搅拌摩擦焊

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搅拌摩擦焊(FSW)是一种固态连接过程,使用一种不消耗工具的工具来连接两个面对的工件,而不会熔化工件材料。旋转工具和工件材料之间的摩擦会产生热量,从而导致搅拌摩擦焊工具附近的区域变软。当沿着接合线移动工具时,它会机械地将两块金属混合在一起,并通过工具施加的机械压力锻造热的和软化的金属,就像接合粘土或面团一样。它主要用于锻造或挤压铝特别是对于需要很高焊接强度的结构。搅拌摩擦焊能够连接铝合金、铜合金、...

搅拌摩擦焊

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搅拌摩擦焊(FSW)是一种固态连接过程,使用一种不消耗工具的工具来连接两个面对的工件,而不会熔化工件材料。旋转工具和工件材料之间的摩擦会产生热量,从而导致搅拌摩擦焊工具附近的区域变软。当沿着接合线移动工具时,它会机械地将两块金属混合在一起,并通过工具施加的机械压力锻造热的和软化的金属,就像接合粘土或面团一样。它主要用于锻造或挤压铝特别是对于需要很高焊接强度的结构。搅拌摩擦焊能够连接铝合金、铜合金钛合金、低碳钢不锈钢镁合金。最近,它已成功用于聚合物的焊接。此外,搅拌摩擦焊最近已实现了将异种金属(例如铝)与镁合金接合在一起。搅拌摩擦焊的应用可以在现代造船、火车和航空航天应用中找到。

搅拌摩擦焊

搅拌摩擦焊的工作原理

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将带有异型探头的旋转圆柱形工具送入两个夹紧的工件之间的对接,直到直径大于销钉的凸肩接触到工件表面。探针略短于所需的焊接深度,并且工具肩部位于工作表面上。短暂的停留时间后,工具以预设的焊接速度沿接合线向前移动。

耐磨工具和工件之间会产生摩擦热。这种热量,以及由机械混合过程产生的热量以及物料中的绝热热量,使搅拌的物料软化而不会熔化。当工具向前移动时,探针上的特殊轮廓会迫使塑化材料从前表面到后表面,在此高的力有助于锻造焊缝的固结

工具在金属的增塑的管状轴中沿焊接线移动的过程会导致严重的固态变形,包括基材的动态再结晶

搅拌摩擦焊的优势与局限

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搅拌摩擦焊的固态特性比熔融焊接方法具有多个优势,因为避免了与液相冷却相关的问题。搅拌摩擦焊期间不会出现诸如孔隙率、溶质再分布、凝固裂纹和液化裂纹等问题。通常,已发现FSW产生的缺陷浓度低,并且非常能容忍参数和材料的变化。

但是,如果操作不当,搅拌摩擦焊会带来许多独特的缺陷。例如,由于低转速或高横向速度而导致的焊接温度不足,意味着焊接材料无法适应焊接过程中的大范围变形。这可能会导致沿焊缝延伸的长隧道状缺陷,可能会出现在表面或次表面上。低温也可能会限制工具的锻造作用,因此会降低焊缝两侧材料之间的粘结连续性。材料之间的光接触产生了“亲吻键”的名称。由于使用非破坏性方法(例如X射线超声波测试)很难检测到该缺陷,因此特别令人担忧。如果销钉不够长或工具从板中伸出,则焊缝底部的界面可能不会被工具打断和锻造,从而导致缺乏穿透性的缺陷。这本质上是材料中的一个缺口,可能是疲劳裂纹的潜在来源。

与传统的熔焊工艺相比,搅拌摩擦焊具有许多潜在的优势:

  • 在焊接状态下具有良好的机械性能
  • 由于没有有毒烟雾或熔融材料飞溅而提高了安全性。
  • 无消耗品-由常规工具钢制成的螺纹销(例如,硬化的H13)可以焊接1公里(0.62英里)以上的铝,并且铝不需要填充物或气体保护层。
  • 在简单的铣床上轻松实现自动化-降低设置成本、减少培训。
  • 由于没有焊池,因此可以在所有位置(水平、垂直等)操作。
  • 通常情况下,良好的焊接外观和最小的厚度不足/过度匹配,从而减少了焊接后昂贵的加工需求。
  • 可以使用具有相同接头强度的较薄材料。
  • 低环境影响。
  • 从融合转变为摩擦,可提高总体性能和成本。

