攪拌摩擦焊技術(二)-攪拌摩擦焊工藝

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攪拌摩擦焊技術(二)-攪拌摩擦焊工藝簡介
1.接頭形式     關於這種新焊接方法的接頭形式,推薦如圖2-5所示的各種接頭形狀。通常攪拌摩擦焊採用平板對接和搭接形式進行焊接。 它也可實現多種接頭的焊……
攪拌摩擦焊技術(二)-攪拌摩擦焊工藝正文

1.接頭形式

    關於這種新焊接方法的接頭形式,推薦如圖2-5所示的各種接頭形狀。通常攪拌摩擦焊採用平板對接和搭接形式進行焊接。 它也可實現多種接頭的焊接,如多層對接、多層搭接、T形接頭、V形接頭、角接等,並在實際工業製造中得到了應用。對於角接來說,由於此種焊接方法焊接的焊縫沒有增高,原來的接頭設計標準已不適用,必須對接頭側的形狀進行很好的設計,才能實現焊接。由圖2-5(d)可以看到,多重板可實現一次焊接,這是此種焊接方法的一大優點。

圖2-5  攪拌摩擦焊接頭形狀圖

    除了以上典型接頭形式外,經過不斷的開發研究,針對不同的結構零件,研究人員設計了多種其它接頭形式,如圖2-6所示。

    圖2-7所示為熱容量差較大的厚大工件與小薄件的焊接接頭。厚大工件為鑄態材料,薄件為軋制板材。工業生產中,攪拌摩擦焊不僅可以焊接筒形零件的環縫和縱縫,還可以實現全位置空間焊接,如水平焊、垂直焊、仰焊以及任意位置和角度的軌道焊。

圖2-7  不同厚度的鑄鋁和鍛鋁的攪拌摩檫焊接頭的宏觀斷面

2. 工藝參數的選擇

(1)焊接速度

    焊接速度是根據攪拌頭的形狀和被焊金屬來定。幾乎與MIG焊相同,或稍比MIG焊快一些,一般為30-100cm/min

    不同的被焊金屬在不同板厚情況下最大焊接速度如圖2-8所示。由圖可以看出,在板厚為5mm時,焊接鋁的焊速最大為700mm/min;焊接銅的焊速為100mm/min;焊接鋁合金時焊速處於500mm/min∽150mm/min範圍內;異種鋁合金的焊接焊速極低。鎂的材料常數為400,比2000系鋁合金的材料常數600還低,所以推薦在低速下進行焊接。

圖2-8 各種材料的攪拌摩擦焊臨界焊接速度計算值

    焊接速度也可用如下公式進行計算:

(mm/min)

    式中 ΦFSW: 材料常數;

         ΨFSW:  攪拌棒常數,通常為1,高效率的攪拌頭可取為2;

             t:  板厚, 單位為mm

    材料常數ΦFSW的大小,除了以上給出的一些金屬的數據外,可通過圖2-8的數據用以上公式換算出來。在使用以上公式計算時,一定要注意,t是以mm為計量單位的無量綱數帶入的。

攪拌摩擦焊的焊接速度也與攪拌頭轉速有關,攪拌頭的轉速與焊接速度可在比較大的範圍內選擇,只有焊接速度與攪拌頭轉速相互配合才能獲得良好的焊縫。

    圖2-9為5005鋁鎂合金的攪拌摩擦焊焊接速度與攪拌頭轉速的關係圖,從圖中可以看出,焊接速度與攪拌頭的轉速存在一最佳範圍。在高轉速低焊接速度的情況下,由於接頭獲得了攪拌過剩的熱量,焊縫金屬由肩部排出形成飛邊,使焊縫外觀顯著不良。在低轉速或高焊速度範圍內,由於獲得的熱量不足,焊縫金屬的塑性流動不好,焊縫會產生空隙(中空)狀的缺陷,乃至產生攪拌指棒的破損。最佳範圍因攪拌頭特別是攪拌指棒的形狀不同而不同。對於同一合金材料的攪拌摩擦焊,目前都是在適合範圍內的較高焊速下進行施焊。

圖2-9 5005鋁合金攪拌摩擦焊的最佳規範圖

圖2-10為不同合金的最佳焊接規範參數。由圖可以看出,6000系Al-Si-Mg鋁合金(6N01)的攪拌摩擦焊的工藝適用性比5000系Al-Mg合金適用範圍要大得多。

