機械專業外文文獻翻譯-外文翻譯--C型攪拌摩擦焊的現狀與發展

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C 型攪拌摩擦焊的現狀與發展 1 前言 1991 年 ,英國焊接研究所（ 明了攪拌摩擦焊（ 這項杰出的焊接技術發明正在為世界制造技術的進步做出貢獻。 在國外 ,攪拌摩擦焊已經在諸多制造領域達到規模化、工業化的應用水平。如在船舶制造領域，在 1996 年攪拌摩擦焊就在挪威 司成功地應用在鋁合金快速艦船的甲板、側板等結構件的流水線制造。在軌道車輛制造領域，日本司首先于 1997 年將攪拌摩擦焊技術 應用于列車車體的快速低成本制造，成功實現了大壁板鋁合金型材的工業化制造。在世界宇航制造領域，攪拌摩擦焊已經成功代替熔焊實現了大型空間運載工具如運載火箭和航天飛機等的大型高強鋁合金燃料貯箱的制造，波音公司的 I 型和 火箭已經全部實現了攪拌摩擦焊制造，并于 1999 年首次成功發射升空。 2000 年世界汽車工業，如美國 車公司等就利用攪拌摩擦焊實現了汽車懸掛支架、輕合金車輪、防撞緩沖器、發動機安裝支架以及鋁合金車身的焊接。 2002 年 8 月，美國月蝕航空公司利用 術研制出了全攪拌摩擦焊輕型 商用飛機，并且首次試飛成功。 2 攪拌摩擦焊的技術特點 攪拌摩擦焊作為一項新型焊接方法，用很短的時間就完成了從發明到工業化應用的歷程。目前 ,在國際上還沒有針對攪拌摩擦焊公布的統一技術術語標準，在攪拌摩擦焊專利許可協會的影響下，業界已經對攪拌摩擦焊方法中所涉及到的通用技術術語進行了定義和認可。下圖示出了攪拌摩擦焊所用到的主要描述性術語。 攪拌摩擦焊是一種在機械力和摩擦熱作用下的固相連接方法。如圖 1 所示，攪拌摩擦焊過程中，一個柱形帶特殊軸肩和針凸的攪拌頭旋轉著緩慢插入被焊接工件，攪拌頭和被焊接材料之間的 摩擦剪切阻力產生了摩擦熱，使攪拌頭鄰近區域的材料熱塑化（焊接溫度一般不會達到和超過被焊接材料的熔點），當攪拌頭旋轉著向前移動時，熱塑化的金屬材料從攪拌頭的前沿向后沿轉移，并且在攪拌頭軸肩與工件表層摩擦產熱和鍛壓共同作用下，形成致密固相連接接頭。 攪拌摩擦焊具有適合于自動化和機器人操作的諸多優點，對于有色金屬材料（如鋁、銅、鎂、鋅等）的連接 ,在焊接方法、接頭力學性能和生產效率上具有其他焊接方法無可比擬的優越性，它是一種高效、節能、環保型的新型連接技術。 但是攪拌摩擦焊也有其局限性，例如：焊縫末尾通常有匙孔存在 （目前已可以實現無孔焊接）；焊接時的機械力較大，需要焊接設備具有很好的剛性；與弧焊相比 ,缺少焊接操作的柔性；不能實現添絲焊接。 攪拌摩擦焊對材料的適應性很強，幾乎可以焊接所有類型的鋁合金材料，由于攪拌摩擦焊接過程較低的焊接溫度和較小的熱輸入，一般攪拌摩擦焊接頭具有變形小、接頭性能優異等特點 ;可以焊接目前熔焊“不能焊接”和所謂“難焊”的金屬材料如： 列 ) 、 列 )和 8090、 2090 和2195 鋁合金 )等鋁合金。 另外，攪拌摩擦焊對于鎂合金、鋅合金、銅合 金、鉛合金以及鋁基復合材料等材料的板狀對接或搭接的連接也是優先選擇的焊接方法；目前，攪拌摩擦焊還成功地實現了不銹鋼、鈦合金甚至高溫合金的優質連接。 攪拌摩擦焊可以較容易實現異種材料的連接，例如鋁合金和不銹鋼的攪拌摩擦焊接，利用攪拌摩擦焊可以較方便的實現鋁－鋼板材之間的連接和銅鋁復合焊 接接頭。 3 攪拌摩擦焊在國外的發展 攪拌摩擦焊作為一種輕合金材料連接的優選焊接技術，已經從技術研究，邁向高層次的工程化和工業化應用階段 ,形成了一個新的產業 : 攪拌摩擦焊設備的制造、攪拌摩擦焊產品的加工 、北歐的船舶制造工業、日本的高速列車制造等制造領域，攪拌摩擦焊得到了廣泛的應用 ,均已形成新興產業。 