【正文】 xTriflute)（如圖 113）都被設計成平。 人們已研制 出各種形式的攪拌針，以適應各種狀態(tài)，主要有以下幾種： 1）、柱形光頭攪拌針 在攪拌摩擦焊工藝應用的初期，柱形光頭攪拌針應用較為廣泛，但在焊接過程中，攪拌針周圍的軟化材料受到指向焊縫根部的力較弱，軟化材料的流動性差，導致焊后接頭性能較差，而且攪拌針容易斷裂。高速旋轉的軸肩和工件表面之間的相互摩擦能夠產生大量熱，當焊接薄板時，這是主要的產熱方式，對于厚板攪拌摩擦焊，軸肩與工件之間的摩擦不能提供足夠的熱量，此時更多的熱量由高速旋轉的攪拌針和工件之間相互摩擦產生。攪拌 頭主要由軸肩和攪拌針兩部分構成，其幾何形貌和尺寸不僅決定著焊接過程的熱輸入，還影響焊接過程中攪拌頭附近塑性軟化材料的流動形式。當焊接速度為定值、旋轉速度較底，焊接熱輸入較底，攪拌頭前方不能形成足夠的軟化材料填充攪拌頭后方的空腔，焊縫內易形成孔洞缺陷，從而弱化接頭的強度，轉速提高，焊接峰值溫度增加，因而在一定范圍內提高旋轉速度，熱輸入增加，有利于提高軟化材料填充空腔的能力，避免接頭內缺陷的形成，接頭內無缺陷。在合適的旋轉速度下焊接接頭才能獲得最佳強度。焊接速度等于 120mm/min 時，焊核區(qū)與熱機械影響區(qū)界面形成較大的空洞缺陷，接頭強度僅為 336MPa. (二 )旋轉頭轉速 200220240260280300320340360380400500 600 700 800 900 1000 1100旋轉速度r/min抗拉強度MPa 圖 111 旋轉速度對攪拌摩擦焊接鎂合金接頭強度的影響 保持焊接速度一定，改變攪拌頭旋轉速度進行試驗，結果表明旋轉速度較底時， 不能形成良好的焊縫，攪拌頭的后邊有一條焊溝槽。從焊接熱輸入可知，當旋轉速度為定值，焊接速度較底時，攪拌頭與焊件界 面的整體摩擦熱輸入較高。 （一） 焊接速度 30031032033034035036037038039040 60 80 120 140 160 170 180焊接速度m m / m i n抗拉強度/MPa 圖 110 焊接速度對攪拌摩擦焊鎂合金接頭強度的影響 由圖 110可見，接頭強度隨著焊接速度的提高并非單調變化，而是存南京工程學院畢業(yè)設計說明書（論文） 11 在峰值。 EWI(美國愛迪生焊接學會 )甚至指出攪拌摩擦焊有希望焊接鎳合金。攪拌摩擦焊工藝是自激光焊接問世以來最引人注目的焊接方法，它的出現將使鋁合金等有色金屬的連接技術發(fā)生重大變革。最近兩年，六二五所也己從工藝及設備方面進行研究。 國內北京航空工藝研究所于 1998年開始進行攪拌摩擦焊的探索性研究。 TWI采用攪拌摩擦焊已經成功地焊接了 25mm厚的碳鋼板以及 lm長、 12mm厚的含鉻12%的低碳鋼的雙邊對接焊縫，獲得了滿意的綜合力學性能。 TWI還于 1998年 11月開始研究攪拌摩擦焊 ,在厚達 lOmm以上的鋼及不銹鋼中的應用。 TWI也對攪拌摩擦焊在鋅材料中的應用進行了研究。英國劍橋焊接研究所，還研究了攪拌摩擦焊在鈦合金中的應用。攪拌摩擦焊已成功焊接 T20xx系列 (AlCu),5000系列 (AIMg), 6000系列(AlMgSi), 7000系列 (AIZn), 8000系列 (AlLi)等鋁合金。 4）、焊縫背面需要有墊板，在封閉結構中墊板的取出比較困難。 