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摩擦焊接技術的發展及應用

發布時間:2013/1/27 17:48:22

摩擦焊接技術的發展及應用

摩擦焊接工藝為固態焊接,焊縫熱影響區相對較、窄,晶粒細小,焊縫質量較易控制,制造成本相對較低。半軸以焊代鍛,以摩擦焊代替CO2氣體保護焊,可降低成本。傳動軸、萬向節叉等零件均為CO2氣體保護焊,生產效率相對較低,若采用摩擦焊工藝,無需填充任何輔助材料,并有利于作業環境的改善,減少污染。

據不完全統計,美國、德國、日本等工業發達國家的一些著名汽車制造公司,已有百余種汽車零部件采用了摩擦焊技術。在國內,中國重汽已實現鑄鋼橋殼和軸頭的摩擦焊接。摩擦焊技術在國內推廣應用,勢在必行。今后510年要加大力度開發一些新的摩擦焊方法(相位摩擦焊、線性摩擦焊、徑向摩擦焊和攪拌摩擦焊),逐步完善并擴大其應用范圍。

近年來,為了適應新材料與新結構的應用,國內外在摩擦焊接及相關技術方面取得了重要進展,其中以線性摩擦焊(Linear Friction Welding)、摩擦堆焊(Consumable Rod Frictionsurfacing)、攪拌摩擦焊(Friction Stir Welding)、摩擦塞焊(Friction Plug Welding)等被稱為是科學摩擦(Science Friction)的先進摩擦焊接技術最具代表性。這些新穎的摩擦焊接技術不僅拓展了摩擦焊的應用范圍,而且提高了焊接部件的整體性能和可靠性,使那些難焊或不能焊的材料也能獲得高質量的焊縫。研究先進摩擦焊接技術具有重大的理論意義和工程應用價值。

攪拌摩擦焊是英國焊接研究所TWIThe WeldingInstitute)于1991年開發的專利焊接技術。與常規摩擦焊一樣,攪拌摩擦焊也是利用摩擦熱作為焊接熱源。不同之處在于,攪拌摩擦焊焊接過程是由一個圓柱體形狀的焊頭伸入工件的接縫處,通過焊頭的高速旋轉,使其與焊接工件材料摩擦,從而使連接部位的材料溫度升高軟化,同時對材料進行攪拌摩擦來完成焊接的。

攪拌摩擦焊是針對焊接性較差的鋁合金開發的一種新型固相焊接工藝,特別適合板材的焊接,近年來引起國內外的重視,該技術的焊接質量好,生產率高,板材不用開坡口,可一次焊成,已成功地應用于鋁、銅等合金板材的焊接。因其具有節能、清潔、質量高、設備簡單等諸多優點,正擴大在汽車上的應用。隨著中國攪拌摩擦焊中心的成立,更多的中國企業將會越來越多地從這一革命性的技術中受益。

 攪拌摩擦焊技術特點

攪拌摩擦焊是一種固相連接工藝,同熔焊相比,攪拌摩擦焊焊接鋁合金有幾個突出的優點:焊接中厚板時,焊前不需要開V形或U形上坡口,也不需進行復雜的焊前準備;焊后試件的變形和內應力特別小;焊接過程中沒有輻射、飛濺及危害氣體產生;焊接接頭性能優良,焊縫中無裂紋、氣孔及收縮等缺陷,可實現全方位焊接。攪拌摩擦焊最大的優點是:可焊接那些不推薦用熔焊焊接的高強鋁合金。

通過人們的不斷努力,攪拌摩擦焊的局限性在不斷減少,但還存在一些不足的地方,如:其焊速比熔焊慢;焊接時焊件必須夾緊,還需要墊板;焊后焊縫上留有鎖眼;攪拌頭磨損很快。目前,由于攪拌頭特形受指棒材料所限,攪拌摩擦焊僅用于鋁合金產品的連接。據報道,英國焊接研究所正在開展鈦合金攪拌摩擦焊的工藝研究。目前,攪拌摩擦焊的研究和應用主要還是鋁合金、鋼材等高熔點材料。美國MEGASTIR公司研制了配備強制冷卻裝置的多晶立方氮化硼PCBN攪拌頭,與美國能源部合作開發鋼管攪拌摩擦焊口,且于2003年將該系統用于野外鋼合金天然氣管道的連接。