4 激光輔助攪拌摩擦焊 激光輔助攪拌摩擦焊（ 一種新改進的攪拌摩擦焊，攪拌摩擦焊是近 10 年開發的工藝。 在攪拌摩擦焊里，焊接熱能是來自工具和工件之間摩擦熱量。由于這種工藝需要相對大的力，因此，在攪拌摩擦焊中使用的設備笨重且昂貴。激光輔助攪拌摩擦焊用激光能源加熱工件，而攪拌頭的主要作用是攪拌和連接工件 2 部分。由于這種原因，激光輔助攪拌摩擦焊是一種相對簡單和廉價的方法。 為了克服攪拌摩擦焊中存在的 不足，如（ 1）裝夾焊接工件的夾具較大，需要很大的力向前移動焊接工具，焊接工具磨損率相對高；（ 2）用感應線圈方法加熱不能保證正確的位置、焊接攪拌頭和夾具裝置都受到加熱感應線圈的影響及用感應線圈作媒介加熱及僅適用于導體材料，并不能用于其他非金屬和非導體材料。人們開發了的激光輔助攪拌摩擦焊 。這種方法由通用銑床和 光器改造成的。激光能源在旋轉攪拌頭前面有限范圍內預熱工件。這樣，旋轉的攪拌頭前面的工件體積、塑性增加（插圖 1）。然后，采用與普通 藝一樣的方法連接工件。旋轉工具前面的高溫軟化了工件，并 且可以不用強大夾具裝夾就能夠保證連接。向前移動焊接工具只需很小的力，所以減少了磨損。對于激光能源這種工藝的優點還有焊接能力較高，焊接中不會引起過多的磨損。商業用的激光器，具有很精確地激光直徑控制裝置，因此，控制工件的受熱區域和激光源到達工件的數量，并且保持系統的其他部位的受熱是比較容易的。 目前 激光輔助攪拌摩擦焊的焊接工藝已經被證明。激光能預熱工件的使用標 志著在焊接工具和工件中需要提供較大的力的降低，用這種改進的方法簡化了使用，因此使用經濟的焊接方法已成為可能。另外，較高的焊接速度在改進中獲得了較好的效 益。 5 攪拌摩擦焊――鑄鋁的高效連接技術 針對 金廣泛應用，中國攪拌摩擦焊中心對該材料的攪拌摩擦焊工藝適應性進行了開發， 試驗數據表明，該材料的攪拌摩擦焊工藝適應性良好，接頭抗拉強度達到了母材的 91%，接頭力學綜合性能優于電子束等熔焊方法。 金（舊牌號為 是在 金基礎上增加 素的含量發展起來的 高強度鑄造鋁合金。它既具有優良的鑄造工藝性能，又具有較 金更高的力學性能。由于其優越特性，在航空航天制造業中，廣泛用于 制造重要部位的大型薄壁結構件。 金應用前景廣闊，產生了對材料高效連接技術的迫切需求。因采用熔焊方法，熱輸入量較大，焊接變形大，難以滿足薄壁件精度要求；并且焊縫易出現氣孔、夾渣、未焊透、燒穿、裂紋等缺陷，缺陷率高；而且焊前焊后處理工序較繁瑣。 攪拌摩擦焊是一種新興的金屬固相連接技術，金屬在焊接過程中不熔化，熱輸入量小；焊縫的連接是在金屬受擠壓的狀態下完成的，焊接接頭不會產生熔化焊焊接接頭的氣孔和裂紋等一類缺陷，焊縫缺陷少；攪拌摩擦焊類似于機械加工過程，容易實現自動化控制，而且沒有熔化焊中的電 壓，電流，強光，金屬粉塵等現象，工作環境環保清潔。最重要的是，攪拌摩擦焊接頭的力學性能優于熔焊接頭。試驗數據表明焊接接頭的抗拉強度達到了母材的 91％，試樣延伸率達到了 接頭組織晶粒細化、均勻而致密，消除了母材的鑄造缺陷。 材與焊接接頭微觀組織對比，可觀察到焊核區微觀組織是無方向性的、細小的等軸晶粒，母材區為粗大的樹枝狀鑄造組織。攪拌摩擦焊是一種區別于熔化焊和機械連接的新型焊接技術，基于其技術優勢，在航空制造業中的應用具有巨大的潛在性，為各種輕質合金高效連接，提供了解決途徑和方法。 