搅拌摩擦焊的现状与发展
2017-8-1

摘要搅拌摩擦焊技术发明至今14年以来,无论在国外还是在国内,已经成功跨出试验研究阶段,发展成为在铝合金结构制造中可以替代熔焊技术的工业化实用的固相连接技术;这项新型的焊接技术在航空航天飞行器、高速舰船快艇、高速轨道列车、汽车等轻型化结构以及各种铝合金型材拼焊结构制造中,已经展示出显著的技术和经济效益,诸如:根除了熔焊所固有的焊接缺陷(气孔、凝固裂纹等)、提高了接头和结构的连接质量、降低了焊接变形等;并且在其他轻金属如镁、铜、锌等材料结构的制造中也正在实施工程化应用。

与搅拌摩擦焊相适应的焊接新装备和搅拌工具的发展也非常快,为实施搅拌摩擦焊工艺方案(如消除搅拌匙孔)及提高各类材料接头的质量,各种类别的新型搅拌摩擦焊接设备、自动化装置及机器人搅拌摩擦焊机等相继问世。

搅拌摩擦焊目前的发展目标之一是攻克在高熔点金属材料连接中的难题,诸如:普通碳钢、不锈钢、钛合金、甚至高温合金等结构材料的固相连接,进一步优化搅拌工具的型体设计与材料选取,以及焊接过程参数的监控及焊接质量实时检测和控制,制订标准。

 

关键词:搅拌摩擦焊 铝合金焊接 轻金属焊接

0 前言

1991年,英国焊接研究所(The Welding Institute-TWI)发明了搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding-FSW),这项杰出的焊接技术发明正在为世界制造技术的进步做出贡献。

在国外,搅拌摩擦焊已经在诸多制造领域达到规模化、工业化的应用水平。如在船舶制造领域,在1996年搅拌摩擦焊就在挪威MARINE公司成功地应用在铝合金快速舰船的甲板、侧板等结构件的流水线制造。在轨道车辆制造领域,日本HITACHI公司首先于1997年将搅拌摩擦焊技术应用于列车车体的快速低成本制造,成功实现了大壁板铝合金型材的工业化制造。在世界宇航制造领域,搅拌摩擦焊已经成功代替熔焊实现了大型空间运载工具如运载火箭和航天飞机等的大型高强铝合金燃料贮箱的制造,波音公司的DELTA II型和IV型火箭已经全部实现了搅拌摩擦焊制造,并于1999年首次成功发射升空。2000年世界汽车工业,如美国TOWER汽车公司等就利用搅拌摩擦焊实现了汽车悬挂支架、轻合金车轮、防撞缓冲器、发动机安装支架以及铝合金车身的焊接。2002年8月,美国月蚀航空公司利用FSW技术研制出了全搅拌摩擦焊轻型商用飞机,并且首次试飞成功。

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1 中国工程院院士,研究员

2 中国搅拌摩擦焊中心(北京赛福斯特技术有限公司)高级工程师

 

截至2004年9月,全世界约有130家各个行业的公司和大学、研究机构获得了英国焊接研究所授权的搅拌摩擦焊非独占性专利许可。已经有多个国家如:英国、美国、法国、德国、瑞典、日本和中国等, 把搅拌摩擦焊技术扩大应用的同时,在世界范围内申请了与搅拌摩擦焊相关技术的专利.自1997年起平均每年有100~120项搅拌摩擦焊技术专利申请;到2004年底,全世界已经公开的搅拌摩擦焊专利申请达到了1218项。

作为一种新型制造产业,搅拌摩擦焊技术正在世界范围内兴起!

1 搅拌摩擦焊的技术特点

搅拌摩擦焊作为一项新型焊接方法,用很短的时间就完成了从发明到工业化应用的历程。目前,在国际上还没有针对搅拌摩擦焊公布的统一技术术语标准,在搅拌摩擦焊专利许可协会的影响下,业界已经对搅拌摩擦焊方法中所涉及到的通用技术术语进行了定义和认可。图1示出了搅拌摩擦焊所用到的主要描述性术语。

 

 

 

 

 

 

 

 

 


1搅拌摩擦焊原理示意与名词术语

搅拌摩擦焊技术所涉及到的主要技术术语定义如下:

搅拌头(Pin tool-搅拌摩擦焊的施焊工具;

搅拌头轴肩(Tool Shoulder-搅拌头与工件表面接触的肩台部分;

搅拌针(Tool Pin-搅拌头插入工件的部分;

前进侧(Advanced Side-焊接方向与搅拌头轴肩旋转方向一致的焊缝侧面;

回转侧(Retreating Side-焊接方向与搅拌头轴肩旋转方向相反的焊缝侧面;

