搅拌摩擦焊新技术优化方案

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：图2-4-33为采用搅拌摩擦点焊方法获得的铝合金和高强钢的点焊样件。通过对2mm厚6061- T4铝合金薄板进行搅拌摩擦点焊研究发现，点焊接头的结合强度不仅与焊接参数有关，而且与搅拌头的形貌尺寸密切相关。与搅拌摩擦焊技术相比，用于表面改性的搅拌头只有轴肩而没有搅拌针。搅拌摩擦焊修复技术可消除机翼裂纹修理时的高应力集中，其蒙皮表面需要的首次安全检验时间推迟了3.5倍，同时也减少了随后的检验次数。

近年来，与搅拌摩擦焊有关的新技术及其应用研究比较多，如搅拌摩擦点焊、搅拌摩擦表面改性技术、细晶材料制备、搅拌摩擦焊修复、搅拌摩擦-激光复合焊接技术和搅拌摩擦焊机器人技术等。

1.搅拌摩擦点焊

图2-4-32为搅拌摩擦点焊原理图，旋转的搅拌头在上部顶锻压力的作用下，压入工件，保持一定的时间后（一般为几秒），将搅拌头回抽提起，完成搅拌摩擦点焊。与传统的点焊方法相比，搅拌摩擦点焊具有变形小、无需进行表面清理、焊具无损耗等特点。既可以实现高质、高效的目标，又可以节约成本。其缺点是焊点部位产生凹坑。

图2-4-33为采用搅拌摩擦点焊方法获得的铝合金和高强钢的点焊样件。通过对2mm厚6061_- T4铝合金薄板进行搅拌摩擦点焊研究发现，点焊接头的结合强度不仅与焊接参数有关，而且与搅拌头的形貌尺寸密切相关。焊接时间一般均小于1s，较少的焊接时间可以提高接合强度。采用搅拌摩擦的方法可以实现高强钢的点焊连接，焊接时间为3s。而且采用PCBN材料制得的搅拌头在点焊了100多个焊点后未见明显磨损迹象。

图2-4-32 搅拌摩擦点焊原理图

图2-4-33 搅拌摩擦点焊样件

a）铝合金 b）高强度钢

2.表面改性

（1）直接表面改性强化图2-4-34为搅拌摩擦焊加工方法实现表面改性的原理图。与搅拌摩擦焊技术相比，用于表面改性的搅拌头只有轴肩而没有搅拌针。这样，搅拌头所经过的区域即形成了一道表面改性层，多道搭接即可实现表面改性的目的。铸造铝合金采用熔焊的方法改性处理时（如激光焊、等离子弧焊、TIG焊等），会产生晶间液化裂纹、气孔等缺陷。通过搅拌摩擦焊改性工艺处理，不仅可以实现表面改性的目的，而且可以避免由于熔焊所带来的焊接缺陷问题。从铸造铝合金搅拌摩擦焊表面改性后的微观组织可以看出，在基体表面形成了一层改性层。与基体组织相比，改性层的微观组织得到了细化，而且Si粒子被打碎而均匀分布在改性层中。

图2-4-34 搅拌摩擦表面改性原理图

（2）制备复合材料表面改性层复合材料具有高强度、高弹性模量、耐磨性好、抗蠕变和抗疲劳性能优异等特点，但由于陶瓷增强相的加入，使得复合材料延展性、韧性显著降低，通过表面改性可以克服此缺点。表面熔化改性的方法无法避免脆性相的生成，使得改性层容易开裂或与母材剥离。搅拌摩擦表面制备复合材料改性层，可以解决这些问题。制备过程是先在5083铝合金表面预涂SiC粉，然后采用搅拌摩擦加工工艺获得表面为复合材料的改性层。如图2-4-35所示，SiC颗粒在铝基体上分布均匀，而且通过控制预涂粉末的厚度、搅拌摩擦工艺等参数可以获得强化相含量不同的复合材料表面改性层。