6 攪拌 摩擦焊接在運載火箭上的應用 運載火箭貯箱常用的材料是比強度高、比剛度高的鋁合金，如 2014， 2219和 7075 鋁合金?，F在，運載火箭貯箱又采用性能更好的 2195 鋁鋰合金。在航天產品中，特別是在制 造運載火箭貯箱中，焊接工藝是一項關鍵的制造技術。熔焊技術如氣體鎢極電弧焊（ 和氣體金屬電弧焊（ 20 世紀 50 年代起，在雷神、宇宙神、大力神、土星和德爾它 系列運載火箭貯箱的制造中使用了幾十年，從焊接設備、焊接材料、焊接工藝等方面作了大量的研究工 作，滿足了焊接質量的需要。同時，為了提高焊接質 量和降低成本， 20 世紀 80 年代美國又采 用了變極性等離子弧焊（ 機，并配備了先進的計算機控制系統，代替了 焊接了 2219合金制的航天飛機外貯箱，使焊接工藝在貯箱的制造中向前邁進了一 大步。迄今為止，雖然焊接質量有所提高，焊接時間有所縮短，但仍不能徹底解決焊縫及近縫區的裂紋和減少焊接氣孔等缺陷問題。 1991 年英國劍橋大學焊接研究所（ 明了攪 拌摩擦焊接(這種焊接技術焊接的鋁合金變形小、冶金和力學性能高、成本低和焊接時間短。 挪威在世界上最早用 接 技術焊接過 6 6 6068合金船面板和 20 m 長的鋁合金制的快艇，焊接總長達 10 000 m。瑞士也研制出 機。為了加速 接技術在工業上的應用， 1995 年國際合作公司贊助了一項計劃，由 究所牽頭繼續研究 用 接 2000 系（ ）、5000 系（ ）、 6000 系（ ）等鋁合金，并均獲得滿意的焊接質量。 究所、美國愛迪生焊接研究所（ 部門，除了研究用 接鋁合金外，還研究用它焊接黑色金屬及其它金屬。美國的航空航天 工業部門對F 展了更多的應用性研究，如洛 馬公司、波音公司投入了大量的研制經費，僅花在 接工藝和設備研制上的費用就達 1500 萬美元，成功地焊接了德爾它 Ⅱ ～ Ⅳ 的運載火箭貯箱 。 由于 在比被焊合金材料熔點溫度低的條件下完成的固態連接，所以金屬材料沒有熔化，焊接收縮變形小和力學性能損失低，與傳統的 焊技術焊接鋁合金相比，有著突出的優點： a）不需要氬、氦保護氣體和填充材料，焊接時不需要控制焊接電流和電弧電壓參數，節省了大量材料的消耗。 b）焊前不需要對被焊接材料和焊絲仔細清 理、酸洗、打磨和烘干等，不必對被焊接材料機械加工開剖口，節省了許多操作時間。 c）焊工不要求有高的操作技術。 d）焊接能量效率高，單層焊接 6000 系鋁合金可達 12.7 度，因此適合于自動 化生產。 e）不存在鋁合金焊接主要缺陷，即裂紋敏感性問題，因此，容易焊接難以焊 接的鋁合金材料，如 7075 鋁合金。 f）由于 以保持合金的冶金性能，所以可焊接金屬基復合材料和快速凝固材料。 g）采用最佳的焊接參數，可以獲得無氣孔的焊縫。 h）可以焊接異種金屬，如鑄造和擠壓、鑄造和鍛造材料等。 i）用 以焊 接許多通常不能夠焊接的長而大的橫截面零件。 J）焊接大尺寸擠壓件變形很小。 k）焊接前工件裝配要求低，待焊接表面根部不必緊配合，根部裝配間隙允許公差低， 1.6 薄板根部裝配間隙為 0.2 12.7 板為 一項適合于焊接鋁合金的新技術。因為它是固態焊接，與熔焊鋁合金技術相比，具有 3 個主要優點： a）固態連接消除了與熔焊有關的裂紋，即液化或固化裂紋。在最佳焊接條件下完全消除氣孔。 b）不存在焊縫金屬蒸發產生的合金元素損失，焊縫合金元素得到保存，因此焊接質量得到保證。 c）由于焊接工具對材料產生的碾壓、攪拌和鍛造作用，可得到比基體金屬更為細小的再結晶組織，焊縫金屬強度超過了焊接熱影響區材料的強度。 