國內外摩擦焊接技術研究現狀

1.國外技術研究現狀

雖然攪拌摩擦焊技術是一項很新的技術,距發明才短短的10余年,但是由于其所具有的獨特優勢,已經在汽車、航空航天、船舶、軌道交通、電力電子、建筑等多個領域獲得了突破性的發展和應用,尤其是在鋁合金上已經獲得了大規模的工業應用。典型的實例包括:美國航空航天局的Delta系列火箭、美國Eclipse小型商務機、阿里亞娜火箭發動機、挪威鋁合金快艇、日本新干線等。因此說,攪拌摩擦焊技術已是一項十分成熟的技術。

在挪威,已用該技術焊接快艇長為20m的鋁合金結構件;美國洛克希德-馬丁航空航天公司用該技術焊接了航天飛機外部儲存液態氧的低溫容器,在馬歇爾航天飛行中心,也已用該技術焊接了大型圓筒形容器。但是,FSW技術在船舶制造與海洋工業和宇航工業中有更廣泛的應用前景,在鐵路運輸、公路運輸、建筑工業、電器行業中也有很大的應用潛力。美國幾大汽車制造商已經投資共同研究FSW技術的商業應用,可能的應用領域包括:發動機與底盤的托架,液壓成形管道的配件,空間構件、貨車本體、吊車、燃料箱、大篷車、摩托車與自行車框架、起重箱及鎂、鋁鎂合金接頭等。隨著對FSW技術研究工作的深入,其在工業領域中的應用將不斷擴大。

2.國內技術研究現狀

目前國內的汽車工業生產采用的多是國外已經成熟運用的設計和技術,對于產生剛10多年,工業化應用才剛剛開始的FSW技術的應用尚屬空白。但是無論從汽車性能還是燃油消耗方面考慮,輕量化是汽車工業發展的必然趨勢,而鋁合金、鎂合金是汽車輕量化發展中主要采用的兩種替代性材料,鑒于FSW技術在焊接鋁合金、鎂合金及其他新型材料方面的比較優勢,其必將成為國內汽車工業中最主要的制造手段之一。

經過幾十年的發展,摩擦焊技術在國內目前已經具備了包括工藝、設備、控制、檢驗等整套完備的專業技術規模,并且在基礎理論研究上也形成了一定的獨立體系。

目前我國摩擦焊技術的應用比較廣泛,可焊接直徑φ3.0φ120mm的工件以及8000m的大截面管件,同時還開發了相位和徑向摩擦焊技術以及攪拌摩擦焊技術。不僅可焊接鋼、鋁、銅,而且還成功焊接了高溫、強度級相差很大的異種鋼和異種金屬以及形成低熔點共晶和脆性化合物的異種金屬。

近幾年來,攪拌摩擦焊技術也引起了我國科技工作者的高度重視,先后開展了對鋁合金(如防銹鋁、鍛鋁、硬鋁、超硬鋁等),純銅及PVC塑料等材料的攪拌摩擦焊研究,同時還在積極開展鈦合金、鎂合金和鋼鐵材料的攪拌摩擦焊工藝研究,同時對攪拌摩擦焊的機理、微觀組織、力學性能和攪拌摩擦焊的核心技術攪拌頭等都展開了深入的研究,并取得了一定的工程應用。

技術應用

FSW發明以來,由于其焊縫組織好、接頭力學性能優異,已經在汽車、航空航天、造船及鐵道車輛等制造領域顯示出強勁的創新活力和廣闊的應用前景,并得到廣泛應用。

1.陸路交通

對于陸路交通工業,FSW在列車制造領域的應用主要為:高速列車、軌道列車、地鐵車廂和有軌電車、集裝箱等;在汽車上主要應用于發動機、底盤、車身支架、汽車輪轂、液壓成形管附件、車門預成型件、車體空間框架、貨車車體、載貨車的尾部升降平臺、汽車起重器以及裝甲車的防護甲板等。法國Alstom公司和丹麥DanStir公司目前正在進行車輛部件的FSW工業化研究;日立公司在進行單層和雙層擠壓件連接時都采用了FSW技術,用于市郊特快列車車輛的制造;日本住友輕金屬公司已將F S W工藝用于地鐵車輛,焊接工件長度已超過76m,且接合質量良好;日本住友輕金屬公司生產的FSW焊接板已用于日本新干線車輛的制造,時速達285km/h,質量完全合格。

