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行业资讯
搅拌摩擦焊的现状与发展(下)

  迄今,搅拌摩擦焊的大部分研究开发和应用都集中在铝合金材料;对于非铝合金材料如铜合金、钛合金、钢材、热塑材料等,也已开展了搅拌摩擦焊研究和开发,开始在某些场合应用。

  在1997年瑞典SKB公司和英国焊接研究所一起对50毫米厚铜合金核燃料贮箱的搅拌摩擦焊制造进行了开发,2001年开发铜合金搅拌摩擦焊专用设备,并且对电子束和搅拌摩擦焊工艺进行了比较和完善,2004年已经小批量生产。

  美国MEGASTIR公司一直致力于高熔点材料的搅拌摩擦焊应用开发,从304不锈钢到普通中碳钢和高温合金材料,甚至钛合金材料等都可以实现搅拌摩擦焊连接;2003年已经把搅拌摩擦焊应用于野外钢合金天然气管道的搅拌摩擦焊。高熔点材料: 钛,钢FSW的难点主要是搅拌头材料的优选(如选用多晶立方氮化硼PCBN)与其搅拌针型体设计、加工以及在工程应用中的寿命.

  日本日立公司利用搅拌摩擦焊实现强度大于800Mpa的超精细高强钢(UFG)的连接,这种材料在未来有可能用于飞机起落架的制造等。

  搅拌头材料、搅拌头轴肩和搅拌针的型体是搅拌头优劣的3个主要决定性因素,关系到连接接头的性能与生产成本和效率。搅拌头的主要功能如下:

  搅拌头的形状与热塑化材料的流变密切相关,并且直接影响到接头的质量,在搅拌摩擦焊发展初期,TWI开发成功了柱形搅拌头,这种搅拌头在搅拌摩擦焊初期开发研究中得到了广泛应用。随着搅拌摩擦焊技术的发展,针对不同的焊接材料和结构,目前已有系列化的搅拌头。英国焊接研究所研制的 WhorlTM和 MX TrifluteTM(图7左)搅拌头,可以在提高焊接速度的条件下,得到焊缝成形良好、性能更加优良的焊缝。

  英国焊接研究所在2002年成功开发了如图7右所示的“Skem-StirTM”型搅拌头,它的主要功能为,主轴和搅拌头的旋转中心线不同轴;当主轴选转时,搅拌针的旋转空间远大于搅拌针自身的体积.这样的设计有助于热塑化金属材料的迁移,可得到焊缝宽、深比大的接头,尤其适用于搭接搅拌摩擦焊。

  对于薄壁筒形结构件,由于零件的刚性差,筒形件的搅拌摩擦焊需要有刚性好的工艺装备支撑,承受较大的焊接压力和摩擦驱动力,以保持被焊接零件的尺寸完整性。TWI、BOEING、MTS等公司开发出了如图8所示的“Bobbin” 双轴肩搅拌头,它的主要功能是利用搅拌头的双轴肩,使搅拌摩擦焊过程中产生的作用力相互抵消,从而解除了薄壁筒形件焊接时对刚性装备的依赖。用这种搅拌头施焊的缺点是,焊接前需要在启焊处预制一个导引孔,以便插入搅拌针;焊后, 需将一侧轴肩拆卸, 抽出搅拌针;使焊接过程操作复杂化。

  克服环形焊缝搅拌摩擦焊遇到的另外一个难题,就是焊缝尾端“匙孔”的消除.通常,长直焊缝可以用“引焊板”来消除焊接尾端“匙孔”,但是环形焊缝“匙孔”的消除就不容易用引焊的方法来消除。美国NASA开发成功了可回抽式搅拌头,该型搅拌头的搅拌针伸出长度可以在焊接过程中改变,在环缝搅拌摩擦焊的末尾,使搅拌针逐渐回抽,实现环缝“无匙孔”搅拌摩擦焊接。