轴向压力(Down or Axial Force-向搅拌头施加的使搅拌针插入工件和保持搅拌头轴肩与工件表面接触的压力;

搅拌摩擦焊是一种在机械力和摩擦热作用下的固相连接方法。如图1所示,搅拌摩擦焊过程中,一个柱形带特殊轴肩和针凸的搅拌头旋转着缓慢插入被焊接工件,搅拌头和被焊接材料之间的摩擦剪切阻力产生了摩擦热,使搅拌头邻近区域的材料热塑化(焊接温度一般不会达到和超过被焊接材料的熔点),当搅拌头旋转着向前移动时,热塑化的金属材料从搅拌头的前沿向后沿转移,并且在搅拌头轴肩与工件表层摩擦产热和锻压共同作用下,形成致密固相连接接头。

搅拌摩擦焊具有适合于自动化和机器人操作的诸多优点,对于有色金属材料(如铝、铜、镁、锌等)的连接,在焊接方法、接头力学性能和生产效率上具有其他焊接方法无可比拟的优越性,它是一种高效、节能、环保型的新型连接技术。

但是搅拌摩擦焊也有其局限性,例如:焊缝末尾通常有匙孔存在(目前已可以实现无孔焊接); 焊接时的机械力较大,需要焊接设备具有很好的刚性;与弧焊相比,缺少焊接操作的柔性;不能实现添丝焊接。

搅拌摩擦焊对材料的适应性很强,几乎可以焊接所有类型的铝合金材料,由于搅拌摩擦焊接过程较低的焊接温度和较小的热输入,一般搅拌摩擦焊接头具有变形小、接头性能优异等特点;可以焊接目前熔焊“不能焊接”和所谓“难焊”的金属材料如:Al-Cu(2xxx系列) 、Al-Zn(7xxx系列)和Al-Li(如8090、2090 和2195铝合金)等铝合金。

另外,搅拌摩擦焊对于镁合金、锌合金、铜合金、铅合金以及铝基复合材料等材料的板状对接或搭接的连接也是优先选择的焊接方法;目前,搅拌摩擦焊还成功地实现了不锈钢、钛合金甚至高温合金的优质连接。

搅拌摩擦焊可以较容易实现异种材料的连接,例如铝合金和不锈钢的搅拌摩擦焊接,利用搅拌摩擦焊可以较方便的实现铝-钢板材之间的连接和铜铝复合焊接接头。

搅拌摩擦焊发明初期主要解决厚度1.2~6毫米的铝合金板材焊接问题;1996年,用FSW技术解决了6~12毫米的铝、镁、铜合金的连接.1997年实现了12~25毫米厚铝合金板的搅拌摩擦焊,并且在宇航结构件上得到应用.1999年搅拌摩擦焊可以焊接50毫米厚的铜合金及75毫米厚度的铝合金零件和产品.2004年,英国焊接研究所已经能够单道单面实现100毫米厚铝合金板材的搅拌摩擦焊。迄今,在材料的厚度上,单道焊可以实现厚度为0.8~100mm铝合金材料的焊接;双道焊可以焊接180mm厚的对接板材。最近,又开发了可以连接0.4mm铝板的微型搅拌摩擦焊技术.

搅拌摩擦焊是长、直规则焊缝(平板对接和搭接)的理想焊接方法.搅拌摩擦焊也已可以实现2-D、3-D结构的焊接,如筒形零件的环缝和纵缝;可以实现全位置空间焊接,如水平焊、垂直焊、仰焊以及任意位置和角度的轨道焊。图2示出了多种典型的搅拌摩擦焊接头形式,如多层对接、多层搭接、T形接头、V形接头、角接等。

与传统钨极氩弧焊(TIG)和熔化极氩弧焊(MIG)焊接相比较,搅拌摩擦焊在接头力学性能上据有明显的优越性。例如,对于6.4mm厚的2014-T6铝合金,FSW焊接头性能比TIG焊高16%;对于12.7毫米厚的2014-T6铝合金,FSW焊接头性能比TIG焊高22%.搅拌摩擦焊接头性能数据一致性较好,工艺稳定,焊接接头质量容易保证。

图 2 搅拌摩擦焊的接头形式

搅拌摩擦焊接头的疲劳性能一般都优于熔焊接头。1996年英国焊接研究所对6mm厚度的2014-T6 2219-T65083-0 7075-T7351等铝合金进行了搅拌摩擦焊接头的疲劳性能研究,结果表明搅拌摩擦焊接头的疲劳性能优于欧洲弧焊标准(ECCS class B3)。