图2-4-35 搅拌摩擦制备的复合材料表面改性层组织

a）w（SiC）为13% b）w（SiC）为27%

3.制造超细晶粒材料

超细晶材料由于具有异常优异的力学性能而受到人们广泛关注，如强度高、韧性好、高温和低温具有超塑性等。超细晶材料制备通常采用强烈塑性变形（SPD）和等径弯曲通道变形（ECAP）的方法，这两种手段适合于中等强度的材料，而对于难变形、延性差的材料则相对困难，而且也很难获得大面积的超细晶材料。搅拌摩擦焊加工工艺由于在高温下完成，因此可以实现在常温下难变形材料的细晶制备工艺。另外，通过多道搭接的方法可以制造出大面积的超细晶材料。

对7075铝合金采用搅拌摩擦加工处理制备出超细晶材料，晶粒得到了很好的细化，晶粒平均尺寸达到了亚微米级（约250nm）。图2-4-36a是7075铝合金的细晶材料微观组织照片，经过搅拌摩擦焊加工工艺处理，原始母材板条状的微观组织转变为细化的等轴晶粒（见图2-4-36b），等轴晶粒在高温下退火有长大现象（见图2-4-36c）。图2-4-37是对7075铝合金母材及超细晶材料在高温下的冲压成形试验结果，母材在冲程为18.5mm时已经不能很好地成形。而对于超细晶材料在冲程为28.5mm时，仍然成形完好。

图2-4-36 7075铝合金微观组织

a）母材 b）搅拌摩擦制备的超细晶材料 c）超细晶材料723K退火1h

图2-4-37 7075铝合金母材及超细晶材料在高温下的冲压成形试验结果

a）母材冲程18.5mm b）细晶材料冲程18.5mm c）细晶材料冲程28.5mm

4.搅拌摩擦焊修复

通过在原始焊缝上开槽的方式模拟了搅拌摩擦焊的修复过程，首先用尺寸略大于缺口的铝合金塞块对其进行封孔，用相同尺寸的搅拌头对其进行两次修复，两道焊缝中间有一个偏移量。其目的是消除由于塞块的加入产生的两个新界面。通过采用这种两道焊缝搭接的方法，完全可以实现搅拌摩擦焊接头的有效修复。

搅拌摩擦焊修复技术在航空修理领域中有广阔的应用前景，如英国空中客车公司利用该技术，对在役商用客机的机翼蒙皮、裂纹、破孔、缺口、断裂等损伤形式的构件进行修理。

裂纹是航空修理中极为常见的损伤形式，主要发生在蒙皮、发动机叶片等承受交变载荷及应力集中的构件中。传统的修理方法是在裂纹的尖端钻止裂孔、铆接加强片等方法，但这样做降低了构件的性能和使用寿命。搅拌摩擦焊修复技术可消除机翼裂纹修理时的高应力集中，其蒙皮表面需要的首次安全检验时间推迟了3.5倍，同时也减少了随后的检验次数。在对框、肋裂纹进行搅拌摩擦焊修理时，通过优化焊接参数，搅拌头沿裂纹方向进行焊接修补，不仅可消除裂纹，而且焊缝力学性能优良，减少了大量铆钉和衬片，消除铆接修补时引起的内应力，提高了修理速度和修理质量，而且不会增加额外的修理重量。

破孔是军用飞机特有的一种损伤形式，当蒙皮出现破孔损伤时，以前主要采用堵盖法、贴补法、胶螺等方进行修补，这些方法均存在不同程度的缺陷。采用搅拌摩擦焊修补时，先将破孔切割成规则形状如圆形、矩形等，然后用搅拌摩擦焊方法焊上一个与破孔形状和尺寸相同的补片，接头形式应采用斜面对接，以免影响飞机的气动性能。

5.激光辅助搅拌摩擦焊技术

激光辅助搅拌摩擦焊（LAFSW）是最新提出的搅拌摩擦焊技术，在搅拌摩擦焊中，焊接所需的热量来自搅拌头和工件之间的摩擦，需要很大的压力和夹紧力，这就导致了搅拌摩擦焊设备笨重、价格昂贵，搅拌头磨损率高。激光辅助搅拌摩擦焊使用激光作为辅助能源加热工件，可以降低搅拌摩擦焊的焊接成本、同时简化焊接设备。激光辅助搅拌摩擦焊原理图及其说明参见绪论的相关部分，这里不再赘述。

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