攪拌摩擦焊的現(xiàn)狀與發(fā)展(編輯修改稿)
2025-07-14 05:57 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 于日本新干線車輛的制造（圖6左），車輛時(shí)速可達(dá)285 km/h。法國(guó)的Alstom公司將攪拌摩擦焊應(yīng)用于列車頂板的連接（圖6右）。圖6左：日本住友輕金屬公司FSW生產(chǎn)的新干線列車壁板；右：法國(guó)阿爾斯通FSW制造的列車車頂目前,與軌道車輛相關(guān)方面的攪拌摩擦焊應(yīng)用包括：高速列車箱體型材連接；油罐車及貨物列車箱體連接；集裝箱箱體；鐵軌以及地下滾動(dòng)托盤。 攪拌摩擦焊在汽車工業(yè)中應(yīng)用為了提高運(yùn)載能力和速度，汽車制造呈現(xiàn)出材料多樣化、輕量化、高強(qiáng)度化的發(fā)展趨勢(shì)，鋁合金、鎂合金等輕質(zhì)合金材料所占的比重越來(lái)越大，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)以及接頭形式都在設(shè)法改進(jìn)。攪拌摩擦焊技術(shù)的發(fā)明恰好滿足了這種新材料、新結(jié)構(gòu)對(duì)新型連接技術(shù)的需求。挪威Hydro公司采用攪拌摩擦焊技術(shù)制造汽車輪轂，將鑄造或鍛造的中心零件與鍛鋁制造的輻條連接起來(lái)，以獲得良好的載荷傳遞性能并減輕重量。美國(guó)Tower汽車公司采用攪拌摩擦焊制造汽車用懸掛連接臂,取得了很大經(jīng)濟(jì)效益。攪拌摩擦焊。另外，該公司還將攪拌摩擦焊技術(shù)用于縫合不等厚板坯料(Tailored welded blanks)的制造。采用縫合坯料,在優(yōu)化結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度設(shè)計(jì)的同時(shí),既大大減少了汽車制造中模具的數(shù)量,又縮短了工藝流程。目前攪拌摩擦焊在汽車制造工業(yè)中的應(yīng)用主要為：發(fā)動(dòng)機(jī)引擎和汽車底盤車身支架；汽車輪轂；液壓成型管附件；汽車車門預(yù)成型件；轎車車體空間框架；卡車車體；載貨車的尾部升降平臺(tái)汽車起重器；汽車燃料箱；旅行車車體；公共汽車和機(jī)場(chǎng)運(yùn)輸車；摩托車和自行車框架；鋁合金電梯；逃生交通工具；鋁合金汽車修理；鎂合金和鋁合金的連接。攪拌摩擦點(diǎn)焊(FSSW)的研究與技術(shù)開發(fā),是汽車制造工業(yè)中的一個(gè)新熱點(diǎn).攪拌摩擦焊成功地解決了輕合金金屬的連接難題，在兵器、建筑、電力、能源、家電等工業(yè)中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。如在兵器工業(yè)，攪拌摩擦焊成功實(shí)現(xiàn)了坦克、裝甲車的主體結(jié)構(gòu)和防護(hù)裝甲板的制造。在建筑行業(yè),攪拌摩擦焊在民用建筑工業(yè)的應(yīng)用主要為：鋁合金橋梁,鋁合金、銅合金、鎂合金裝飾板,門窗框架,鋁合金管線,電廠和化學(xué)工廠的鋁合金反應(yīng)器,熱交換器,中央空調(diào),管狀結(jié)構(gòu)件制造等。在電力行業(yè),攪拌摩擦焊的應(yīng)用主要為：發(fā)動(dòng)機(jī)殼體,電器連接件,電器封裝等。在家電行業(yè),主要應(yīng)用為：冰箱散熱板,廚房電器和設(shè)備,“白色”家用物品和工具,天然氣、液化氣儲(chǔ)箱和容器,金屬家具等。 在非鋁合金金屬結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用迄今，攪拌摩擦焊的大部分研究開發(fā)和應(yīng)用都集中在鋁合金材料。對(duì)于非鋁合金材料如銅合金、鈦合金、鋼材、熱塑材料等，也已開展了攪拌摩擦焊研究和開發(fā)，開始在某些場(chǎng)合應(yīng)用。