2 搅拌摩擦焊在国外的发展

搅拌摩擦焊作为一种轻合金材料连接的优选焊接技术,已经从技术研究,迈向高层次的工程化和工业化应用阶段,形成了一个新的产业: 搅拌摩擦焊设备的制造、搅拌摩擦焊产品的加工.如在美国的宇航制造工业、北欧的船舶制造工业、日本的高速列车制造等制造领域,搅拌摩擦焊得到了广泛的应用,均已形成新兴产业。

2.1搅拌摩擦焊在铝合金结构制造中取代传统熔焊

搅拌摩擦焊已成功地实现了鋁合金、镁合金构件制造大规模的工业化应用。下面列举一些典型的应用实例。

2.1.1 搅拌摩擦焊在船舶制造工业中的应用

早在1995年,挪威Hydro Marine Aluminium公司就将FSW技术应用于船舶结构件的制造(见图3),采用搅拌摩擦焊技术将普通型材拼接,制造用于造船业的宽幅型材。该焊接设备以及工艺已经获得Det Norske VeritasGermanischer Lloyd的认可。从19961999,已经成功焊接了1700块船舶面板,焊缝总长度超过110km

在造船领域,搅拌摩擦焊适用面很宽:船甲板、侧板、船头、壳体、船舱防水壁板和地板,船舶的上层铝合金建筑结构,直升飞机起降平台,离岸水上观测站,船舶码头,水下工具和海洋运输工具,帆船的桅杆及结构件,船上制冷设备用的中空挤压铝板等。

图3 挪威Hydro Marine Aluminium采用搅拌摩擦焊技术制造船用宽幅铝合金型材

2.1.2 搅拌摩擦焊在航空航天工业中的应用

航空航天飞行器铝合金结构件,如飞机机翼壁板、运载火箭燃料储箱等,选材多为熔焊焊接性较差的20007000系列鋁合金材料,而搅拌摩擦焊可以实现这些系列铝合金的优质连接,国外已经在飞机、火箭等宇航飞行器上得到应用。

采用搅拌摩擦焊提高了生产效率,降低了生产成本,对航空航天工业来说有着明显的经济效益。波音公司首先在加州的HuntingtonBeach工厂将搅拌摩擦焊应用于Delta II运载火箭4.8米高的中间舱段的制造(纵缝,厚度22.22毫米 ,2014铝合金),该运载火箭于1999817日成功发射升空。200147日,“火星探索号”发射升空,采用搅拌摩擦焊技术,压力贮箱焊缝接头强度提高了30, 搅拌摩擦焊制造技术首次在压力结构件上得到可靠地应用。

波音公司在阿拉巴马州的Decatur工厂将搅拌摩擦焊技术用于制造DeltaⅣ运载火箭中心助推器。DeltaⅣ运载火箭贮箱直径为5m,材料改为2219-T87铝合金。到20024月为止,搅拌摩擦焊已成功焊接了2100m无缺陷焊缝应用于Delta II火箭,1200m无缺陷焊缝应用于Delta IV火箭。采用搅拌摩擦焊节约了60%的成本,制造周期由23天降低为6天。

欧洲Fokker宇航公司将搅拌摩擦焊技术用于Ariane 5发动机主承力框的制造(图4),承力框的材料为7075-T7351,主体结构由12块整体加工的带翼状加强的平板连接而成,结构制造中用搅拌摩擦焊代替了螺栓连接,为零件之间的连接和装配提供了较大的裕度,并可减轻结构重量,提高生产效率。

 

图4 欧洲Fokker Space公司采用FSW制造Ariane 5发动机主承力框

目前,搅拌摩擦焊在飞机制造领域的开发和应用还处于验证阶段,主要利用FSW实现飞机蒙皮和衍樑、筋条、加强件之间的连接,框架之间的连接、飞机预成型件的安装、飞机壁板和地板的焊接、飞机结构件和蒙皮的在役修理等,这些方面的搅拌摩擦焊制造已经在军用和民用飞机上得到验证飞行和部分应用。另外波音公司还成功地实现了飞机起落架舱门复杂曲线的搅拌摩擦焊焊接。

美国Eclipse飞机制造公司斥资3亿美元用于搅拌摩擦焊的飞机制造计划,其制造的第一架搅拌摩擦焊商用喷气客机(Eclipse500)(图5)于20028月在美国进行了首飞测试。其机身蒙皮、翼肋、弦状支撑、飞机地板以及结构件的装配等铆接工序均由搅拌摩擦焊替代,提高了生产效率、节约了制造成本并且减轻了机身重量。

