攪拌摩擦焊技術(shù)

1、說(shuō)課人：王小明,1 說(shuō)課,攪拌摩擦焊,1.1 教學(xué)內(nèi)容與目標(biāo),教學(xué)內(nèi)容：攪拌摩擦焊的發(fā)展歷程；攪拌摩擦焊的基本原理；攪拌摩擦焊的工藝特點(diǎn)及重要的工藝參數(shù)；攪拌摩擦焊的發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用領(lǐng)域。重點(diǎn)與難點(diǎn)：攪拌摩擦焊的基本原理；攪拌摩擦焊的工藝特點(diǎn)及重要的工藝參數(shù)。知識(shí)目標(biāo)：掌握攪拌摩擦焊的基本原理；掌握攪拌摩擦焊的工藝參數(shù)及特點(diǎn)；了解其發(fā)展及應(yīng)用。能力目標(biāo)：培養(yǎng)學(xué)生對(duì)攪拌摩擦焊的工藝設(shè)計(jì)能力。素質(zhì)目標(biāo)：形成焊接技術(shù)的自主學(xué)習(xí)和分析方法

2、。,1.2 學(xué)情分析,授課對(duì)象：大學(xué)三年級(jí)第二學(xué)期材料專業(yè)學(xué)生。學(xué)生分析：學(xué)生前期已經(jīng)學(xué)習(xí)了材料成型原理的基本知識(shí)，其課程內(nèi)容已經(jīng)簡(jiǎn)單的介紹了常見(jiàn)的焊接工藝，但基本是熔化焊的方法與工藝，幾乎不涉及固相焊技術(shù)，更不了解攪拌摩擦焊的基本原理及其工藝。因此通過(guò)攪拌摩擦焊的學(xué)習(xí)，使學(xué)生對(duì)焊接技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用進(jìn)行全面的學(xué)習(xí)和運(yùn)用。,1.3 教學(xué)設(shè)計(jì),教學(xué)方法：采用圖形結(jié)合及動(dòng)畫(huà)演示教學(xué)，重點(diǎn)講述攪拌摩擦焊的工作原理、焊接工藝及重要參數(shù)。提煉課

3、程結(jié)構(gòu)主線：以攪拌摩擦焊的工藝為課程教學(xué)結(jié)構(gòu)主線，幫助學(xué)生盡快掌握攪拌摩擦焊的原理，能夠根據(jù)不同的材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理的焊接工藝。增強(qiáng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和工程應(yīng)用能力：采用圖片展示和動(dòng)畫(huà)演示的分析方法，啟發(fā)學(xué)生自主分析攪拌摩擦焊的原理與工藝，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際運(yùn)用和操作能力。,攪拌摩擦焊,主講：王小明,2 講課,1991年,英國(guó)焊接研究所（The Welding Institute-TWI）發(fā)明了攪拌摩擦焊（Friction Stir We

4、lding-FSW,1997年，被日立公司、阿爾斯通公司等大型列車(chē)制造商廣泛用于鋁合金車(chē)體的制造中，在列車(chē)制造領(lǐng)域逐漸取代了熔焊技術(shù)。,2.1 攪拌摩擦焊的發(fā)展歷程,? 1995年，英國(guó)焊接研究所在中國(guó)申請(qǐng)了攪拌摩擦焊技術(shù)發(fā)明專利，并于1999年正式獲得國(guó)家專利局批準(zhǔn)。,? 2002年，英國(guó)焊接研究所與中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司北京航空制造工程研究所簽定了專利授權(quán)協(xié)議，并聯(lián)合成立了中國(guó)攪拌摩擦焊中心（北京賽福斯特技術(shù)有限公司是該中心的企業(yè)

