不锈钢搅拌摩擦焊工艺与搅拌头研究

不锈钢搅拌摩擦焊工艺与搅拌头研究内容摘要：

能、完全无气孔、 光滑表面的焊缝，对各种各样的搅拌焊针的形状分别作了研究 f15l。 (3)搅拌摩擦焊工艺参数对搅拌头的影响。 不锈钢搅拌摩擦焊工艺与搅拌头研究 1IIII II 搅拌摩擦焊工艺参数 (焊接速度，旋转速度 )对搅拌头磨损情况和磨损机理 有很大影响。 焊接速度对搅拌头针部的径向磨损有决定性的影响．焊接速度越低， 磨损率越高，最大磨损率出现在焊接开始时。 搅拌头的旋转速度同时影响搅拌头 的针部和肩部。 对肩部影响较明显。 1． 4． 3． 2搅拌头的研究状况 搅拌头是搅拌摩擦焊工艺的核心技术之一。 其形状和材料是获得高质量焊缝 和优良焊缝力学性能的关键因素。 国内外对搅拌头从各个方面做了研究 fJ 蝴． 文献 I 蝤 ’ 峒对搅拌头的研究现状做了总结，文献【坫 1 认为搅拌焊工具是搅拌摩擦 焊技术的核心，搅拌焊工具研制的进展情况决定了搅拌摩擦焊的应用范围．搅拌 焊针的材料决定了搅拌焊工具的强度和使用寿命。 搅拌焊针的形状决定了塑化金 属受热、塑性流动和被顶锻的方式；搅拌焊针的尺寸决定了焊缝尺寸．被焊材料 及厚度不同时，应选用不同材料及结构的焊接工具，为了进一步扩大搅拌摩擦焊 技术的应用范围，针对不同被焊材料研制具有足够热强度和耐磨性的搅拌焊焊针 至关重要。 文献 168。 6 】强调新型搅拌头的研制成功有力地促进了搅拌摩擦焊的发展． 应根据相应的基本理论，在实际生产应焉中不断改进搅拌头的设计，使之设计更 加合理；同时借助计算机对具有复杂几何外形的搅拌头进行应力分析和外观设计。 文 献 117． 1s】分别对柱状和锥状光头搅拌头对搅拌摩擦焊接铝锂合金接头组织及 力学性能的影响做了研究． 露 1． 3 抽钾 Illl．形式的搅拌头 番 1． ●llX TrifluteTlil形式的搅拌头 近来， T 帆研制了 2 种新型的搅拌头 —— WbodlM 和 MX Trlflw,cTM 雠 71，如图 1． 图 1． 4所示。 这 2 种搅拌头较 565l 系列有了很大的提高，其中 whonlM系列主 硕士学位论文 要是为焊接板厚更厚的 6082． T6铝合金所研制的。 当进行单面焊时，它可以焊接板 厚为 25～ 40mm 的铝合金。 双面焊时，最高可以焊接板厚为 75mm 的铝合金。 MX TrifluteTM 系列搅拌头可以取得更好的效果，当进行单面焊时，它可以焊接板厚为 6～ 50mm 的铝合金 f阍。 搅捧撩针 辆弱 ◎◎ 蛮 ◎◎ 图 1． 5 各种不同形式的轴肩 国外主要对搅拌头的材料、几何形状和磨损情况做了大量研究。 对于不锈钢搅拌摩擦焊一个本质的需求是在搅拌头和工件材料的硬度和温度 特性之间保持一个适当的匹配。 重要的是选择在 10000C 或更高温度下具有好的耐 磨性和韧性的搅拌头材料。 Thomas 等人、 Lienert 和 Gould、 Johnson 和Threadgill 在他们的研究中没有鉴别搅拌头材料，钨合金、钼合金和多晶立方氮化硼其他研 究者用来做搅拌头材料。 Lienert 和 Gould、 Lienert 等人认为大部分搅拌头磨损出 现在焊接初始开始进入阶段，搅拌头的摩擦磨损和变形被认为是工具尺寸改变的 起因。 此外， Lienert 和 Gould 认为 PSBN FSW 搅拌头显示在焊接 6m 淬火和调质 CMn 钢后有很小的磨损。 显然，大部分研究应该直接对于搅拌头磨损和适当的摩 擦头材料／几何形状的鉴定和发展。 此外，如 Thomas 等人前面指出的，焊接前对 工件预热有利于提高焊接速度和减小工件磨损。 在针部进入工件之前加热最初进 入工件区域是简单有效的，因为工具磨损主要出现在焊接开始进入阶段。 文献【删研究了铸造铝 359 和含 20％ SIC 的金属聚合物搅拌摩擦焊搅拌头磨损 情况，结果表明在高的旋转速度和低的焊接速度下，铸造铝 359 和含 20％SiC 的 金属聚合物搅拌摩擦焊搅拌头磨损非常明显。 