2）、如不采用專門的攪拌頭，焊接結束后攪拌頭退出時在焊縫末端會產生凹坑，需要用其他焊接方法補焊。 6）、安全、無污染、無熔化、無飛濺、無煙塵、無輻射、無噪聲、沒有嚴重的電磁干擾及有害物質的 產生，是一種環(huán)保型連接方法。 5）、焊件有剛性固定，且固相焊接時加熱溫度較低，故焊件不易變形。焊接鋁材工件不用去除氧化膜，只需去除油污即可。 4）、焊接成本較低，不用填充材料，也不用保護氣體。 2）、不受軸類零件的限制，可進行平板的對接和搭接，可焊 接直焊縫、角焊縫及環(huán)焊縫，可進行大型框架結構及大型筒體制造、大型平板對接等。攪拌摩擦焊具有以下技術優(yōu)點： 1）、焊接接頭質量高，不易產生缺陷。 一、攪拌摩擦焊的特點 攪拌摩擦焊技術的優(yōu)點 [1617] 攪 拌摩擦焊接時，高速旋轉的摩擦頭（由軸肩和攪拌針組成）在軸向壓力的作用下與工件緊密接觸，通過摩擦產生熱量使焊接區(qū)的金屬發(fā)生軟化，在攪拌針機械攪拌的作用下金屬發(fā)生流動，同時攪拌頭沿著焊接方向移動，從而實 南京工程學院畢業(yè)設計說明書（論文） 9 現工件的連接。隨著世界各國對汽車排放的要求越來越高，實現汽車輕量化以提高燃油效率，降低污染水平是汽車制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢。如圖 19 圖 19 攪拌摩擦焊的技術原理 自 1991 年問世以來，攪拌摩擦焊技術迅速在飛機、船舶、汽車等交通工具制造領域實現了工業(yè)化應用，主要用于變形鋁合金材料的連接。最好采用自動焊的方式 , 降低焊接質量對焊工技能的依賴 [14]。處理好起弧、收弧 , 避免焊接裂紋、氣孔、未焊透等缺陷。因此 ,焊接裂紋傾向較大的鋁鎂合金時 ,不宜采取過大的電流和焊接速度。焊接電流太大 ,不僅會使熔池過熱 ,而且會增加熔合比 ,使母材成分過多的進入焊縫 ,增加裂紋傾向 。同時還可以防止形成粗大的柱狀晶 ,使晶粒細化 ,裂紋傾向隨之減小。MIG焊焊接 AlMg 合金時選用的焊絲含 Mg 量一般要超過 %～ 5 %。當含 Mg 量較多時 ,大量共晶又能起到“愈合”作用 ,裂紋傾向也較小 ,只有在含 Mg含 量在 2 %左右時 ,裂紋傾向最大。 AlMg合金裂紋傾向與含 Mg 量的關系如圖 18所示。在橫焊或仰焊情況下 ,因不利氣體排除 ,產生氣孔的傾向要大于平焊和立向上焊。 AlMg合金 MIG焊焊接時 ,由于焊絲氧化膜的影響更為主要 ,靠減少熔池存在時間來降低氫的溶入 ,難以有效地防止焊絲氧化膜分解出來的氫向溶池侵入 ,因此一般希望增大溶池存在時間以利于氣泡逸出 ,增大電流和降低焊接速度或增加線能量有利于減少氣孔。焊接 鎂 合金時焊縫中的氣孔為氫氣孔。 鎂合金焊接過程中 ， 焊縫區(qū)晶粒明顯細小 ， 由細小的等軸晶組成 ； 熱影響區(qū)的晶粒明顯粗大 , 是典型的過熱組織 ， 是接頭斷裂的危險區(qū) [13]。 焊縫區(qū)的細小晶粒 ， 對接頭質量的改善較為有利 ， 而熱影響區(qū) 的粗大晶粒 ， 必然對接頭的性能產生不利的影響 ， 是接頭斷裂的危險區(qū) 。鎂合金不存在延遲裂紋傾向 [12]。 AZ31鎂合金材料在 TIG焊情況下，具有較大的焊接熱裂紋傾向。 