一文讓你徹底明白攪拌摩擦焊

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攪拌摩擦焊原理

攪拌摩擦焊方法與常規(guī)摩擦焊一樣,。攪拌摩擦焊也是利用摩擦熱與塑性變形熱作為焊接熱源,。不同之處在于攪拌摩擦焊焊接過程是由一個(gè)圓柱體或其他形狀(如帶螺紋圓柱體)的攪拌針(welding pin)伸入工件的接縫處，通過焊頭的高速旋轉(zhuǎn),，使其與焊接工件材料摩擦，從而使連接部位的材料溫度升高軟化。同時(shí)對(duì)材料進(jìn)行攪拌摩擦來完成焊接的,。

- ^. W$ p  m  U焊接過程如圖所示。在焊接過程中工件要?jiǎng)傂怨潭ㄔ诒硥|上,，焊頭邊高速旋轉(zhuǎn),，邊沿工件的接縫與工件相對(duì)移動(dòng)。焊頭的突出段伸進(jìn)材料內(nèi)部進(jìn)行摩擦和攪拌,，焊頭的肩部與工件表面摩擦生熱,，并用于防止塑性狀態(tài)材料的溢出，同時(shí)可以起到清除表面氧化膜的作用,。
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在焊接過程中,，攪拌針在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)伸入工件的接縫中，旋轉(zhuǎn)攪拌頭(主要是軸肩)與工件之間的摩擦熱,，使焊頭前面的材料發(fā)生強(qiáng)烈塑性變形,，然后隨著焊頭的移動(dòng)，高度塑性變形的材料逐漸沉積在攪拌頭的背后,，從而形成攪拌摩擦焊焊縫,。攪拌摩擦焊對(duì)設(shè)備的要求并不高，最基本的要求是焊頭的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng),，即使一臺(tái)銑床也可簡(jiǎn)單地達(dá)到小型平板對(duì)接焊的要求,。

, s3 o8 z3 t6 U4 q) U但焊接設(shè)備及夾具的剛性是極端重要的。攪拌頭一般采用工具鋼制成,，焊頭的長(zhǎng)度一般比要求焊接的深度稍短,。應(yīng)該指出，攪拌摩擦焊縫結(jié)束時(shí)在終端留下個(gè)匙孔,。通常這個(gè)匙孔可以切除掉,，也可以用其它焊接方法封焊住。針對(duì)匙孔問題,，已有伸縮式攪拌頭研發(fā)成功,，焊后不會(huì)留下焊接匙孔。
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攪拌摩擦焊焊接過程示意

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攪拌摩擦焊接頭微觀組織
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2 Y. K! S+ e" {. X4 V. Y基于焊縫組織晶粒和析出強(qiáng)化相的微觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn),，可以把攪拌摩擦焊焊縫分為4個(gè)明顯的區(qū)域：焊核區(qū)(Stirred或Nugget Zone),、熱力影響區(qū)(Thermo-Mechanically Affected Zone,，TMAZ)、熱影響區(qū)(Heat-Affected Zone,，HAZ)以及母材(Base或Parent material),。
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焊核區(qū)材料經(jīng)受的嚴(yán)重變形和摩擦熱，由晶粒尺寸為1-15μm不等的細(xì)小等軸再結(jié)晶組織組成,。再結(jié)晶組織的內(nèi)部為低密度的位錯(cuò),，但也有發(fā)現(xiàn)再結(jié)晶組織的內(nèi)部卻有高密度的亞晶界、亞晶和位錯(cuò),。在鋁合金和其他有些的合金中焊核區(qū)可以觀察到類似“洋蔥環(huán)”結(jié)構(gòu),。
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# W/ Y' \; J# [0 C7 ?, x: S在母材和焊核區(qū)之間是攪拌摩擦焊特有的熱力影響區(qū)。熱力影響區(qū)的特征是存在高度變形的結(jié)構(gòu),。焊核區(qū)周圍母材晶粒被拉長(zhǎng)變形,，盡管熱力影響區(qū)也經(jīng)歷了塑性變形，卻由于沒有足夠大的應(yīng)力,，不發(fā)生再結(jié)晶,。在熱力影響區(qū)也有強(qiáng)化相的溶解、粗化,，這取決與熱力影響區(qū)經(jīng)歷的熱循環(huán)強(qiáng)度,。熱力影響區(qū)晶粒通常由高密度的亞晶界組成。
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熱影響區(qū)只受熱的影響,，保持與母材相同晶粒結(jié)構(gòu),，但是受溫度的影響，晶粒的尺寸有明顯的長(zhǎng)大和強(qiáng)化相的粗化,，熱影響區(qū)所經(jīng)歷的溫度對(duì)其所包含的亞晶影響較小。