用于運載火箭貯箱的材料 2014強度鋁合金（中國牌號為 比較難焊接的金屬材料，其焊接熱裂紋傾向性高，焊接接頭強度系數為 右，塑性不高，延伸率僅 2%～ 3 %，補焊性能差。 接后的接頭彎曲試樣證明：接頭塑性明顯提高，彎曲角達 180°，拉 伸試樣均斷在焊縫金屬外的熱影響區。2014態拉伸試樣破壞均斷在基體金屬。與熔焊接頭相比， 接接頭 的抗拉強度 高 30%～ 50%，焊接接頭的強度系數達 裂韌性提高，疲勞性能與鉚接 的相同。 2519強度鋁合金有優異的沖擊性能，用于海軍先進的水陸兩用攻擊型戰車，但用普通熔焊時，焊接接頭塑性低，不能通過必須的沖擊驗收試驗，經 接后的焊接接頭比熔焊接頭塑性提高，強度相同，成功地通過了彈道沖擊試驗。 2195鋰合 金采用 接，焊接接頭力學性能比接接頭力學性能高得多 。 展很快，已有 10 年。自從 1995 年以來，歐洲、美國和日本等一些國家對 展了應用性研究，特別是美國航空航 天工業部門高度重視該技術，并用它 成功地焊接了以往難以焊接的 7075 鋁合金低溫燃料貯箱，其力學性能很 好。 5454 鋁合金焊接后有很好的抗腐蝕性。 當前各國都在研究不同鋁合金，不同接頭形狀的焊接 ， 著手建立材料焊接力學性能數據庫，建立飛機和航天工業用鋁合金焊接標準，并將 用擴大到汽車、造船 、鐵路 、建筑、壓力容器等部門。同時研究熔點高的鈦合金材料，包括金屬基材料在內的泡沫鋁合金材料的焊接。 接主要依靠設備完成，研究的重點是夾持器和特型指棒。研究證明：工具的形狀決定了焊縫金屬塑性加熱、熱塑性材料 的流動和鍛造形式；夾持器的尺寸決定了焊縫 的尺寸、焊接速度；工具材料決定了摩擦加熱速度、夾持器的強度、工件溫度；所以，夾持器決定了焊縫的最終質量。在各國的專利中，為了焊接出最好的力學性能和冶金性能、完全 無氣孔、光滑表面的焊縫，對各種各樣的特型指棒的形狀分別作了研究；對圓柱形夾持器的直徑 2何形狀、焊接速度 ω、向下的作用力 F 以及 焊接材料厚度 W 的最佳配合作了研究，得出了以下結論： 一種最新的非常適合于焊接鋁合金的工藝技術，具有焊接變形小、質量高和成本低等優點。雖然發展時間不長，在運載火箭貯箱制 造等領域已經獲得應用，并在進一步 擴大。由于這種焊接工藝在航空航天工業部門的重要性，又極具潛力，目前關鍵性的焊接規范參數和工具技術還處于保密階段。我國應要盡早開展 航天工業上的研究，用于高強度鋁合金制造的產品中。 n 1991, is in to in of as 996, to of In 997 in of a of in of as I V 999 2000 as on of to of 002, ir by SW 2 of he of as a a to to At no of in of of of of is a in of , a a to be is of So of of of in a SW as of no it is an at is a to of be of of of a nd so to be " to 2 7090,2090 195 In or is or of be as by of of be 3 SW in of as a a of of a If in of 4 is a is a 0 In of a of is to . is a In to 1) to a of is (2) of is o to of by be It a by d: a. in in of a In 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