在1997年瑞典SKB公司和英國(guó)焊接研究所一起對(duì)50毫米厚銅合金核燃料貯箱的攪拌摩擦焊制造進(jìn)行了開發(fā)，2001年開發(fā)銅合金攪拌摩擦焊專用設(shè)備，并且對(duì)電子束和攪拌摩擦焊工藝進(jìn)行了比較和完善，2004年已經(jīng)小批量生產(chǎn)。美國(guó)MEGASTIR公司一直致力于高熔點(diǎn)材料的攪拌摩擦焊應(yīng)用開發(fā)，從304不銹鋼到普通中碳鋼和高溫合金材料，甚至鈦合金材料等都可以實(shí)現(xiàn)攪拌摩擦焊連接。2003年已經(jīng)把攪拌摩擦焊應(yīng)用于野外鋼合金天然氣管道的攪拌摩擦焊。高熔點(diǎn)材料:鈦,鋼FSW的難點(diǎn)主要是攪拌頭材料的優(yōu)選(如選用多晶立方氮化硼PCBN)與其攪拌針型體設(shè)計(jì)、加工以及在工程應(yīng)用中的壽命.日本日立公司利用攪拌摩擦焊實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度大于800Mpa的超精細(xì)高強(qiáng)鋼(UFG)的連接，這種材料在未來(lái)有可能用于飛機(jī)起落架的制造等。攪拌頭材料、攪拌頭軸肩和攪拌針的型體是攪拌頭優(yōu)劣的3個(gè)主要決定性因素,關(guān)系到連接接頭的性能與生產(chǎn)成本和效率。攪拌頭的主要功能如下：l加熱和軟化被焊接材料（工件材料）；l破碎和彌散接頭表面的氧化層；l驅(qū)使攪拌針前部的材料向后部轉(zhuǎn)移；l驅(qū)使接頭上部的材料向下部轉(zhuǎn)移；l使轉(zhuǎn)移后的熱塑化的材料形成固相接頭。攪拌頭的形狀與熱塑化材料的流變密切相關(guān)，并且直接影響到接頭的質(zhì)量，在攪拌摩擦焊發(fā)展初期，TWI開發(fā)成功了柱形攪拌頭，這種攪拌頭在攪拌摩擦焊初期開發(fā)研究中得到了廣泛應(yīng)用。隨著攪拌摩擦焊技術(shù)的發(fā)展，針對(duì)不同的焊接材料和結(jié)構(gòu)，目前已有系列化的攪拌頭。英國(guó)焊接研究所研制的WhorlTM和MX TrifluteTM（圖7左）攪拌頭，可以在提高焊接速度的條件下,得到焊縫成形良好、性能更加優(yōu)良的焊縫。圖7TWI開發(fā)的MX TrifluteTM（左）和SkemStirTM（右）攪拌頭英國(guó)焊接研究所在2002年成功開發(fā)了如圖7右所示的“SkemStirTM”型攪拌頭，它的主要功能為,主軸和攪拌頭的旋轉(zhuǎn)中心線不同軸。當(dāng)主軸選轉(zhuǎn)時(shí)，可得到焊縫寬、深比大的接頭，尤其適用于搭接攪拌摩擦焊。對(duì)于薄壁筒形結(jié)構(gòu)件，由于零件的剛性差，筒形件的攪拌摩擦焊需要有剛性好的工藝裝備支撐，承受較大的焊接壓力和摩擦驅(qū)動(dòng)力,以保持被焊接零件的尺寸完整性。TWI、BOEING、MTS等公司開發(fā)出了如圖8所示的“Bobbin”雙軸肩攪拌頭，它的主要功能是利用攪拌頭的雙軸肩，使攪拌摩擦焊過(guò)程中產(chǎn)生的作用力相互抵消，從而解除了薄壁筒形件焊接時(shí)對(duì)剛性裝備的依賴。用這種攪拌頭施焊的缺點(diǎn)是,焊接前需要在啟焊處預(yù)制一個(gè)導(dǎo)引孔，以便插入攪拌針。焊后,需將一側(cè)軸肩拆卸,抽出攪拌針。使焊接過(guò)程操作復(fù)雜化。圖8“Bobbin”雙軸肩攪拌頭克服環(huán)形焊縫攪拌摩擦焊遇到的另外一個(gè)難題,就是焊縫尾端“匙孔”,長(zhǎng)直焊縫可以用“引焊板”來(lái)消除焊接尾端“匙孔”，但是環(huán)形焊縫“匙孔”的消除就不容易用引焊的方法來(lái)消除。美國(guó)NASA開發(fā)成功了可回抽式攪拌頭，該型攪拌頭的攪拌針伸出長(zhǎng)度可以在焊接過(guò)程中改變，在環(huán)縫攪拌摩擦焊的末尾,使攪拌針逐漸回抽，實(shí)現(xiàn)環(huán)縫“無(wú)匙孔”攪
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