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攪拌摩擦焊的優(yōu)缺點(diǎn)
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7 o: X/ q2 [1 V4 }" L; u) B由于攪拌摩擦焊過程中熱輸入相對(duì)于熔焊過程較小,，接頭部位不存在金屬的熔化,，是一種固態(tài)焊接過程，在合金中保持母材的冶金性能,，可以焊接金屬基復(fù)合材料,、快速凝固材料等采用熔焊會(huì)有不良反應(yīng)的材料。

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其主要優(yōu)點(diǎn)如下:

(1)焊接接頭熱影響區(qū)顯微組織變化小.殘余應(yīng)力比較低,，焊接工件不易變形,。

(2)能一次完成較長(zhǎng)焊縫、大截面,、不同位置的焊接接頭高,。

2 y: g1 i' {4 S2 ]( s" n9 y1 @(3)操作過程方便實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化,，設(shè)備簡(jiǎn)單,，能耗低,，功效高，對(duì)作業(yè)環(huán)境要求低,。
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(4)無需添加焊絲,，焊鋁合金時(shí)不需焊前除氧化膜，不需要保護(hù)氣體,，成本低,。

(5)可焊熱裂紋敏感的材料，適合異種材料焊接,。

  C( [# H0 ^: Z(6)焊接過程安全,、無污染、無煙塵,、無輻射等,。

攪拌摩擦焊也存在一定的缺點(diǎn):
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焊接工件必須剛性固定，反面應(yīng)有底板,；焊接結(jié)束攪拌探頭提出工件時(shí),，焊縫端頭形成一個(gè)鍵孔，并且難以對(duì)焊縫進(jìn)行修補(bǔ)：工具設(shè)計(jì),、過程參數(shù)和機(jī)械性能數(shù)據(jù)只在有限的合金范圍內(nèi)可得：在某種情況下,，如特殊領(lǐng)域中要考慮腐蝕性能、殘余應(yīng)力和變形時(shí),，性能需進(jìn)一步提高才可實(shí)際應(yīng)用,；對(duì)板材進(jìn)行單道連接時(shí)，焊速不是很高：攪拌頭的磨損消耗太快等,。

- Q. ]  J1 O1 B0 _攪拌摩擦焊的缺陷及控制措施

▶表面溝槽　　

' g* e  c- @* R- e# B表面溝槽又稱犁溝缺陷,，它往往出現(xiàn)在焊縫的上表面，偏向于焊縫的前進(jìn)邊呈溝槽狀,。其原因是由于焊縫周圍的熱塑性金屬流動(dòng)不充分,，焊縫的塑性金屬無法充分填充攪拌針行進(jìn)過程中留下的瞬時(shí)空腔，從而在焊縫靠近前進(jìn)邊的位置形成表面溝槽,�,！　�

▶▶控制措施是：增大軸肩直徑，增大壓力,，降低焊接速度,。

# |9 ^- ]( E! n) U; [& B: p7 _: r▶飛邊毛刺　　

飛邊毛刺出現(xiàn)在焊縫的外邊緣，呈波浪形,，返回邊的飛邊往往比前進(jìn)邊大,。此種缺陷是由于旋轉(zhuǎn)速度和焊接速度的匹配不當(dāng)，在焊接過程中,，下壓量過大,，會(huì)形成大量的飛邊,。　　