图5  Eclipse 500型商用喷气客机的搅拌摩擦焊焊接构件之一

搅拌摩擦焊在航空航天业的应用主要在以下几个方面:机翼、机身、尾翼;飞机油箱;飞机外挂燃料箱;运载火箭、航天飞机的低温燃料筒;军用和科学研究火箭和导弹;熔焊结构件的修理等。

2.1.3 搅拌摩擦焊在轨道交通及陆路交通工业中应用

在轨道交通行业,随着列车速度的不断提高,对列车减轻自重,提高接头强度及结构安全性要求越来越高。高速列车用铝合金挤压型材的连接方式,成为了制约发展的主导因素。由于搅拌摩擦焊焊接接头强度优于MIG焊焊接接头,并且缺陷率低,节约成本,所以目前高速列车的制造,采用搅拌摩擦焊技术,已成为主流趋势。在该领域,比较典型的为日本日立公司,在做单层和双层挤压型材件连接时都采用了搅拌摩擦焊技术,用于市郊列车和快速列车车辆的制造。

日本轻金属公司已将FSW工艺用于地铁车辆,采用这种工艺制造的工件长度已经超过了3km,接头质量良好。由住友轻金属公司生产的挤压型材FSW焊接拼板,用于日本新干线车辆的制造(图6左),车辆时速可达285 km/h

法国的Alstom公司将搅拌摩擦焊应用于列车顶板的连接(图6右)。

 

图6  左:日本住友轻金属公司FSW生产的新干线列车壁板;右:法国阿尔斯通FSW制造的列车车顶

目前,与轨道车辆相关方面的搅拌摩擦焊应用包括:高速列车箱体型材连接;油罐车及货物列车箱体连接;集装箱箱体;铁轨以及地下滚动托盘。

2.1.4 搅拌摩擦焊在汽车工业中应用

为了提高运载能力和速度,汽车制造呈现出材料多样化、轻量化、高强度化的发展趋势,铝合金、镁合金等轻质合金材料所占的比重越来越大,相应的结构以及接头形式都在设法改进。搅拌摩擦焊技术的发明恰好满足了这种新材料、新结构对新型连接技术的需求。挪威Hydro公司采用搅拌摩擦焊技术制造汽车轮毂,将铸造或锻造的中心零件与锻铝制造的辐条连接起来,以获得良好的载荷传递性能并减轻重量。

美国Tower汽车公司采用搅拌摩擦焊制造汽车用悬挂连接臂,取得了很大经济效益。搅拌摩擦焊。另外,该公司还将搅拌摩擦焊技术用于缝合不等厚板坯料(Tailored welded blanks)的制;采用缝合坯料,在优化结构强度和刚度设计的同时,既大大减少了汽车制造中模具的数量,又缩短了工艺流程。

目前搅拌摩擦焊在汽车制造工业中的应用主要为:发动机引擎和汽车底盘车身支架;汽车轮毂;液压成型管附件;汽车车门预成型件;轿车车体空间框架;卡车车体;载货车的尾部升降平台汽车起重器;汽车燃料箱;旅行车车体;公共汽车和机场运输车;摩托车和自行车框架;铝合金电梯;逃生交通工具;铝合金汽车修理;镁合金和铝合金的连接。

搅拌摩擦点焊(FSSW)的研究与技术开发,是汽车制造工业中的一个新热点.

 

2.1.5搅拌摩擦焊在其他工业中的应用

搅拌摩擦焊成功地解决了轻合金金属的连接难题,在兵器、建筑、电力、能源、家电等工业中的应用也越来越广泛。

如在兵器工业,搅拌摩擦焊成功实现了坦克、装甲车的主体结构和防护装甲板的制造;在建筑行业,搅拌摩擦焊在民用建筑工业的应用主要为:铝合金桥梁,铝合金、铜合金、镁合金装饰板,门窗框架,铝合金管线,电厂和化学工厂的铝合金反应器,热交换器,中央空调,管状结构件制造等。在电力行业,搅拌摩擦焊的应用主要为:发动机壳体,电器连接件,电器封装等。在家电行业,,主要应用为:冰箱散热板,厨房电器和设备,“白色”家用物品和工具,天然气、液化气储箱和容器,金属家具等。

2.2 在非铝合金金属结构上的应用

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;对于非铝合金材料如铜合金、钛合金、钢材、热塑材料等,也已开展了搅拌摩擦焊研究和开发,开始在某些场合应用。

1997年瑞典SKB公司和英国焊接研究所一起对50毫米厚铜合金核燃料贮箱的搅拌摩擦焊制造进行了开发,2001年开发铜合金搅拌摩擦焊专用设备,并且对电子束和搅拌摩擦焊工艺进行了比较和完善,2004年已经小批量生产。

美国MEGASTIR公司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;2003年已经把搅拌摩擦焊应用于野外钢合金天然气管道的搅拌摩擦焊。高熔点材料: ,FSW的难点主要是搅拌头材料的优选(如选用多晶立方氮化硼PCBN)与其搅拌针型体设计、加工以及在工程应用中的寿命.