  早期的搅拌摩擦焊设备是利用传统铣床改装而成。随着搅拌摩擦焊技术应用领域的日趋扩大,以及被焊接材料厚度的增加和被焊接零件焊缝形式的复杂多样化,普通铣床的刚性以及操作控制都难以满足对搅拌摩擦焊更高的技术需求,搅拌摩擦焊设备逐渐从试验型设备向商用专机化方向发展。

  1996年瑞典伊萨(ESAB)公司,在英国焊接研究所的专利许可基础上,为挪威Marine Aluminum公司制造了世界上第一台工业用搅拌摩擦焊机,用于铝合金型材的搅拌摩擦焊.此后,世界上有诸多的焊接设备制造公司,在取得英国焊接研究所专利许可的基础上,生产和制造了多种形式的专业化的搅拌摩擦焊设备。

  2004年,英国SMART公司为英国焊接研究所设计生产世界上焊接能力最大的搅拌摩擦焊设备,该设备能力可以实现单道焊接厚度为100mm铝合金材料的焊接。

  在世界范围内,已经有多个厂家得到英国焊接研究所(TWI)的授权,成为专业化的搅拌摩擦焊设备制造商,如: ESAB、FSWLI、GEMCOR、GTC、HITAHI、KAWASAKI、MTS、Danstir、FSL、MTS、CTC、Stirtec和北京赛福斯特技术有限公司(中国搅拌摩擦焊中心)等.其中,北京赛福斯特技术有限公司是中国地区(包括香港、澳门和台湾)唯一得到英国焊接研究所(TWI)授权的专业化搅拌摩擦焊技术开发与设备制造企业。

  搅拌摩擦焊工艺参数主要有搅拌头的倾角、搅拌头的旋转速度、搅拌头的插入深度、插入速度、插入停留时间、焊接速度、焊接压力、回抽停留时间、搅拌头的回抽速度。

  采用数值模拟方法,对搅拌摩擦焊工艺过程与接头形成和质量进行建模描述及预测,正在各国学术界掀起热潮,主要研究工作内容包括有:

  数值模拟及预测中的关键,是正确地描述物理现象;即在建立有效物理模型(实验)的基础上,才能运用数学建模和有限元方法进行分析,获得反映实际的结果,用以指导实践.更重要的是用物理实验对数值模拟结果进行验证,二者相辅相成. 只有正确的模拟及预测才能有工程实用价值,避免反复实验.

  图9所示为一组典型的搅拌摩擦焊过程主要工艺参数实时检测记录曲线mm低合金钢,焊缝长度75cm。为了这些数据的采集,在搅拌头的相应部位安装有参数传感器.

  搅拌摩擦焊电器控制系统可以采取多种控制方式,目前在国内、外经常采用的有三种:数控控制系统(CNC)、可编程控制系统(PLC)、工控机控制系统(PC).

  图9 低合金钢搅拌摩擦焊过程各轴负载及搅拌头温升曲线 搅拌摩擦焊在国内的发展

  2002年,北京航空制造工程研究所与英国焊接研究所正式签署搅拌摩擦焊专利许可协议,并在技术合作的基础上成立了中国搅拌摩擦焊中心。中国搅拌摩擦焊中心的成立标志着搅拌摩擦焊技术正式登陆中国。中国搅拌摩擦焊中心全权代表英国焊接研究所,发售和管理中国地区(包括香港、澳门和台湾)的搅拌摩擦焊技术专利许可,从此为搅拌摩擦焊技术在中国地区的发展、推广和工业化应用打开了大门。两年多来,搅拌摩擦焊在中国已经起飞;在技术、工艺、设备等方面都有了突破性的进展,并且已经在工业中得到应用,正在推动着中国轻合金结构制造业连接技术的加速发展。

  自中国搅拌摩擦焊中心成立以来,在FSW设备及工艺技术开发方面均取得了比较大的进步。在两年时间里,该中心为国内的科研院所提供了三台研究型设备,为航天、轨道车辆及兵器工业的生产企业研制了三台生产型设备,为支持本中心的科研工作,分别开发了悬臂式搅拌摩擦焊接设备和平面二维搅拌摩擦焊接设备, 曾在2004年的北京埃森博览会展出。其中某些设备已经投入相关产品的批量化生产,产生了比较明显的社会效益和经济效益。如为常州轨道车辆牵引工程研究中心提供的FSW设备目前已用于铝合金型材的拼接,为吉林一厂家生产的FSW设备已用于小型容器环焊缝的批量生产.