▶▶控制措施：優(yōu)化焊接參數(shù),，減少下壓量,。

▶表面起皮　　
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; S; h: c9 I; k  D) f表面起皮或起絲呈皮狀或絲狀出現(xiàn)在焊縫的表面。該缺陷的產(chǎn)生是大量的金屬摩擦產(chǎn)熱,，積累于焊縫的表層金屬,，使得表層的局部金屬達(dá)到熔化狀態(tài)，在焊接過程中逐漸冷卻呈皮狀或絲狀分布于焊縫表面,�,！　�

▶▶控制措施：優(yōu)化焊接參數(shù)，降低轉(zhuǎn)速,，提高焊速,。

& C5 l2 y4 w8 O( {8 t▶表面鼓皮　　

表面鼓皮通常在FSW焊后熱處理之后出現(xiàn)，位于焊縫表面0.3mm以內(nèi)的雜質(zhì)鼓包,。焊縫鼓包是由于焊縫表面氧化膜夾雜在熱處理過程中由于溫度的升高,，雜質(zhì)物分解膨脹造成�,！　�
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▶▶控制措施：焊前將氧化膜或油污清理干凈,。

▶背部焊瘤　　

; ~" S0 l- W& D  z# A& Y% q背部焊瘤表現(xiàn)為焊縫別不的金屬向外凸出。形成的原因是由于攪拌針頂部與焊縫底部的間隙過小,，或產(chǎn)品裝配時(shí),，焊縫底部存在較大間隙，導(dǎo)致焊接過程中,，攪拌針的軸向擠壓力擠壓底部的金屬向焊縫底部凸出,，呈現(xiàn)焊瘤狀�,！　�

+ d5 y$ |8 I; n3 Z: A1 J( U▶▶控制措施：保證被焊材料與工裝良好貼合,，保證間隙盡量小，稍微減小攪拌針的長(zhǎng)度,。
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' w. q0 F, q$ ?% e/ x8 ~6 x1 b0 C攪拌摩擦焊的應(yīng)用
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攪拌摩擦焊主要是用在熔化溫度較低的有色金屬，如Al,、cu等合金,。這和攪拌頭的材料選擇及攪拌頭的工作壽命有關(guān)。當(dāng)然,，這也和有色金屬熔化焊接相對(duì)困難有關(guān),，迫使人們?cè)谟猩�金屬焊接時(shí)尋找非熔化的焊接方法。對(duì)于延性好,、容易發(fā)生塑性變形的黑色材料,，經(jīng)輔助加熱或利用其超塑性,，也有可能實(shí)現(xiàn)攪拌摩擦焊，但這就要看熔化焊和攪拌摩擦焊哪個(gè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)更合理來決定,。

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攪拌摩擦焊在有色金屬的連接中已獲得成功的應(yīng)用,，但由于焊接方法特點(diǎn)的限制，僅限于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的構(gòu)件,，如平直的結(jié)構(gòu)或圓筒形結(jié)構(gòu)的焊接,，而且在焊接過程中工件要有良好的支撐或村墊。原則上,，攪拌摩擦焊可進(jìn)行多種位置焊接,，如平焊，立焊,，仰焊和俯焊;可完成多種形式的焊接接頭,，如對(duì)接、角接和搭接接頭,，甚至厚度變化的結(jié)構(gòu)和多層材料的連接,，也可進(jìn)行異種金屬材料的焊接。

另外,，攪拌摩擦焊作為一種固相焊接方法,，焊接前及焊接過程中對(duì)環(huán)境的污染小。焊前工件無需嚴(yán)格的表面清理準(zhǔn)備要求,，焊接過程中的摩擦和攪拌可以去除焊件表面的氧化膜,，焊接過程中也無煙塵和飛濺.同時(shí)噪聲低。由于攪拌摩擦焊僅僅是靠焊頭旋轉(zhuǎn)并移動(dòng),，逐步實(shí)現(xiàn)整條焊縫的焊接,，所以比熔化焊甚至常規(guī)摩擦焊更節(jié)省能源。
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