日本日立公司利用搅拌摩擦焊实现强度大于800Mpa的超精细高强钢(UFG)的连接,这种材料在未来有可能用于飞机起落架的制造等。

2.3搅拌头的发展带来新型搅拌摩擦焊工艺

搅拌头材料、搅拌头轴肩和搅拌针的型体是搅拌头优劣的3个主要决定性因素,关系到连接接头的性能与生产成本和效率。搅拌头的主要功能如下:

l         加热和软化被焊接材料(工件材料);

l         破碎和弥散接头表面的氧化层;

l         驱使搅拌针前部的材料向后部转移;

l         驱使接头上部的材料向下部转移;

l      使转移后的热塑化的材料形成固相接头。

搅拌头的形状与热塑化材料的流变密切相关,并且直接影响到接头的质量,在搅拌摩擦焊发展初期,TWI开发成功了柱形搅拌头,这种搅拌头在搅拌摩擦焊初期开发研究中得到了广泛应用。随着搅拌摩擦焊技术的发展,针对不同的焊接材料和结构,目前已有系列化的搅拌头。英国焊接研究所研制的 WhorlTM MX TrifluteTM(图7左)搅拌头,可以在提高焊接速度的条件下,得到焊缝成形良好、性能更加优良的焊缝。

 

图7  TWI开发的MX TrifluteTM(左)和Skem-StirTM(右)搅拌头

英国焊接研究所在2002年成功开发了如图7右所示的“Skem-StirTM”型搅拌头,它的主要功能为,主轴和搅拌头的旋转中心线不同轴;当主轴选转时,搅拌针的旋转空间远大于搅拌针自身的体积.这样的设计有助于热塑化金属材料的迁移,可得到焊缝宽、深比大的接头,尤其适用于搭接搅拌摩擦焊。

对于薄壁筒形结构件,由于零件的刚性差,筒形件的搅拌摩擦焊需要有刚性好的工艺装备支撑,承受较大的焊接压力和摩擦驱动力,以保持被焊接零件的尺寸完整性。TWIBOEINGMTS等公司开发出了如图8所示的“Bobbin” 双轴肩搅拌头,它的主要功能是利用搅拌头的双轴肩,使搅拌摩擦焊过程中产生的作用力相互抵消,从而解除了薄壁筒形件焊接时对刚性装备的依赖。用这种搅拌头施焊的缺点是,焊接前需要在启焊处预制一个导引孔,以便插入搅拌针;焊后, 需将一侧轴肩拆卸, 抽出搅拌针;使焊接过程操作复杂化。

图8 “Bobbin” 双轴肩搅拌头

克服环形焊缝搅拌摩擦焊遇到的另外一个难题,就是焊缝尾端“匙孔”的消除.通常,长直焊缝可以用“引焊板”来消除焊接尾端“匙孔”,但是环形焊缝“匙孔”的消除就不容易用引焊的方法来消除。美国NASA开发成功了可回抽式搅拌头,该型搅拌头的搅拌针伸出长度可以在焊接过程中改变,在环缝搅拌摩擦焊的末尾,使搅拌针逐渐回抽,实现环缝“无匙孔”搅拌摩擦焊接。

2.4 搅拌摩擦焊设备的发展及工艺过程的数值模拟与参数控制的自动化

早期的搅拌摩擦焊设备是利用传统铣床改装而成。随着搅拌摩擦焊技术应用领域的日趋扩大,以及被焊接材料厚度的增加和被焊接零件焊缝形式的复杂多样化,普通铣床的刚性以及操作控制都难以满足对搅拌摩擦焊更高的技术需求,搅拌摩擦焊设备逐渐从试验型设备向商用专机化方向发展。

1996年瑞典伊萨(ESAB)公司,在英国焊接研究所的专利许可基础上,为挪威Marine Aluminum公司制造了世界上第一台工业用搅拌摩擦焊机,用于铝合金型材的搅拌摩擦焊.此后,世界上有诸多的焊接设备制造公司,在取得英国焊接研究所专利许可的基础上,生产和制造了多种形式的专业化的搅拌摩擦焊设备。