2.航空航天

在航空領域中,飛機制造零部件的裝配連接使用了大量鉚接和螺栓聯接結構,如在空中客車A340飛機上使用了超過100萬個鉚釘,如果用FSW代替鉚接,一方面FSW具有比鉚接更快的制造速度,另一方面FSW在減少制造過程庫存零部件的同時,還大大減輕了飛機的結構質量。總之,FSW技術的出現為航空航天工業設計和制造提供了一種新的方法和途徑,并逐步投入到實際生產中。

2.造船

船舶制造和海洋工業是FSW首先得到商業應用的兩個工業領域,主要應用在甲板、側板、防水壁板、船體外殼、主體結構件、直升機降落平臺、水上觀測站、海洋運輸結構件、帆船桅桿及結構件等。鋁合金材料傳統連接方法為鉚接和弧焊連接,鉚接增加了制造時間、人力和物料使用量,且鋁合金熔焊時易產生變形、缺陷和煙塵等,也限制了弧焊的使用。所以FSW技術的發展,以高集成度的預成型模塊化制造來代替傳統的船舶加強件結構的制造,是船舶制造技術發展的必然和革命性的進步。

4.工具行業

在生產各種鉆頭、絲錐、鉸刀、刀頭等過程中,全國已有30余家工具廠采用摩擦焊新技術。所用設備為國產C20C25C40等摩擦焊機或專用工具摩擦焊機。

5.其他領域

在其他方面,FSW也有較多的應用,如民用建筑工業中的鋁合金橋梁、裝飾板、門窗框架、管線、鋁合金反應器、熱交換器等;電子工業中的發動機殼體、電器連接件、電器封裝等。此外,FSW還應用在冰箱冷卻板、廚房電器、白色家用物品和工具、天然氣和液化氣儲箱、家用裝飾等。

總之,FSW技術的開發和應用才剛剛開始,今后將會具有巨大的潛在應用前景。

技術發展趨勢

作為革命性的綠色焊接技術,FSW的出現對連接技術的發展產生了巨大的沖擊和推動,其應用速度已遠遠超過了對焊——從金屬發展到復合材料和鋼鐵材料過程,在異種材料焊接中也顯示了良好的開端。隨著焊接設備和攪拌頭的發展,應用FSW的可焊材料會更加廣泛,同時可提高焊接速度、優化接頭性能、降低成本及實現自動化生產。

攪拌摩擦加工在細晶超塑性鋁合金制備和鋁基合金微觀結構改性方面的研究表明,它是一種非常有效的加工技術,最近在復合材料制備、材料合成等方面也顯示出了良好的應用前景。相信隨著研究的深入,攪拌摩擦加工將發展成為一種成熟的、多用途的材料加工技術,并在工業領域得到實際應用。

我國摩擦焊技術的發展現狀還很不適應國民經濟高速發展的需要。今后510年內我國的摩擦焊工作者還要在材料的焊接性、摩擦焊的焊接方法、摩擦焊設備和摩擦焊的應用領域展開更加深入的研究。摩擦焊接工藝的新發展,即第三體摩擦焊、線形摩擦焊、攪拌摩擦焊和嵌入摩擦焊。

結語

隨著人們對攪拌摩擦焊技術認識的提高,預計在不遠的將來,鋁合金、鎂合金、鋅合金、鈦合金等輕金屬材料的連接將主要由攪拌摩擦焊來完成,尤其在全鋁合金汽車、運載火箭、高速鋁合金列車、鋁合金高速快艇等項目中攪拌。

 

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