5、化運(yùn)營(yíng)實(shí)體），致力于在中國(guó)地區(qū)（包括臺(tái)、港、澳）推廣這項(xiàng)新技術(shù)。,中國(guó)第一臺(tái)12m長(zhǎng)寬幅型材攪拌摩擦焊設(shè)備,2.1 攪拌摩擦焊的發(fā)展歷程,2.2 攪拌摩擦焊接的基本原理,攪拌摩擦焊是利用摩擦熱作為焊接熱源的一種固相連接方法，但與常規(guī)摩擦焊有所不同。在進(jìn)行攪拌摩擦焊接時(shí)，首先將焊件牢牢地固定在工作平臺(tái)上，然后，攪拌焊頭高速旋轉(zhuǎn)并將攪拌焊針插入焊件的接縫處，直至攪拌焊頭的肩部與焊件表面緊密接觸，攪拌焊針高速旋轉(zhuǎn)與其周?chē)覆哪Σ廉a(chǎn)生的熱量和攪

6、拌焊頭的肩部與焊件表面摩擦產(chǎn)生的熱量共同作用，使接縫處材料溫度升高而軟化，同時(shí)，攪拌焊頭邊旋轉(zhuǎn)邊沿著接縫與焊件做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，攪拌焊頭前面的材料發(fā)生強(qiáng)烈的塑性變形。隨著攪拌焊頭向前移動(dòng)，前沿高度塑性變形的材料被擠壓到攪拌焊頭的背后，在攪拌頭軸肩與焊件表層摩擦產(chǎn)熱和鍛壓共同作用下，形成致密的固相連接接頭。,攪拌摩擦焊原理圖,攪拌摩擦焊的焊接過(guò)程，可以分解為4 個(gè)不同階段： 旋轉(zhuǎn)、插入、焊接、離開(kāi)。,旋轉(zhuǎn),插入,焊接,離開(kāi),2.2 攪拌摩擦焊接

7、的基本原理,焊接接頭的示意圖,2.2 攪拌摩擦焊接的基本原理,(V = 14 m/h),(V = 38 m/h),(V = 28 m/h),鋁合金攪拌摩擦焊宏觀形貌,2.2 攪拌摩擦焊接的基本原理,2.3 攪拌摩擦焊接的重要工藝參數(shù),FSW焊接的重要工藝參數(shù) 主要有攪拌頭的形狀、攪拌頭的位置、攪拌頭的轉(zhuǎn)速、焊接速度、接頭精度以及材料拘束等。 這些參數(shù)對(duì)接頭穩(wěn)定性和焊接質(zhì)量的非常重要。,攪拌摩擦焊的工藝參數(shù),2.3 攪拌摩擦焊接

8、的重要工藝參數(shù),2.4 攪拌摩擦焊接的特點(diǎn),攪拌摩擦焊具有的優(yōu)點(diǎn)：,⑴ 攪拌摩擦焊是一種固相連接技術(shù)，接頭性能優(yōu)異。。,⑵ 焊前不需要開(kāi)坡口，可以節(jié)省焊前準(zhǔn)備工時(shí)。,⑶ 焊接過(guò)程中不需要保護(hù)氣，也不需要填充材料。,⑷ 焊接過(guò)程容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，可以實(shí)現(xiàn)全位置焊接， 接頭質(zhì)量一致性好。,攪拌摩擦焊具有的優(yōu)點(diǎn)：,⑸ 焊接熱輸入小，從而導(dǎo)致焊接變形小、接頭殘余應(yīng)力水平低， 是一種低應(yīng)力、小變形焊接技術(shù)。,⑹ 焊接過(guò)程中無(wú)飛濺、無(wú)弧光、

9、無(wú)輻射，是一種綠色焊接技術(shù)。,⑺ 焊接效率高、能耗低，是一種高效焊接技術(shù)。,2.4 攪拌摩擦焊接的特點(diǎn),攪拌摩擦焊存在的主要問(wèn)題：,（1）焊縫無(wú)增高, 在接頭設(shè)計(jì)時(shí)要特別注意這一特征。焊接角 接接頭受到限制，接頭形式必須特殊設(shè)計(jì)。,（2）需要對(duì)焊縫施加大的壓力，限制了攪拌摩擦焊技術(shù)在機(jī) 器人等設(shè)備上的應(yīng)用。,（3）焊接結(jié)束時(shí)，由于攪拌頭的回抽在焊縫中往往殘留攪拌 指棒的孔，所以必要時(shí)，焊接工藝上需要添加“

