攪拌摩擦焊技術(shù)

1、說課人：王小明,1 說課,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。重點與難點：攪拌摩擦焊的基本原理；攪拌摩擦焊的工藝特點及重要的工藝參數(shù)。知識目標(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；了解其發(fā)展及應(yīng)用。能力目標(biāo)：培養(yǎng)學(xué)生對攪拌摩擦焊的工藝設(shè)計能力。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,授課對象：大學(xué)三年級第二學(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，其課程內(nèi)容已經(jīng)簡單的介紹了常見的焊接工藝，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。因此通過攪拌摩擦焊的學(xué)習(xí)，使學(xué)生對焊接技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用進(jìn)行全面的學(xué)習(xí)和運用。,1.3 教學(xué)設(shè)計,教學(xué)方法：采用圖形結(jié)合及動畫演示教學(xué)，重點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：采用圖片展示和動畫演示的分析方法，啟發(fā)學(xué)生自主分析攪拌摩擦焊的原理與工藝，同時培養(yǎng)學(xué)生實際運用和操作能力。,攪拌摩擦焊,主講：王小明,2 講課,1991年,英國焊接研究所（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制造商廣泛用于鋁合金車體的制造中，在列車制造領(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，英國焊接研究所在中國申請了攪拌摩擦焊技術(shù)發(fā)明專利，并于1999年正式獲得國家專利局批準(zhǔn)。,? 2002年，英國焊接研究所與中國航空工業(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、化運營實體），致力于在中國地區(qū)（包括臺、港、澳）推廣這項新技術(shù)。,中國第一臺12m長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，首先將焊件牢牢地固定在工作平臺上，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)與其周圍母材摩擦產(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，攪拌焊頭邊旋轉(zhuǎn)邊沿著接縫與焊件做相對運動，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，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程，可以分解為4 個不同階段： 旋轉(zhuǎn)、插入、焊接、離開。,旋轉(zhuǎn),插入,焊接,離開,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,攪拌摩擦焊具有的優(yōu)點：,⑴ 攪拌摩擦焊是一種固相連接技術(shù)，接頭性能優(yōu)異。。,⑵ 焊前不需要開坡口，可以節(jié)省焊前準(zhǔn)備工時。,⑶ 焊接過程中不需要保護(hù)氣，也不需要填充材料。,⑷ 焊接過程容易實現(xiàn)自動化，可以實現(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：,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 焊接過程中無飛濺、無弧光、

9、無輻射，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,攪拌摩擦焊存在的主要問題：,（1）焊縫無增高, 在接頭設(shè)計時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。,（2）需要對焊縫施加大的壓力，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，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，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,攪拌摩擦焊存在的主要問題：,（4）被焊零件需要由一定的結(jié)構(gòu)剛性或被牢牢固定來實現(xiàn) 焊接；在焊縫背面必須加一耐摩擦力的墊板。,（5）要求對接頭的錯邊量及間隙大小必需嚴(yán)格控制。,（6）目前只限于對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,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式感應(yīng)線圈來當(dāng)作熱源。當(dāng)材料受到熱能作用后將會產(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。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,亦不會造

12、成旋轉(zhuǎn)工具的過度磨損。,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。可用于碳鋼、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。對于解決高熔點金屬攪拌摩擦焊接的難題提供了新的研究思路和方法，對于快速高效的低熔點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成為研究熱點。不同材料的攪拌摩擦焊焊接工