【文章內(nèi)容簡介】 能、完全無氣孔、 光滑表面的焊縫，對各種各樣的攪拌焊針的形狀分別作了研究 f15l。 (3)攪拌摩擦焊工藝參數(shù)對攪拌頭的影響。 不銹鋼攪拌摩擦焊工藝與攪拌頭研究 1IIII II 攪拌摩擦焊工藝參數(shù) (焊接速度，旋轉(zhuǎn)速度 )對攪拌頭磨損情況和磨損機理 有很大影響。焊接速度對攪拌頭針部的徑向磨損有決定性的影響．焊接速度越低， 磨損率越高，最大磨損率出現(xiàn)在焊接開始時。攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度同時影響攪拌頭 的針部和肩部。對肩部影響較明顯。 1． 4． 3． 2攪拌頭的研究狀況 攪拌頭是攪拌摩擦焊工藝的核心技術(shù)之一。其形狀和材料是獲得高質(zhì)量焊縫 和優(yōu)良焊縫力學(xué)性能的關(guān)鍵因素。國內(nèi)外對攪拌頭從各個方面做了研究 fJ 蝴． 文獻 I 蝤 ’ 峒對攪拌頭的研究現(xiàn)狀做了總結(jié)，文獻【坫 1 認為攪拌焊工具是攪拌摩擦 焊技術(shù)的核心，攪拌焊工具研制的進展情況決定了攪拌摩擦焊的應(yīng)用范圍．攪拌 焊針的材料決定了攪拌焊工具的強度和使用壽命。攪拌焊針的形狀決定了塑化金 屬受熱、塑性流動和被頂鍛的方式；攪拌焊針的尺寸決定了焊縫尺寸．被焊材料 及厚度不同時，應(yīng)選用不同材料及結(jié)構(gòu)的焊接工具，為了進一步擴大攪拌摩擦焊 技術(shù)的應(yīng)用范圍，針對不同被焊材料研制具有足夠熱強度和耐磨性的攪拌焊焊針 至關(guān)重要。文獻 168。6 】強調(diào)新型攪拌頭的研制成功有力地促進了攪拌摩擦焊的發(fā)展． 應(yīng)根據(jù)相應(yīng)的基本理論，在實際生產(chǎn)應(yīng)焉中不斷改進攪拌頭的設(shè)計，使之設(shè)計更 加合理；同時借助計算機對具有復(fù)雜幾何外形的攪拌頭進行應(yīng)力分析和外觀設(shè)計。 文 獻 117． 1s】分別對柱狀和錐狀光頭攪拌頭對攪拌摩擦焊接鋁鋰合金接頭組織及 力學(xué)性能的影響做了研究． 露 1． 3 抽鉀 Illl．形式的攪拌頭 番 1． ●llX TrifluteTlil形式的攪拌頭 近來， T 帆研制了 2 種新型的攪拌頭 —— WbodlM 和 MX Trlflw,cTM 讎 71，如圖 1． 圖 1． 4所示。這 2 種攪拌頭較 565l 系列有了很大的提高，其中 whonlM系列主 碩士學(xué)位論文 要是為焊接板厚更厚的 6082． T6鋁合金所研制的。當進行單面焊時，它可以焊接板 厚為 25～ 40mm 的鋁合金。雙面焊時，最高可以焊接板厚為 75mm 的鋁合金。 MX TrifluteTM 系列攪拌頭可以取得更好的效果，當進行單面焊時，它可以焊接板厚為 6～ 50mm 的鋁合金 f閽。 攪捧撩針 輛弱 ◎◎ 蠻 ◎◎ 圖 1． 5 各種不同形式的軸肩 國外主要對攪拌頭的材料、幾何形狀和磨損情況做了大量研究。 對于不銹鋼攪拌摩擦焊一個本質(zhì)的需求是在攪拌頭和工件材料的硬度和溫度 特性之間保持一個適當?shù)钠ヅ?。重要的是選擇在 10000C 或更高溫度下具有好的耐 磨性和韌性的攪拌頭材料。 Thomas 等人、 Lienert 和 Gould、 Johnson 和Threadgill 在他們的研究中沒有鑒別攪拌頭材料，鎢合金、鉬合金和多晶立方氮化硼其他研 究者用來做攪拌頭材料。 