采用交流 TIG 方法焊接 AZ31鎂合金薄板后 , 主要存在波浪變形、焊后錯邊、焊瘤、表面“麻點”現象和弧坑裂紋等缺 陷。所得接頭熱影響區(qū)晶粒粗大，硬度有所下降，而焊縫硬度與母材相當，接頭強度和延伸率都低于母材。但是如果電流過大，接頭的力學性能反而降低。 一般來說，焊接電流對接頭的力學性能有很大影響。脈沖頻率為 20Hz時，焊縫中晶粒較細，顯微硬度與母材相差不大，接頭強度和延伸率較高，但仍低于母材，斷裂位置在 焊縫中心。 鎂合金焊接的現狀 鎢極氬弧焊焊接鎂合金 鎢極氬弧焊 (TIG)是目前廣泛采用的焊接方法 [10]，鎢極氬弧焊在惰性氣體充分保護下施焊，能獲得較高質量的焊接接頭，焊縫表面美觀。因此飛行到 200公里的最大射程也就 100秒 。其最高速度遠低于先進國家的第三代防南京工程學院畢業(yè)設計說明書（論文） 6 空導彈；最大飛行時間超過兩分鐘，綜合性能和系統(tǒng)整合能力與歐美和俄式先進防空導彈系統(tǒng)相比差距明顯。我軍產的ＨＱ－９ A導彈約在 1980年開始研制，到二十世紀末裝備部隊，可謂二十 年磨一劍，是我軍研制的第一款攻擊高空敵機 /彈道導彈雙重用途先進防空導彈系統(tǒng)。正因如此，航空工業(yè)采用各種措施增加鎂合金的用量，而且在相應的零部件開發(fā)上得以應用，如航空發(fā)動機零件、油箱隔板、飛機長析、翼肋、飛機艙體隔框、戰(zhàn)斗機座艙艙架、直升機發(fā)動機后減速機匣、渦輪噴氣發(fā)動機的前支撐殼體等各類承力構件、各種附件。 南京工程學院畢業(yè)設計說明書（論文） 5 圖 16 鎂合金電動車 鎂合金在航天航空上的應用（如圖 17） 航空材料減重帶來的經濟效益和性能改善十分顯著，商用飛機與汽車減重相同質量帶來的燃油費用節(jié)省，前者是后者的近 100倍。使得電動車更輕便、更快速、更舒適，并具有優(yōu)良的避震性能。 圖 15 鎂合金用作汽車零部件 鎂合金在自行車上的應用 利用鎂合金的重量輕、比強度高和耐沖擊的優(yōu)點。 我國汽車廠使用鎂合金件還剛剛開始，目前一汽、東風和上海大眾等廠家已在使用，上海桑塔納轎車的變速箱殼體、殼蓋和離合器外殼等使用鎂合金量比較高。 目前汽車工業(yè)中鎂合金用量較多的地區(qū)和國家主要是北美、歐洲、日本和韓國。 (2)質量減輕可以增加車輛的裝載能力和有效載荷，同時還可改 善剎車和加速性能 。 鎂合金的應用 鎂合金在車輛工業(yè)上的應用 為減輕汽車重量以降低油耗，以及“環(huán)保型汽車”對材料可回收性的要求，鎂合金在汽車工業(yè)中的應用日益廣泛 [9]。 南京工程學院畢業(yè)設計說明書（論文） 3 圖 13 鎂合金擠壓的型材與管材 圖 1 4 鎂合金軋制的 AZ31 薄片 鎂合金的特點及其焊接性 : 由于鎂合金具有密度和熔點低 , 熱導率、電導率及熱膨脹系數大 , 化學活性強 , 易氧化且氧化物的熔點高等特點 , 使鎂合金的焊接具有以下特點 [8]： (1) 鎂合金的沸點低 ( 1100℃ ) , 在熔焊高溫條件下 , 容易產生蒸發(fā) , 產生爆炸形成飛濺 ； (2) 鎂合金熔點低 , 熱導率高 , 焊接時應采用大功率的焊接熱源 , 因而焊縫及近縫區(qū)易產生過熱、晶粒長大、結晶偏析等現象 , 影響接頭性能 ； (3) 鎂的化學性質活潑 , 