  平面二维FSW设备的研制成功,标志着国内FSW设备的研制水平已经不限于平面直缝的焊接,该设备已用于热沉器类产品如的制造,采用最新研制的平面二维FSW设备制造的某型号电路板外接水冷散热器,它由蛇形盖板和有蛇形槽的底座组成,将盖板与底座连接起来。在4MPa的压力下保压20分钟无渗漏,远远高于设计要求。平面二维FSW设备还可以比较容易地实现尺寸较小的曲线(圆形)焊缝的焊接或修补孔洞。

  中国搅拌摩擦焊中心目前已成功地将搅拌摩擦焊应用于轨道车辆逆变电源箱体型材连接,正在进行轨道车辆部件搅拌摩擦焊工业化应用研究。除常用的对接接头焊接外,也实现了搭接和T型接头的焊接,管状零件与平板件的连接及紫铜与铝合金材料的搭接焊(用于电力线路器材)。

  在基础技术研究和工程技术研究方面,中国搅拌摩擦焊中心于2004年完成了预研课题《搅拌摩擦焊技术》:采用FSW技术焊接的直径2.25火箭燃料贮箱模拟件 (图10) 完全达到了设计要求,通过了承压试验的考核。2004年还完成了飞机机翼结构先进连接技术综合验证平台中的FSW焊接部分——在该验证平台中,其它连接技术制造的结构均是以FSW结构为基准进行装配。在基础研究方面,开展了搅拌摩擦焊温度场及流场的数值模拟研究和搅拌摩擦焊接头的疲劳性能研究,目前均取得了阶段性研究成果。

  在过去的两年间,国内一些高等院校和科研与生产单位,相继通过中国搅拌摩擦焊中心,正式获取了英国焊接研究所的专利使用许可证,开展了不少科学试验研究工作及产品开发应用.这些单位有学校: 哈尔滨工业大学 、 江苏科技大学 、 兰州理工大学。FSW产品生产许可单位有: 常州轨道牵引传动技术研究中心 、吉林3305机械厂

  、金属工业研究发展中心 ( 台湾 高雄 )另外,还有以个人名义,获得FSW专利使用许可的若干人。从所发表文章的内容看,国内主要研究工作方向有:铝合金FSW接头性能及缺陷形成机制;2xxx,7xxx系列”难焊”材料FSW接头性能提高的工艺措施;搅拌头的选材与结构设计优化;FSW过程热塑性金属的迁移规律认知;FSW产热机理及热过程;焊后热处理规范;焊接残余应力与变形;异种材料FSW连接的可行性;金属基复合材料的连接;其它轻金属及铸锻材料的连接;塑料的FSW技术等等.其中的一些研究具有工程应用背景,另一些则多为学术研究,有限元数值分析的运用方兴未艾。

  在国内,中国搅拌摩擦焊中心所积累的工艺基础研究数据表明,非热处理强化铝合金,如变形防锈铝合金LF6的FSW接头强度可以达到与母材等强;可热处理强化铝合金,如硬铝合金、锻铝合金LD10的FSW接头强度,在焊后约为母材的76-80%,经人工时效处理后,可与母材等强.