Lienert 和 Gould、 Lienert 等人認為大部分攪拌頭磨損出 現(xiàn)在焊接初始開始進入階段，攪拌頭的摩擦磨損和變形被認為是工具尺寸改變的 起因。此外， Lienert 和 Gould 認為 PSBN FSW 攪拌頭顯示在焊接 6m 淬火和調(diào)質(zhì) CMn 鋼后有很小的磨損。顯然，大部分研究應(yīng)該直接對于攪拌頭磨損和適當?shù)哪? 擦頭材料／幾何形狀的鑒定和發(fā)展。此外，如 Thomas 等人前面指出的，焊接前對 工件預(yù)熱有利于提高焊接速度和減小工件磨損。在針部進入工件之前加熱最初進 入工件區(qū)域是簡單有效的，因為工具磨損主要出現(xiàn)在焊接開始進入階段。 文獻【刪研究了鑄造鋁 359 和含 20％ SIC 的金屬聚合物攪拌摩擦焊攪拌頭磨損 情況，結(jié)果表明在高的旋轉(zhuǎn)速度和低的焊接速度下，鑄造鋁 359 和含 20％SiC 的 金屬聚合物攪拌摩擦焊攪拌頭磨損非常明顯。在攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度減小和焊接 速度 提高的情況下，攪拌頭的磨損開始下降。 文獻 [20231 研究了攪拌摩擦焊攪拌頭幾何形狀對攪拌摩擦焊的影響。文獻 [20l使 用基于 FEM 模型連續(xù)體對攪拌頭進行設(shè)計，并指出攪拌頭幾何形狀對于得到令人 滿意的焊縫和熱影響區(qū)微觀組織，從而改善接頭的強度和抗疲勞性能起到至關(guān)重 要的作用。文獻田】研究了不同幾何形狀的攪拌摩擦焊攪拌頭對 2020 和 1018 鋁合 金攪拌摩擦焊力學(xué)性能的影響。 文獻 [24,251 探討了攪拌摩擦焊攪拌頭的磨損狀況和磨損機理。文獻 1241認為： 6016T6 鋁合金板和 MMC6016． T6 鋁加 20vol％ AL203 顆粒旋轉(zhuǎn)速度達到1000rpm 使用碳鋼攪拌針進行攪拌摩擦焊，攪拌針的磨損率大約為 0． 64％／ cm。 1000rpm以 不銹鋼攪拌摩擦焊 T 藝與攪拌頭研究 上時磨損率下降。在 ]S00rpm 和 2020rpm 耐磨損率分別為 O． 42％／ an 和 O．鉑％／an。 文獻磷 J 研究了 AC4AC30 v01％ SiCp 化合物攪拌摩擦焊 WCCo 攪拌頭的磨損特性， 實驗結(jié)果表明 雖然肩部尺寸和針部長度的改變很小，但是攪拌頭的磨損是可評 估的。在針部不同的位置針部徑向磨損是不同的，最大磨損出現(xiàn)在從根部三分之 一的位置。焊接速度對針部徑向磨損具有決定性的影響，最大磨損率出現(xiàn)在開始 焊接時。 對于鋁合金攪拌摩擦焊來說，通常攪拌頭豹磨損不是需要嚴格考慮韻問題． 對于高熔點材料 (鋼和鐵 )和耐磨材料 (金屬聚合物 )．攪拌頭的磨損應(yīng)作為一個 嚴格的問題來考慮。然而，對于 FSW 攪拌頭磨損的研究非常有限．大部分攪拌頭 的設(shè)計是基于直觀的概念．此外，對于攪拌頭材料的選擇，雖然著重考慮鋼、鐵 和聚合物的攪拌摩擦焊，但是至今仍沒有系統(tǒng)的研究。很可能攪拌頭的磨損和形 狀最優(yōu)化和攪拌頭的材料聯(lián)系起來 [26271。顯然，理解攪拌頭的磨損，攪拌頭幾何 形狀的最優(yōu)化和攪拌頭材料的選擇需要做進一步的研究． 1． 5 鎢合金材料 鎢基高密度合金是一類以鎢為基 (含鎢量為 $5％ 99％ )。