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2020-08-08
搅拌摩擦焊搅拌头的设计及发展趋势
2020-08-08
1.搅拌头的形状

搅拌头的形状决定了搅拌摩擦焊过程的产热及焊缝金属的塑性流动,最终影响焊缝的成形及接头性能。搅拌针是否带螺纹,对接头成形有很大影响。搅拌针不带螺纹时,易发生搅拌头折断现象,表明焊接过程搅拌针受到的母材阻力大,以至超过了搅拌针承受极限而在搅拌针与轴肩结合部位断裂,且焊缝内部有孔洞产生。
英国焊接研究所(TWI)提出了两种焊接工具模型:三槽锥形螺纹和锥形螺纹搅拌头,如图1-33a、b所示。在搅拌摩擦焊初期,TWI开发成功了图1-33c所示的柱形搅拌头。
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几种典型的搅拌摩擦焊搅拌头

搅拌头形状设计合理,会使成形区摩擦产热量大,热塑性材料易于流动,成形工艺性好。搅拌头的形状主要有圆柱形、圆锥形、螺旋形等。螺旋形搅拌头在旋转的同时,产生向下的锻造力,更有利于焊缝成形,螺距越小焊接质量越好。搅拌摩擦焊时热量主要来自于搅拌头与焊件的摩擦。搅拌头的直径过大时,成形区断面积增大,热影响区变宽,搅拌头向前移动时阻力增大,不利于金属材料的流动;搅拌头的尺寸过小时,摩擦产生的热量不足,成形区热塑性材料的流动性差,搅拌头向前移动时所产生的侧向挤压力减小,不利于形成致密的组织,可能会形成沟槽、孔洞等缺陷。

轴肩的发展经历了“平面一凹面一同心圆环槽一涡状线”的过程。轴肩的主要作用是尽可能包拢塑性区金属,促使焊缝成形光滑平整,提高焊接行走速度。搅拌头轴肩的发展经历了由光面圆柱体向普通螺纹、锥形螺纹、大螺纹、带螺旋流动槽螺纹发展的历程,如图1-34所示。它们都是在搅拌针和轴肩的交界处中间凹入。在焊接过程中,这种设计形式可保证轴肩端部下方的软化材料受到向内方向力的作用,有利于将轴肩端部下方形成的软化材料汇集到轴肩端面的中心,以填充搅拌针后方所形成的空腔,同时可减少焊接过程中搅拌头内部的应力集中而保护搅拌针。

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1-34 搅拌头轴肩的类型

2.搅拌头的结构设计

搅拌头的结构设计是搅拌摩擦焊的关键技术。它直接影响到焊缝塑性金属的流体流动并决定了接头性能。搅拌头的结构分为搅拌针和轴肩两部分,这两部分结构在焊接过程中的作用不同,搅拌头的设计包括搅拌针和轴肩形状及尺寸的设计。
(1)可消除匙孔型常规搅拌摩擦焊完成后,在焊缝的尾端会留有一个匙孔。为了解决这个问题,研发了可以自调节的搅拌摩擦焊工具,主要功能是让搅拌摩擦焊的匙孔愈合。这种焊接工具也称为可伸缩探针搅拌头,在焊接尾段搅拌头自动地退回到轴肩里面,使匙孔愈合,如图1-35所示。

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1-35 可消除匙孔型搅拌头

(2)轴肩探针可拆卸型国内外应用的搅拌头通常制造为一体,这样在搅拌针磨损失去搅拌作用、轴肩磨损性能变差时,必须更换搅拌头。搅拌摩擦焊过程是一个热、机械综合作用的过程,搅拌头工作时轴肩和搅拌针在焊接温度(约为母材熔点80%)下磨损相对较高。而夹持部分由于受热、力的作用较弱,一般不存在磨损情况。为了保证搅拌针和轴肩的耐热、耐磨特性,搅拌头须能在一定温度和载荷下工作。如果搅拌头是一体化设计,则整个夹持部分也不能继续使用。

整体式搅拌头另一个不足是加工过程材料的浪费。考虑到搅拌头的摩擦产热及散热作用,夹持部分、轴肩通常采用不同的直径,而搅拌针的直径只有轴肩的1/3,整体式机加工方式也会造成材料的浪费。为了减少搅拌头的制造和使用成本,研发了一种轴肩和搅拌针可以拆卸重复使用的分体式搅拌头。该搅拌头由夹持部段、探针轴肩复合部段、连接组件三部分构成,如图1-36所示。


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1-36分体式搅拌头结构示意图

分体式搅拌头结构具有以下优点:

1)节约材料成本,由于搅拌头为分体式设计,在搅拌头磨损后,仅更换磨损较大的轴肩和搅拌针部分即可,不需要更换未磨损的夹持部段;降低材料要求,夹持部段对受热、力作用不大,可选择性能不是太高的材料。
2)节省加工时间。仅加工轴肩和搅拌针部分即可,不需要另外加工夹持部段,也不需要更换夹持部段,使得更换更为方便。
3)可焊接不同厚度试样。夹持部分通用,仅更换不同尺寸的轴肩和搅拌针即可。
4)连接柱侧面和连接孔内壁的相应位置有相互配合的定位面,便于装配。
(3)双轴肩型搅拌摩擦焊在焊接环形筒状焊件时,由于需要垫板支持,使工装夹具设计存在诸多不便,而且垫板在搅拌摩擦焊中也容易损坏,经常更换使材料浪费严重。因此设计了双轴肩搅拌头,如图1-37所示。这种新型双轴肩搅拌头的特点在于不影响搅拌摩擦焊接头质量,又可省去垫板,既节约了材料,又方便了工装夹具设计。
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1-37双抽启搅拌头的形状

3.搅拌头的发展趋势

我国焊接行业对搅拌摩擦焊搅拌头这种核心技术的研发尚不够深入,一般的搅拌头都比较简单,大多是在圆柱形搅拌针上车上螺纹,不像国外的搅拌摩擦焊搅拌头那么复杂。下一步的研发应注意以下几方面:1)冷却装置,研发人员提出的冷却方式包括:内部的水管冷却,外部的水喷洒冷却,或气体冷却。2)表面涂层改性。用于铝合金焊接的搅拌头,可以通过表面涂层提高其使用寿命。目前部分搅拌头使用TiN涂层,效果很好,可以防止金属粘连搅拌头。3)复合式搅拌头(见图1-38)。搅拌针和轴肩发挥的作用不同,两者可以使用不同的材料,尽可能使轴肩和搅拌针发挥各自的作用。使用一些昂贵的耐磨搅拌针材料时,轴肩与搅拌针分别制造,在焊接相对较硬的材料时,搅拌针磨损严重后,可以单独更换搅拌针而不是整个搅拌头都换掉,这样可以降低成本。

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1-38焊接厚度为6mm的钢用W-Re/PCBN复合搅拌头