10、引焊板 或退出板”。,2.4 攪拌摩擦焊接的特點(diǎn),攪拌摩擦焊存在的主要問(wèn)題：,（4）被焊零件需要由一定的結(jié)構(gòu)剛性或被牢牢固定來(lái)實(shí)現(xiàn) 焊接；在焊縫背面必須加一耐摩擦力的墊板。,（5）要求對(duì)接頭的錯(cuò)邊量及間隙大小必需嚴(yán)格控制。,（6）目前只限于對(duì)輕金屬及其合金的焊接。,總之，與熔焊相比，它是一種高質(zhì)量、高可靠性、高效率、低成本的綠色連接技術(shù)。,2.4 攪拌摩擦焊接的特點(diǎn),復(fù)合焊接技術(shù)：,（1）感應(yīng)線圈輔助加熱攪拌摩擦焊工

11、藝 在旋轉(zhuǎn)工具的前方采用移動(dòng)式感應(yīng)線圈來(lái)當(dāng)作熱源。當(dāng)材料受到熱能作用后將會(huì)產(chǎn)生塑化現(xiàn)象，攪拌摩擦焊接工具的主要作用為控制材料的塑性流動(dòng)形態(tài)，且可破壞存在于工件表面的氧化薄膜。然而此改良的工藝無(wú)法利用感應(yīng)線圈在特定位置上予以精確加熱。（2）激光輔助攪拌摩擦焊工藝 激光能的高溫作用將會(huì)使位于旋轉(zhuǎn)工具前方的工件軟化，因此僅需施以較小的工作負(fù)荷即能驅(qū)使旋轉(zhuǎn)工具移動(dòng)。另外，該系統(tǒng)更具有另一優(yōu)越性:即使在高速焊接狀態(tài)下,亦不會(huì)造

12、成旋轉(zhuǎn)工具的過(guò)度磨損。,2.5 攪拌摩擦焊接的發(fā)展現(xiàn)狀,2.5 攪拌摩擦焊接的發(fā)展現(xiàn)狀,復(fù)合焊接技術(shù)：,（3）載流—攪拌摩擦復(fù)合焊 基于內(nèi)生電阻熱－攪拌摩擦熱復(fù)合的載流－攪拌摩擦復(fù)合焊接(RFSW)新技術(shù)。在攪拌摩擦焊的過(guò)程中，在工件焊縫方向上通以電流，該電流與其流經(jīng)的焊縫和摩擦攪拌焊接區(qū)的接觸電阻產(chǎn)生電阻熱，該電阻熱和攪拌摩擦熱形成攪拌摩擦的復(fù)合熱源?？捎糜谔间?、不銹鋼、高溫合金等結(jié)構(gòu)材料的攪拌摩擦焊接、焊前熱處理和焊后熱

13、處理。對(duì)于解決高熔點(diǎn)金屬攪拌摩擦焊接的難題提供了新的研究思路和方法，對(duì)于快速高效的低熔點(diǎn)金屬攪拌摩擦焊接也具有改善和促進(jìn)作用，能夠解決FSW焊接高熔點(diǎn)金屬所面臨的一些挑戰(zhàn)。,復(fù)合焊接技術(shù)：,a) 預(yù)熱的作用,b) 熱處理的作用,? 載流--攪拌摩擦焊裝置示意圖,2.5 攪拌摩擦焊接的發(fā)展現(xiàn)狀,目前鋁合金仍將是攪拌摩擦焊的主要被焊材料，而鎂合金、銅合金、不銹鋼、碳鋼以及異種金屬的攪拌摩擦焊也將會(huì)成為研究熱點(diǎn)。不同材料的攪拌摩擦焊焊接工