并添加有少量 M、 CM、 Fe、 Co、 Mo、 Cr 等元素組成的合金，其密度高達 16． 5~lg． og／ c=3，被世人通 稱為高比重合金、重合金活高密度鎢合金瞄習(xí)．合金元素的多元化和應(yīng)用領(lǐng)域的擴 展導(dǎo)致鎢基高密度合僉涵蓋的合金種類越來越多．現(xiàn)在被越來越多地簡稱為。鎢 臺金 ” ． 鎢合金具有一系列優(yōu)異的物理力學(xué)性能，主要體現(xiàn)在以下幾個方面． (1)密度高一高密度鎢合金的密度一般為 16．如 19炳燦 3，即相當于鋼密 度地兩倍以上。 (2)抗拉強度高 —— 燒結(jié)態(tài) W=NiFe高密度合金地抗拉強度為 9001伽日 MP曩， 熱處理和變形加工處理后其強度可提高到 13001500MPa． (3)延性好 —— W 斟 iFe 高密度合金具有很好地延性，其燒結(jié)態(tài)地伸長率可 {： l 達到 10％～ 15％，經(jīng)真空或氣氛脫氫處理后，伸長率可提高到 20 ／p30％． 《 4)良好地吸收射線地能力一一高密度合金地吸收射線地能力比鏹高 魚 0。／ r． 40％，其穩(wěn)定性也比鉛好。 (S)良好地電性能 —— w_Ni— CH、 WNi． Fv高密度合金具有較好的導(dǎo)電性、 耐電蝕性、耐高壓等電性能。 (6)良好的導(dǎo)熱性及較低韻線脹系數(shù) —— 其導(dǎo)熱系數(shù)為模具鋼的 5 倍，而線 脹系數(shù)只有鐵或鋼的 l 伽 l／ 3． (7)良好的耐腐蝕性與抗氧化性。 (8)良好的可焊接性 —— 高密度合金可以永銅、銀焊接料進行釬焊．可進行 碩士學(xué)位論文 電鍍。 (9)良好的機加工特性 —— 由于 WNiFe 高密度合金具有很好的延性，可以 進行車、銑、刨、車螺紋和攻絲等機加工，還可以進行軋制、旋鍛和鍛造加工等 大變形變強化處理。 鑒于高密度合金具有如上所述的一系列優(yōu)異的物理力學(xué)性能，因而廣泛地被 應(yīng)用于航空航天、軍事工業(yè)、電器儀表工業(yè)、壓力鑄造工業(yè)等行業(yè)。 表 1． 1 為鎢的高溫力學(xué)性能數(shù)據(jù)。 表 1． 1 鎢的高溫力學(xué)性能 1． 6不銹鋼攪拌摩擦焊的發(fā)展趨勢 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；對于鋼和 不銹鋼材料，也已開展了攪拌摩擦焊研究與開發(fā)，開始在某些場合應(yīng)用。 美國 MEGASTIR公司【 29】一直致力于高熔點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現(xiàn)攪拌摩擦 焊連接； 2020 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煎熬半摩擦焊。 目前，不銹鋼攪拌摩擦焊還處于初步研究階段，探索不同種類不銹鋼的攪拌 摩擦焊工藝為我國從事攪拌摩擦焊技術(shù)的科研人員提供了～種新的機遇。同時， 高熔點 材料不銹鋼攪拌摩擦焊重要是攪拌頭材料的優(yōu)選 (如采用多晶立方氮化硼 PCBN)與其攪拌針型體設(shè)計、加工以及在工程應(yīng)用中壽命的提高。 1． 7本課題的研究內(nèi)容 不銹鋼攪拌摩擦焊 仁藝與攪拌頭研究 ●Ill II II Ill I Illl 攪拌頭作為攪拌摩擦焊生產(chǎn)中的易耗品，不僅消耗量大．