2004,英国SMART公司为英国焊接研究所设计生产世界上焊接能力最大的搅拌摩擦焊设备,该设备能力可以实现单道焊接厚度为100mm铝合金材料的焊接。

在世界范围内,已经有多个厂家得到英国焊接研究所(TWI)的授权,成为专业化的搅拌摩擦焊设备制造商,如: ESABFSWLIGEMCORGTCHITAHIKAWASAKIMTSDanstirFSLMTSCTCStirtec和北京赛福斯特技术有限公司(中国搅拌摩擦焊中心)等.其中,北京赛福斯特技术有限公司是中国地区(包括香港、澳门和台湾)唯一得到英国焊接研究所(TWI)授权的专业化搅拌摩擦焊技术开发与设备制造企业。

搅拌摩擦焊工艺参数主要有搅拌头的倾角、搅拌头的旋转速度、搅拌头的插入深度、插入速度、插入停留时间、焊接速度、焊接压力、回抽停留时间、搅拌头的回抽速度。

采用数值模拟方法,对搅拌摩擦焊工艺过程与接头形成和质量进行建模描述及预测,正在各国学术界掀起热潮,主要研究工作内容包括有:

1)      搅拌头与工件摩擦产热模型;

2)      搅拌摩擦焊热过程模拟及预测;

3)      焊缝形成与热塑金属的迁移;

4)      诸多工艺参数的耦合效应;

5)      焊缝中缺陷形成的机制;

6)      搅拌摩擦焊引发的残余应力与变形.

数值模拟及预测中的关键,是正确地描述物理现象;即在建立有效物理模型(实验)的基础上,才能运用数学建模和有限元方法进行分析,获得反映实际的结果,用以指导实践.更重要的是用物理实验对数值模拟结果进行验证,二者相辅相成. 只有正确的模拟及预测才能有工程实用价值,避免反复实验.

9所示为一组典型的搅拌摩擦焊过程主要工艺参数实时检测记录曲线. 被焊材料为厚6mm低合金钢,焊缝长度75cm。为了这些数据的采集,在搅拌头的相应部位安装有参数传感器.

搅拌摩擦焊电器控制系统可以采取多种控制方式,目前在国内、外经常采用的有三种:数控控制系统(CNC)、可编程控制系统(PLC)、工控机控制系统(PC.

9  低合金钢搅拌摩擦焊过程各轴负载及搅拌头温升曲线

Low Alloy Steel -- 低合金钢,  Load (lb f) -- 负载(磅力),  Tool Temperature -- 工具温度

Temperature(℃),RPM -- 温度,转速/分,  Time (s) -- 时间(秒),  Spindle RPM -- 主轴转速,转/分

 X Axis Load -- X轴负荷, Y Axis Load --Y轴负荷,  Z Axis Load -- Z轴负荷,

 

3 搅拌摩擦焊在国内的发展

3.1 中国搅拌摩擦焊中心的成立          

2002年,北京航空制造工程研究所与英国焊接研究所正式签署搅拌摩擦焊专利许可协议,并在技术合作的基础上成立了中国搅拌摩擦焊中心。中国搅拌摩擦焊中心的成立标志着搅拌摩擦焊技术正式登陆中国。中国搅拌摩擦焊中心全权代表英国焊接研究所,发售和管理中国地区(包括香港、澳门和台湾)的搅拌摩擦焊技术专利许可,从此为搅拌摩擦焊技术在中国地区的发展、推广和工业化应用打开了大门。

两年多来,搅拌摩擦焊在中国已经起飞;在技术、工艺、设备等方面都有了突破性的进展,并且已经在工业中得到应用,正在推动着中国轻合金结构制造业连接技术的加速发展。

3.2 搅拌摩擦焊在中国的发展

自中国搅拌摩擦焊中心成立以来,在FSW设备及工艺技术开发方面均取得了比较大的进步。

在两年时间里,该中心为国内的科研院所提供了三台研究型设备(图10),为航天、轨道车辆及兵器工业的生产企业研制了三台生产型设备(图11),为支持本中心的科研工作,分别开发了悬臂式搅拌摩擦焊接设备和平面二维搅拌摩擦焊接设备(图12), 曾在2004年的北京埃森博览会展出。其中某些设备已经投入相关产品的批量化生产,产生了比较明显的社会效益和经济效益。如为常州轨道车辆牵引工程研究中心提供的FSW设备目前已用于铝合金型材的拼接(图13),为吉林一厂家生产的FSW设备已用于小型容器环焊缝的批量生产(图14).