在搅拌头旋转速度减小和焊接 速度 提高的情况下，搅拌头的磨损开始下降。 文献 [20231 研究了搅拌摩擦焊搅拌头几何形状对搅拌摩擦焊的影响。 文献 [20l使 用基于 FEM 模型连续体对搅拌头进行设计，并指出搅拌头几何形状对于得到令人 满意的焊缝和热影响区微观组织，从而改善接头的强度和抗疲劳性能起到至关重 要的作用。 文献田】研究了不同几何形状的搅拌摩擦焊搅拌头对 2020 和 1018 铝合 金搅拌摩擦焊力学性能的影响。 文献 [24,251 探讨了搅拌摩擦焊搅拌头的磨损状况和磨损机理。 文献 1241认为： 6016T6 铝合金板和 MMC6016． T6 铝加 20vol％ AL203 颗粒旋转速度达到1000rpm 使用碳钢搅拌针进行搅拌摩擦焊，搅拌针的磨损率大约为 0． 64％／ cm。 1000rpm以 不锈钢搅拌摩擦焊 T 艺与搅拌头研究 上时磨损率下降。 在 ]S00rpm 和 2020rpm 耐磨损率分别为 O． 42％／ an 和 O．铂％／an。 文献磷 J 研究了 AC4AC30 v01％ SiCp 化合物搅拌摩擦焊 WCCo 搅拌头的磨损特性， 实验结果表明 虽然肩部尺寸和针部长度的改变很小，但是搅拌头的磨损是可评 估的。 在针部不同的位置针部径向磨损是不同的，最大磨损出现在从根部三分之 一的位置。 焊接速度对针部径向磨损具有决定性的影响，最大磨损率出现在开始 焊接时。 对于铝合金搅拌摩擦焊来说，通常搅拌头豹磨损不是需要严格考虑韵问题． 对于高熔点材料 (钢和铁 )和耐磨材料 (金属聚合物 )．搅拌头的磨损应作为一个 严格的问题来考虑。 然而，对于 FSW 搅拌头磨损的研究非常有限．大部分搅拌头 的设计是基于直观的概念．此外，对于搅拌头材料的选择，虽然着重考虑钢、铁 和聚合物的搅拌摩擦焊，但是至今仍没有系统的研究。 很可能搅拌头的磨损和形 状最优化和搅拌头的材料联系起来 [26271。 显然，理解搅拌头的磨损，搅拌头几何 形状的最优化和搅拌头材料的选择需要做进一步的研究． 1． 5 钨合金材料 钨基高密度合金是一类以钨为基 (含钨量为 $5％ 99％ )。 并添加有少量 M、 CM、 Fe、 Co、 Mo、 Cr 等元素组成的合金，其密度高达 16． 5~lg． og／ c=3，被世人通 称为高比重合金、重合金活高密度钨合金瞄习．合金元素的多元化和应用领域的扩 展导致钨基高密度合佥涵盖的合金种类越来越多．现在被越来越多地简称为。 钨 台金 ” ． 钨合金具有一系列优异的物理力学性能，主要体现在以下几个方面． (1)密度高一高密度钨合金的密度一般为 16．如 19炳灿 3，即相当于钢密 度地两倍以上。 (2)抗拉强度高 —— 烧结态 W=NiFe高密度合金地抗拉强度为 9001伽日 MP曩， 热处理和变形加工处理后其强度可提高到 13001500MPa． (3)延性好 —— W 斟 iFe 高密度合金具有很好地延性，其烧结态地伸长率可 {： l 达到 10％～ 15％，经真空或气氛脱氢处理后，伸长率可提高到 20 ／p30％． 《 4)良好地吸收射线地能力一一高密度合金地吸收射线地能力比镪高 鱼 0。 ／ r． 40％，其稳定性也比铅好。 (S)良好地电性能 —— w_Ni— CH、 WNi． Fv高密度合金具有较好的导电性、 耐电蚀性、耐高压等电性能。 (6)良好的导热性及较低韵线胀系数 —— 其导热系数为模具钢的 5 倍，而线 胀系数只有铁或钢的 l 伽 l／ 3． (7)良好的耐腐蚀性与抗氧化性。 (8)良好的可焊接性 —— 高密度合金可以永铜、银焊接料进行钎焊．可进行 硕士学位论文 电镀。 (9)良好的机加工特性 —— 由于 WNiFe 高密度合金具有很好的延性，可以 进行车、铣、刨、车螺纹和攻丝等机加工，还可以进行轧制、旋锻和锻造加工等 大变形变强化处理。 鉴于高密度合金具有如上所述的一系列优异的物理力学性能，因而广泛地被 应用于航空航天、军事工业、电器仪表工业、压力铸造工业等行业。 表 1． 1 为钨的高温力学性能数据。 