而且焊接過程中攪 拌頭的好壞直接影響焊接質(zhì)量、生產(chǎn)率和成本。 本課題研究內(nèi)容包括以下幾個方面， (1)初步選擇試驗用不銹鋼攪拌頭材料及凡何形狀 } (2)初步探討不銹鋼攪拌摩擦焊工藝以及接頭的微觀組織和性能 l (3)對不銹鋼攪拌摩擦焊攪拌頭進行合理設(shè)計，對不銹鋼攪拌摩擦焊攪拌頭 豹載荷進行分析，建立不銹鋼攪拌摩擦焊攪掉頭的溫度場并進行數(shù)值模擬， (4)不銹鋼攪拌摩擦焊攪拌攪拌頭針部的失效形式及其磨損機理的探討． (5)對后續(xù)工作的展望。 1． B 本課題研究的意義 從國內(nèi)外攪拌摩擦焊發(fā)展的現(xiàn)狀看，對鋁舍金攪拌摩擦焊韻工藝及溫度場、 流場、應(yīng)力場和耦合場的研究已取得很大成就，但對于不銹鋼攪拌摩擦焊的研究 還處于初步階段，攪拌頭是攪拌摩擦焊的關(guān)鍵技術(shù)，它的好壞決定了攪拌摩擦焊 能否擴大待焊材料的種類，能否提高待焊材料的板厚范圍。攪拌焊針的材料決定 了攪拌焊工具韻強度和使用壽命．攪拌焊針的形狀決定了塑化金屬受熱、塑性流 動和被頂鍛的方式 l攪拌焊針的尺寸決定了焊縫尺寸。被焊材料及厚度不同時， 應(yīng)選用不同材料及結(jié)構(gòu)的焊接工具，為了進一步擴大攪拌摩擦焊技術(shù)的應(yīng)用范圍， 針對不同被焊材料研制具有足夠熱強度和耐磨性的攪拌焊焊針至關(guān)重要。研制不 銹鋼攪拌摩擦焊攪拌頭有剩于改善和提高不銹鋼的攪拌摩擦焊接接頭的質(zhì)量，提 高生產(chǎn) 率。為后續(xù)的攪拌摩擦焊工藝提供了參考，具有重要的實用價值。 碩士學(xué)位論文 第 2 章實驗設(shè)備、材料及實驗方法 2． 1試驗設(shè)備及材料 2． 1． 1 攪拌摩擦焊機 本實驗所用的設(shè)備是從攪拌摩擦焊中心引進的 FSW4LM． 015型攪拌摩擦焊設(shè) 備，其外觀如圖 2． 1 所示。它是一臺專用攪拌摩擦焊機，該設(shè)備操作簡單，反應(yīng)迅 速，滿足攪拌摩擦焊接試驗研究的要求，具有以下性能： (1)主要用于鋁、鎂、銅、鋅及其合金材料的焊接； (2)焊接鋁及鋁合金材料是最大厚度可達到 14ram，零件的焊縫長度最大為 1500X 800mm。 (3)X 向可移動范圍在 O1500mm， Y 向可移動范圍在 O200mm， Z向可移 動范圍在 OlOOmm。 (4)摩擦頭的旋轉(zhuǎn)速度范圍在5002500rpm。 (5)焊接速度范圍在 O1200mm／ m。 圖 2． 1 試驗用焊機外觀圖 不銹鋼攪拌摩擦焊 r 藝與攪拌頭研究 (6)攪拌頭主軸的軸向力 ≥75kN 。 (7)工作臺 X 向的推力 ≥25kN 。 攪拌摩擦焊機的主體結(jié)構(gòu)主要包括 t 床身．立柱、橫梁，工作臺、橫滑板、 垂滑扳、主軸頭、環(huán)縫轉(zhuǎn)臺、環(huán)縫夾具、傳動系統(tǒng)，氣動系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、屯柜 等。 2． 1． 2 試驗材料 試驗選用的材料為 3 帥厚 OCrISNi9 不銹鋼扳，具體尺寸參數(shù)為 150minx 120Ⅱ 蛾 3n 蕊。試驗用材料為 3 娜 n 厚 OCrtgNi9 不銹鋼板，其化學(xué)成分見表 23， 性能見表 2． 4：腐蝕液采用鹽酸、硝酸和水的混合溶液 其體積比為 I s lI l 囊 2． 4 OOrlmCi9 不蟒鋼的性能