摩擦焊中的搅拌摩擦焊是一种快速发展的焊接技术,自发明以来,其工业化应用进程迅速。
虽然目前国际上尚未有统一的术语标准,但业界已通过搅拌摩擦焊专利许可协会的推动,对相关通用术语有了明确的定义。
主要的术语包括搅拌头、搅拌头轴肩、搅拌针、前进侧和回转侧等,它们在焊接过程中起着关键作用。
搅拌摩擦焊是一种在机械力和摩擦热作用下实现固相连接的方法。
焊接过程中,带有特殊结构的搅拌头缓缓插入被焊接材料,摩擦产生的热量使材料热塑化,随后在摩擦和锻压的作用下形成紧密连接。
此技术特别适合自动化和机器人操作,对有色金属如铝、铜、镁、锌等的连接具有显著优势,高效、节能且环保。
然而,这项技术并非无懈可击,如可能存在匙孔现象(但已有所改进),机械力较大,设备要求刚性,操作灵活性较弧焊低,且无法进行添丝焊接。
搅拌摩擦焊对材料适应性强,能焊接各种铝合金,尤其在低热输入下,焊接接头性能优良,连同一些难以熔焊的金属如Al-Cu和Al-Zn合金也能胜任。
除了传统应用,搅拌摩擦焊也拓展到了镁合金、锌合金、铜合金、铝基复合材料、不锈钢、钛合金甚至高温合金的焊接。
它能轻松实现异种材料连接,如铝合金与钢板或铜铝复合材料的焊接。
在厚度方面,从极薄的0.4mm铝板到100mm厚的铝合金材料,甚至180mm厚的对接板材,都可实现单道或多道焊接。
作为长直规则焊缝的理想选择,搅拌摩擦焊还可用于2D、3D结构的焊接,如筒形零件的环缝和纵缝,以及全位置空间焊接。
图2展示了各种复杂接头形式,如多层对接、T形和V形接头等。
相较于传统TIG和MIG焊接,搅拌摩擦焊在接头力学性能上表现出明显优势,焊接质量稳定,一致性好。
搅拌摩擦焊工作原理示意图
搅拌摩擦焊(FSW)是一种独特的机械连接技术,它通过旋转工具产生的摩擦热实现金属的连续固相连接。
在这个过程中,焊接工具(搅拌头)在焊机中旋转,与材料摩擦产生热量,使材料变得可塑。
当搅拌头移动并接触待焊接的界面时,材料在锻造作用下沿工具路径从前面转移到后面,从而形成坚固的焊接接头,无需熔化材料。
FSW在多个行业得到了广泛应用。
在造船和近海领域,如SuperLinerOgasawara的铝板焊接,以及斯堪的纳维亚铝挤压公司的船舶面板制造。
航空航天领域,SpaceX的火箭助推罐和联合发射联盟的运载火箭也采用FSW进行焊接。
汽车制造业,如福特GT的铝制部件和林肯轿车的发动机支架,也得益于FSW的高效连接。
铁路行业中,日立A列车和AlstomLHB列车的车体也采用了FSW技术。
此外,FSW还被用于制作外墙板、工业设备如螺旋桨和热交换器,甚至在个人电脑(如iMac)的部件连接中也可见其身影。
在3D打印材料连接中,FSW也显示出良好的效果,能够提供无缺陷的焊缝。
FSW技术的优势明显:接缝可靠性高,无熔渣和气泡问题,保证了与基材的紧密连接;适合高混合小批量生产,专用设备使得定制零件成为可能,且生产过程一体化,保证了高质量;而且能够保持材料的高强度,无需整个材料加热,不会降低材料性能。
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