  尽管搅拌摩擦焊技术已在宇航工业、高速列车、轻型舰船以及汽车等领域得到了越来越广泛的应用;在接头质量方面,采用了许多先进的无损检测方法,如超声波相控阵检测技术等;但是,国际上还没有制定出统一的搅拌摩擦焊接头质量检验标准和工艺标准,有的只是各企业内部的企业技术标准。鉴于在中国,搅拌摩擦焊接技术应用日益扩大,中国搅拌摩擦焊中心率先制订了国内第一部搅拌摩擦焊技术企业标准,《铝及铝合金搅拌摩擦焊质量检验标准》(北京航空制造工程研究所发布,Q/9S103-2004)和《铝及铝合金搅拌摩擦焊工艺标准》(Q/9S102-2004)。这两项标准是中国搅拌摩擦焊中心在所承担的国防基础科研课题《搅拌摩擦焊技术》的研究成果基础上制订的。在该课题中,中国搅拌摩擦焊中心完成了LF6、LD10、S147铝合金的搅拌摩擦焊工艺研究,并按上述标准,完成了运载火箭燃料贮箱模拟件的焊接。该模拟件已通过承压试验测试,完全满足设计要求。因此,两项标准的制订具有较强的工程实践意义。

  通过前两年的技术积累和市场推广,其中包括设备开发、工艺研究及产品试制等几个方面,预测在3~5年之内,FSW技术有望首先扩大应用到航天结构的生产制造中,实现我国航天制造技术中的一大跨跃式发展。在全面性能(尤其是疲劳性能和抗腐蚀性能)研究基础上,搅拌摩擦焊接技术在航空制造领域有可能先应用到飞机制造中的某些非重要铝合金承力结构(如运输机中的载物底板等).随后,逐步向重要的铝合金承力结构中推广。FSW技术在这一领域的扩大应用可能需要较长的时间(5~10年)。但是鉴于飞机结构轻量化的需要,以及FSW技术在焊接轻合金(如铝合金、镁合金等)方面的独特优势,将FSW技术用于飞机结构的制造已是大势所趋。

  铝合金型材拼接技术的开发是搅拌摩擦焊技术在工程化、市场化中量大面广的最重要领域,如轨道列车(包括高速列车,地铁列车和铝合金货运车)、快速舰船产品等.采用搅拌摩擦焊接技术在这些方面的优势是生产效率高、焊接变形小、成本低、质量好等。以铝合金列车为例,有统计表明,到2020年,我国约需新配备铝合金客车20万辆、铝合金运煤车20万辆。可见,搅拌摩擦焊接技术在我国轨道车辆、快速舰船等领域的大规模工程化应用前景也非常广阔。

  1) 搅拌摩擦焊作为先进的固态连接技术,正在广泛应用于铝合金结构件的连接制造,大面积取代熔焊方法,尤其是在现代运载工具的高速化、轻型化进程中,技术经济效益显著;2) 近两年来,在国内,搅拌摩擦焊基础方法研究、工程应用开发、搅拌摩擦焊设备及产品制造方面取得明显进步,促进了搅拌摩擦焊在中国制造领域的应用,正蓄势待发;3) 搅拌摩擦焊在方法、材料、性能和效率、成本、环保等方面显示出的优越性,促进了在我国航空、航天、船舶、列车、电力等工业制造行业中的大规模工程化应用,正方兴未艾;

  4) 高质量的搅拌摩擦焊连接,有赖于焊接过程对各工艺参数的精确监控:各轴的负荷、搅拌头的温升、焊接主轴转速及焊接速度等;精密设计的搅拌头、具有良好刚性的数控化机床,以及采用高精度的机器人,实现各类接头的可靠连接是发展目标;

  5) 在充分正确认识搅拌摩擦焊中金属迁移流动物理本质的基础上,通过数值分析建模与仿真模拟,用物理模拟验证数值模拟 ,相辅相成,避免费时耗资的重复实验,建立搅拌摩擦焊过程理论,正确指导这项新技术在未来发展中的新突破;

  6) 搅拌摩擦焊技术在未来发展中,突破高熔点金属材料连接工程化应用的关键是:搅拌头材料的正确选择,搅拌头型面的优化设计和寿命的提高.

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