焊接接头力学性能

 

 

屈服强(Mpa)

抗拉强(Mpa)

延伸(%)

母材

343

357

20.8

焊接接头

194

206

17.2

 

  试验发现:搅拌摩擦焊焊缝的宏观组织有明显的塑变流线,呈同心状。7075T6(AlZn5.6Mg2.5Cu1.6)铝合金为例,板厚6.35mm,焊接速度2.1mm/s,焊缝有再结晶,是细小等轴晶组织,直径24μm,位错密度比母材低。母材中非常细小的晶内析出质(10nm),在焊缝中已看不到。这是由于搅拌摩擦焊时,焊缝的温度虽然没有达到材料的熔点,但超过了偏析硬化质点的溶解温度。在搅拌影响区,严重的塑性变形使母材晶粒拉长,但在透射电镜下看不到再结晶

6 结论
  搅拌摩擦焊作为一种新型的摩擦焊接方法,在有色金属等材料的连接中具有广阔的应用前景。搅拌摩擦焊采用的设备简单,工艺参数少且易于控制,焊缝没有凝固组织,不会产生与材料熔化相关的缺陷,焊接应力或变形也小,而且接头性能良好,并适于多种接头结构形式。