10  为江苏科技大学提供的FSW焊接设备

 


11  为航天某生产基地提供的专用FSW焊接设备


12  平面二维FSW焊接设备


13  采用FSW技术制造的铝合金散热器型材对接焊

14 采用FSW技术制造带环焊缝的小型容器


FSW焊缝


FSW焊缝

平面二维FSW设备的研制成功,标志着国内FSW设备的研制水平已经不限于平面直缝的焊接,该设备已用于热沉器类产品如的制造,图15为采用最新研制的平面二维FSW设备制造的某型号电路板外接水冷散热器,它由蛇形盖板和有蛇形槽的底座组成,将盖板与底座连接起来。在4MPa的压力下保压20分钟无渗漏,远远高于设计要求。平面二维FSW设备还可以比较容易地实现尺寸较小的曲线(圆形)焊缝的焊接或修补孔洞。

中国搅拌摩擦焊中心目前已成功地将搅拌摩擦焊应用于轨道车辆逆变电源箱体型材连接,正在进行轨道车辆部件搅拌摩擦焊工业化应用研究。除常用的对接接头焊接外,也实现了搭接和T型接头的焊接,管状零件与平板件的连接及紫铜与铝合金材料的搭接焊(用于电力线路器材)。


15 FSW技术制造的电路板外接水冷散热器

FSW焊缝

   在基础技术研究和工程技术研究方面,

 

中国搅拌摩擦焊中心于2004年完成了预研课题《搅拌摩擦焊技术》:采用FSW技术焊接的直径2.25火箭燃料贮箱模拟件 (图16) 完全达到了设计要求,通过了承压试验的考核。2004年还完成了飞机机翼结构先进连接技术综合验证平台中的FSW焊接部分——在该验证平台中,其它连接技术制造的结构均是以FSW结构为基准进行装配。在基础研究方面,开展了搅拌摩擦焊温度场及流场的数值模拟研究和搅拌摩擦焊接头的疲劳性能研究,目前均取得了阶段性研究成果。

图16 搅拌摩擦焊接的运载火箭燃料贮箱模拟件

在过去的两年间,国内一些高等院校和科研与生产单位,相继通过中国搅拌摩擦焊中心,正式获取了英国焊接研究所的专利使用许可证,开展了不少科学试验研究工作及产品开发应用.这些单位有学校:  哈尔滨工业大学   江苏科技大学   兰州理工大学

FSW产品生产许可单位有:  常州轨道牵引传动技术研究中心  吉林3305机械厂

航天科工集团283厂  湖北三江红阳机械厂

金属工业研究发展中心 ( 台湾 高雄 )

另外,还有以个人名义,获得FSW专利使用许可的若干人.

从所发表文章的内容看,国内主要研究工作方向有:铝合金FSW接头性能及缺陷形成机制;2xxx,7xxx系列”难焊”材料FSW接头性能提高的工艺措施;搅拌头的选材与结构设计优化;FSW过程热塑性金属的迁移规律认知;FSW产热机理及热过程;焊后热处理规范;焊接残余应力与变形;异种材料FSW连接的可行性;金属基复合材料的连接;其它轻金属及铸锻材料的连接;塑料的FSW技术等等.其中的一些研究具有工程应用背景,另一些则多为学术研究,有限元数值分析的运用方兴未艾.

3.3 铝合金搅拌摩擦焊接头性能研究

   1中列出了国外研究铝合金FSW接头典型性能数据对比.材料类别不同, 通常接头系数(接头强度/母材强度)可达到0.85-1.00,这在很大程度上取决于搅拌头的形状和工艺参数.


                        1 铝合金FSW接头的典型力学性能

在国内,中国搅拌摩擦焊中心所积累的工艺基础研究数据表明,非热处理强化铝合金,如变形防锈铝合金LF6的FSW接头强度可以达到与母材等强;可热处理强化铝合金,如硬铝合金、锻铝合金LD10的FSW接头强度,在焊后约为母材的76-80%,经人工时效处理后,可与母材等强.

3.4 搅拌摩擦焊接头的质量检测与工艺标准的制订

尽管搅拌摩擦焊技术已在宇航工业、高速列车、轻型舰船以及汽车等领域得到了越来越广泛的应用;在接头质量方面,采用了许多先进的无损检测方法,如超声波相控阵检测技术等;但是,国际上还没有制定出统一的搅拌摩擦焊接头质量检验标准和工艺标准,有的只是各企业内部的企业技术标准。鉴于在中国,搅拌摩擦焊接技术应用日益扩大,中国搅拌摩擦焊中心率先制订了国内第一部搅拌摩擦焊技术企业标准,《铝及铝合金搅拌摩擦焊质量检验标准》(北京航空制造工程研究所发布,Q/9S103-2004)和《铝及铝合金搅拌摩擦焊工艺标准》(Q/9S102-2004)。