圖2-10 各種鋁合金的攪拌摩擦焊的最佳規範參數

(2) FSW的熱輸入

    攪拌摩擦焊的熱輸入是以攪拌頭的轉速與焊接速度之比來表示,即1mm焊縫長度的攪拌頭的轉數。相對於電弧焊的焊接熱輸入定義來說,攪拌摩擦焊的熱輸入不是單位能的概念。攪拌摩擦焊是把機械能轉變成熱能,它的產熱與攪拌頭的轉速大小有關。因而以攪拌頭的轉速與焊接速度的比值大小,可定性的說明在攪拌摩擦焊焊接過程中對母材熱輸入的大小。比值越大,說明對母材的熱輸入越大。此值的大小,也對應著被焊金屬焊接的難易程度。攪拌頭的轉速與焊速的比值,一般在2~8之間。攪拌摩擦焊的熱輸入在此值範圍內,可獲得無缺陷的優良焊接接頭。攪拌摩擦焊對母材的熱輸入即攪拌頭的轉速與焊速的比值,根據被焊合金不同而取不同的數值。在實際生產中,焊接5083鋁合金時此值可以取較小的值,焊接7075鋁合金時可以取稍大一些,焊接2024鋁合金時此值可以取較大的值。在實際應用時此比值不能取得過小,如果過小,焊縫會產生缺陷。

(3)接頭的精度

    被焊工件對接接頭的裝配精度比電弧焊要求更加嚴格。在攪拌摩擦焊時,接頭的裝配精度要考慮如圖2-11所示的幾種情況,即接頭間隙、錯邊量大小和攪拌頭中心與焊縫中心的偏差。

①接頭間隙及接頭錯邊量

圖2-11接頭間隙、錯邊量及中心偏差

圖2-12 接頭精度對機械性能的影響

    接頭的精度和攪拌頭的位置有關。圖2-13表示了攪拌頭肩部的直徑與允許接頭間隙的關係。從圖中可以看出攪拌頭的肩部直徑越大,允許接頭間隙越大。這是因為攪拌頭肩部本身也與被焊金屬的塑性流動現象有著極大的關係,間接說明了攪拌頭的形狀、肩部直徑或形狀有一個最佳形狀。

圖2-13 攪拌頭直徑對允許接頭間隙的影響

    攪拌頭肩部表面與母材表面接觸程度,在焊接過程中也是一個很重要的因素。可通過焊接結束后的攪拌頭肩部外觀來判別焊接時的攪拌頭旋轉的方向,以及攪拌頭肩部表面與母材表面接觸程度。即攪拌頭肩部表面完全被侵蝕,說明攪拌頭肩部表面與母材表面接觸是正常的;當肩部周圍75%表面被侵蝕,說明攪拌頭肩部表面與母材表面接觸程度是在允許的範圍內;肩部表面被侵蝕在70%以下,說明攪拌頭肩部表面與母材表面接觸不良,這種情況是不允許的。

② 攪拌頭中心的偏差

    在攪拌摩擦焊時,攪拌頭的中心與焊接接頭中心線的相對位置,對焊接接頭的質量,特別是焊接接頭的機械強度有很大的影響。圖2-14是攪拌頭的中心位置對焊接接頭抗拉強度的影響。此圖也表示出了攪拌頭中心位置與焊接方向以及攪拌頭旋轉方向之間的關係。

圖2-14 攪拌棒中心位置對接頭抗拉強度的影響

    從圖中可見,對於攪拌頭旋轉的反方向側,在攪拌頭的中心與焊接接頭中心線偏差2mm時,對焊接接頭的機械性能幾乎無影響;而在與攪拌頭旋轉方向相同方向一側,攪拌頭的中心與焊接接頭中心線偏差2mm時,便會造成焊接接頭的機械性能顯著降低。當攪拌頭的攪拌指棒直徑為5mm時,攪拌頭的中心與焊接接頭中心線允許偏差為攪拌指棒直徑的40%以下,這是對於FSW焊接性好的材料而言,而對於焊接性較差的其它合金,允許範圍就小得多。為了獲得優良的FSW焊接接頭,攪拌頭的中心位置必須保持在允許的範圍內。接頭間隙和攪拌頭中心位置都發生變化時,對其中一個因素必須要嚴格控制。例如,接頭間隙在0.5mm以下,攪拌頭的中心位置大致允許偏差2.0mm。

    另外,還要考慮接頭中心線的扭曲、接頭間隙的不均勻性、接合面的垂直度或平行度等。

    在確定FSW工藝參數時,要考慮攪拌指棒的形狀及焊接胎夾具等因素。此外還應考慮FSW焊機的其它部分對缺陷產生的可能性。這些因素對確定FSW最佳規範也有一定的影響。

 

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