但是,已发现该过程的一些缺点:

  • 拔出工具后,离开左侧的出口孔。
  • 重型夹紧需要很大的下压力才能将板固定在一起。
  • 不如手动和电弧加工(厚度变化和非线性焊接困难)灵活。
  • 横移速度通常比某些熔焊技术慢,但如果需要较少的焊接次数,则可以抵消。

搅拌摩擦焊的焊接力

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在焊接过程中,许多力将作用在工具上:

  • 需要向下的力才能将工具的位置保持在材料表面或材料表面以下。一些搅拌摩擦焊机在负荷控制下运行,但在许多情况下,工具的垂直位置是预设的,因此负荷在焊接过程中会发生变化。
  • 横向力平行于刀具运动,并且在横向方向上为正。由于该力是由于材料对工具运动的抵抗力而产生的,因此可以预期,该力将随着工具周围材料温度的升高而减小。
  • 横向力可以垂直于工具横向移动,并且在此被定义为朝焊缝前进侧为正。
  • 旋转工具需要扭矩,扭矩的大小将取决于下压力和摩擦系数(滑动摩擦)和/或材料在周围区域的流动强度(静摩擦)。

为了防止工具断裂并xxx程度地减少工具和相关机械上的过度磨损、修改焊接周期,以使作用在工具上的力尽可能小,并避免突变。为了找到最佳的焊接参数组合,很可能必须达成折衷,因为从生产率和焊接角度来看,有利于低力的条件(例如高热量输入,低行进速度)可能是不希望的属性。

物料流

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围绕工具的材料流动方式的早期工作使用了不同合金的刀片,当通过显微镜观察时,该刀片与普通材料的对比度不同,以试图确定工具通过时材料在何处移动。数据被解释为代表原位挤出的一种形式、工具、垫板和冷的基础材料在此处形成“挤压室”,热的塑化材料通过挤压室进入。在此模型中,工具的旋转几乎不会或根本不会在探针的前端拉动任何材料。取而代之的是,材料部分位于销钉的前面,并向下穿过任一侧。在材料通过探针之后,由“模具”施加的侧向压力将材料推回一起,并且随着工具肩部的后部从上方通过而较大的向下力使材料锻造,接合处发生了固结。

最近,提出了另一种理论,该理论主张在某些位置进行大量的物质运动。该理论认为,某些材料确实会围绕探针旋转至少一圈,而正是这种材料运动在搅拌区产生了“洋葱环”结构。研究人员结合使用了薄铜条嵌件和“冻结销”技术,使工具迅速停在原处。他们建议物质运动通过两个过程发生:

  1. 焊缝前进侧的材料进入一个区域,该区域随异型探头一起旋转并前进。从上方(即,沿工具轴线向下)观察时,该材料变形很大,并在销钉后脱落,形成弧形特征值得注意的是,铜进入了销周围的旋转区域,在那里被分解成碎片。这些碎片仅在工具后面的材料的弧形特征中发现。
  2. 较轻的材料来自销钉前面的后退侧,并被拖到工具的后部,并填充了前侧材料弧之间的间隙。该材料不会围绕销旋转,而较低的变形程度会导致较大的晶粒尺寸。

这种解释的主要优点是,它为洋葱环结构的生产提供了合理的解释。

用于搅拌摩擦焊的标记技术可提供有关标记在焊接材料中的初始和最终位置的数据。然后,从这些位置重新构造物料流。搅拌摩擦焊接过程中的详细材料流场也可以基于基本科学原理,从理论考虑中得出。物料流量计算通常用于许多工程应用中。搅拌摩擦焊接中的材料流场的计算既可以使用全面的数值模拟进行,也可以使用简单但有见地的分析方程式进行。用于计算材料流场的综合模型还提供了重要信息,例如搅拌区的几何形状和工具上的扭矩。数值模拟显示了能够正确预测标记实验的结果以及在摩擦搅拌焊接实验中观察到的搅拌区几何形状的能力

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词条目录
  1. 搅拌摩擦焊
  2. 搅拌摩擦焊的工作原理
  3. 搅拌摩擦焊的优势与局限
  4. 搅拌摩擦焊的焊接力
  5. 物料流

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