这两项标准是中国搅拌摩擦焊中心在所承担的国防基础科研课题《搅拌摩擦焊技术》的研究成果基础上制订的。在该课题中,中国搅拌摩擦焊中心完成了LF6、LD10、S147铝合金的搅拌摩擦焊工艺研究,并按上述标准,完成了运载火箭燃料贮箱模拟件的焊接。该模拟件已通过承压试验测试,完全满足设计要求。因此,两项标准的制订具有较强的工程实践意义。

3.5 搅拌摩擦焊在国内的发展前景

通过前两年的技术积累和市场推广,其中包括设备开发、工艺研究及产品试制等几个方面,预测在3~5年之内,FSW技术有望首先扩大应用到航天结构的生产制造中,实现我国航天制造技术中的一大跨跃式发展。

在全面性能(尤其是疲劳性能和抗腐蚀性能)研究基础上,搅拌摩擦焊接技术在航空制造领域有可能先应用到飞机制造中的某些非重要铝合金承力结构(如运输机中的载物底板等).随后,逐步向重要的铝合金承力结构中推广。FSW技术在这一领域的扩大应用可能需要较长的时间(5~10年)。但是鉴于飞机结构轻量化的需要,以及FSW技术在焊接轻合金(如铝合金、镁合金等)方面的独特优势,将FSW技术用于飞机结构的制造已是大势所趋。

铝合金型材拼接技术的开发是搅拌摩擦焊技术在工程化、市场化中量大面广的最重要领域,如轨道列车(包括高速列车,地铁列车和铝合金货运车)、快速舰船产品等.采用搅拌摩擦焊接技术在这些方面的优势是生产效率高、焊接变形小、成本低、质量好等。以铝合金列车为例,有统计表明,到2020年,我国约需新配备铝合金客车20万辆、铝合金运煤车20万辆。可见,搅拌摩擦焊接技术在我国轨道车辆、快速舰船等领域的大规模工程化应用前景也非常广阔。

4 结束语

1)      搅拌摩擦焊作为先进的固态连接技术,正在广泛应用于铝合金结构件的连接制造,大面积取代熔焊方法,尤其是在现代运载工具的高速化、轻型化进程中,技术经济效益显著;

2)      近两年来,在国内,搅拌摩擦焊基础方法研究、工程应用开发、搅拌摩擦焊设备及产品制造方面取得明显进步,促进了搅拌摩擦焊在中国制造领域的应用,正蓄势待发;

3)      搅拌摩擦焊在方法、材料、性能和效率、成本、环保等方面显示出的优越性,促进了在我国航空、航天、船舶、列车、电力等工业制造行业中的大规模工程化应用,正方兴未艾;

4) 高质量的搅拌摩擦焊连接,有赖于焊接过程对各工艺参数的精确监控:各轴的负荷、搅拌头的温升、焊接主轴转速及焊接速度等;精密设计的搅拌头、具有良好刚性的数控化机床,以及采用高精度的机器人,实现各类接头的可靠连接是发展目标;

5)      在充分正确认识搅拌摩擦焊中金属迁移流动物理本质的基础上,通过数值分析建模与仿真模拟,用物理模拟验证数值模拟 ,相辅相成,避免费时耗资的重复实验,建立搅拌摩擦焊过程理论,正确指导这项新技术在未来发展中的新突破;

6) 搅拌摩擦焊技术在未来发展中,突破高熔点金属材料连接工程化应用的关键是:搅拌头材料的正确选择,搅拌头型面的优化设计和寿命的提高.

参考文献

1. Thomas M W, Nicholas E D, Needham J C, et al.  Friction Stir Welding. GB Patent Application, 99125978. 1991-12-08

2. Nicholas E D.  Friction Stir Welding—A Decade On. Proceedings of IIW Asian Pacific Regional Congress. Welding Technology Institute of Australia. Melbourne, Victoria, Australia. 29 Oct.-2 Nov., 2000

3. 搅拌摩擦焊--最具革命性的焊接新技术专访报导. 航空制造技术. 200311

4. Thomas M W.  Friction Stir Welding of Ferrous Materials: A Feasibility Study. Proceedings of the 1st Int’l Symp. on FSW, June 1999. Thousand Oaks, California. USA

5. Packer S. et al.  Tool and Equipment Requirements for FSW Ferrous and Other High Melting Temperature Alloys. Proc. of the 4th Int’l Symp. on FSW. 2003.Park City. USA

6. 关 桥, 搅拌摩擦焊---未来的连接技术,工程前沿香山会议文集, 1,未来的制造科学与技术,柳百成主编,高等教育出版社,200412

7.  Marie F. et al, Development of the Bobbin Tool Technique on Various Aluminum Alloys, Proc. of 5th Int’l Symposium on Friction Stir Welding, Metz, France,14-16 Sept.2004

 

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