表 1． 1 钨的高温力学性能 1． 6不锈钢搅拌摩擦焊的发展趋势 迄今，搅拌摩擦焊的大部分研究开发和应用都集中在铝合金材料；对于钢和 不锈钢材料，也已开展了搅拌摩擦焊研究与开发，开始在某些场合应用。 美国 MEGASTIR公司【 29】一直致力于高熔点材料的搅拌摩擦焊应用开发，从 304不锈钢到普通中碳钢和高温合金材料，甚至钛合金材料等都可以实现搅拌摩擦 焊连接； 2020 年已经把搅拌摩擦焊应用于野外钢合金天然气管道的煎熬半摩擦焊。 目前，不锈钢搅拌摩擦焊还处于初步研究阶段，探索不同种类不锈钢的搅拌 摩擦焊工艺为我国从事搅拌摩擦焊技术的科研人员提供了～种新的机遇。 同时， 高熔点 材料不锈钢搅拌摩擦焊重要是搅拌头材料的优选 (如采用多晶立方氮化硼 PCBN)与其搅拌针型体设计、加工以及在工程应用中寿命的提高。 1． 7本课题的研究内容 不锈钢搅拌摩擦焊 仁艺与搅拌头研究 ●Ill II II Ill I Illl 搅拌头作为搅拌摩擦焊生产中的易耗品，不仅消耗量大．而且焊接过程中搅 拌头的好坏直接影响焊接质量、生产率和成本。 本课题研究内容包括以下几个方面， (1)初步选择试验用不锈钢搅拌头材料及凡何形状 } (2)初步探讨不锈钢搅拌摩擦焊工艺以及接头的微观组织和性能 l (3)对不锈钢搅拌摩擦焊搅拌头进行合理设计，对不锈钢搅拌摩擦焊搅拌头 豹载荷进行分析，建立不锈钢搅拌摩擦焊搅掉头的温度场并进行数值模拟， (4)不锈钢搅拌摩擦焊搅拌搅拌头针部的失效形式及其磨损机理的探讨． (5)对后续工作的展望。 1． B 本课题研究的意义 从国内外搅拌摩擦焊发展的现状看，对铝舍金搅拌摩擦焊韵工艺及温度场、 流场、应力场和耦合场的研究已取得很大成就，但对于不锈钢搅拌摩擦焊的研究 还处于初步阶段，搅拌头是搅拌摩擦焊的关键技术，它的好坏决定了搅拌摩擦焊 能否扩大待焊材料的种类，能否提高待焊材料的板厚范围。 搅拌焊针的材料决定 了搅拌焊工具韵强度和使用寿命．搅拌焊针的形状决定了塑化金属受热、塑性流 动和被顶锻的方式 l搅拌焊针的尺寸决定了焊缝尺寸。 被焊材料及厚度不同时， 应选用不同材料及结构的焊接工具，为了进一步扩大搅拌摩擦焊技术的应用范围， 针对不同被焊材料研制具有足够热强度和耐磨性的搅拌焊焊针至关重要。 研制不 锈钢搅拌摩擦焊搅拌头有剩于改善和提高不锈钢的搅拌摩擦焊接接头的质量，提 高生产 率。 为后续的搅拌摩擦焊工艺提供了参考，具有重要的实用价值。 硕士学位论文 第 2 章实验设备、材料及实验方法 2． 1试验设备及材料 2． 1． 1 搅拌摩擦焊机 本实验所用的设备是从搅拌摩擦焊中心引进的 FSW4LM． 015型搅拌摩擦焊设 备，其外观如图 2． 1 所示。 它是一台专用搅拌摩擦焊机，该设备操作简单，反应迅 速，满足搅拌摩擦焊接试验研究的要求，具有以下性能： (1)主要用于铝、镁、铜、锌及其合金材料的焊接； (2)焊接铝及铝合金材料是最大厚度可达到 14ram，零件的焊缝长度最大为 1500X 800mm。 (3)X 向可移动范围在 O1500mm， Y 向可移动范围在 O200mm， Z向可移 动范围在 OlOOmm。 (4)摩擦头的旋转速度范围在5002500rpm。 (5)焊接速度范围在 O1200mm／ m。 图 2． 1 试验用焊机外观图 不锈钢搅拌摩擦焊 r 艺与搅拌头研究 (6)搅拌头主轴的轴向力 ≥75kN。 (7)工作台 X 向的推力 ≥25kN。 搅拌摩擦焊机的主体结构主要包括 t 床身．立柱、横梁，工作台、横滑板、 垂滑扳、主轴头、环缝转台、环缝夹具、传动系统，气动系统、电控系统、屯柜 等。 2． 1． 2 试验材料 试验选用的材料为 3 帅厚 OCrISNi9 不锈钢扳，具体尺寸参数为 150minx 120Ⅱ 蛾 3n 蕊。 试验用材料为 3 娜 n 厚 OCrtgNi9 不锈钢板，其化学成分见表 23， 性能见表 2． 4：腐蚀液采用盐酸、硝酸和水的混合溶液 其体积比为 I s lI l 囊 2． 4 OOrlmCi9 不蟒钢的性能。