易與空氣中的氧、氮反應生成 MgO、 Mg3N2 , 易在焊縫中形成細小片狀固態(tài)夾渣 , 不僅嚴重阻礙焊縫成形 , 也使接頭的力學性能顯著下降 , 因此焊接時需用惰性氣體或焊劑保護 ； (4) 鎂合金的線膨脹系數較大 , 在焊接過程中易于變形 , 產生較大的熱應力 , 易于產生熱裂紋 ； (5) 在焊接加熱條件下 , 高溫中能大量地溶解氫 , 隨溫度下降 , 其溶解度急劇減少 , 析出大量氫氣容易形成氣孔 ； (6) 在焊接薄件時 , 由于鎂合金熔點較低 ,而氧化鎂的熔點很高 , 兩者不易熔合 , 焊接操作時難以觀察焊縫的 熔化過程。 圖 11 鎂粒 圖 12 鎂錠 鎂合金 鎂合金比強度、比剛度高，消振性好，具有優(yōu)良的切削加工性能和拋光性能（見圖 1 14），由于鎂合金的特殊性質及其應用優(yōu)勢，越來越多國家的政府、企業(yè)和研究機構對鎂合金及其成形技術高度重視，并且投人了大量人力、財力進行開發(fā)研究，取得了顯著的效果。鎂的化學性能活潑，在空氣中易自燃 。另外，在鹽湖及海水中的含量更是取之不盡。 鎂是常用金屬中最輕的一種，是地殼中最豐富的元素之一。隨著金屬材料消耗量的急劇上升和科學技術的飛速發(fā)展 、大規(guī)模生產工藝的出現和廣泛使用，使地球表殼的資源日趨貧化。采用攪拌摩擦焊接鎂合金，不但能解決鎂合金的焊接性問題，擴充攪拌摩擦焊接工藝對被焊材料的適應性，而且通過鎂合金的攪拌摩擦焊接，加快對過程機理的認識，促進鎂合金和攪拌摩擦焊接的工業(yè)應用，使鎂合金的連接符合綠色制造的概念。波音公司己將 攪拌摩擦焊接 技術應用于 Delta運 載火箭推進劑貯箱的制造 [46]。 攪拌摩擦焊接 過程不需要填充材料和保護氣體，能耗低，無污染，是一種理想的綠色連接技術。抑制鎂合金焊接過程中熱影響區(qū)晶粒長大、降低鎂合金焊接時接頭中的熱應力及熱裂紋 傾向、減少鎂合金焊接時的氧化與蒸發(fā)是當前的重要問題。 然而， 鎂合金的焊接生產還不成熟 , 這是因為鎂合金熔點低 , 熱導率和線膨系數大 ,焊接過程中會出現裂紋、氣孔、塌陷、燒穿以及焊后變形大等缺陷 , 使得采用傳統(tǒng)的熔焊方法難以獲得理想的焊縫 , 這在一定程度上限制了鎂合金的應用。 我國鎂資源約占全球總量的 70%，原鎂產量居世界首位 [2]。 作者簽名： 日期： 年 月 日 導師簽名： 日期： 年 月 日 指導教師評閱書 指導教師評價： 一、撰寫（設計）過程 學生在論文（設計）過程中的治學態(tài)度、工作精神 □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 學生掌握專 業(yè)知識、技能的扎實程度 □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 學生綜合運用所學知識和專業(yè)技能分析和解決問題的能力 □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 研究方法的科學性；技術線路的可行性；設計方案的合理性 □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格 完成畢業(yè)論文（設計）期間的出勤情況 □ 優(yōu) □ 良 □ 中 □