高效搅拌摩擦焊设备优化推荐

2023-07-02 理论教育版权反馈

【摘要】：在搅拌摩擦焊过程中，搅拌针的形状对摩擦产热及金属的塑性流动状态有重要作用。根据焊接对象的不同，搅拌摩擦焊设备有多种类型。通常搅拌摩擦焊设备的主要部件有：搅拌头、机械转动系统、行走系统、控制系统、工件夹紧机构和刚性机架等。常见的搅拌摩擦焊设备结构有C形、龙门式和悬臂式等。图7-123和图7-124为典型的筒段纵缝立式搅拌摩擦焊设备和筒段环缝卧式搅拌摩擦焊设备。

1.搅拌头设计

搅拌头作为搅拌摩擦焊技术的核心，决定了可使用的被焊材料的种类和厚度，越来越受到广大研究人员的重视。搅拌头包括搅拌针和轴肩两部分，轴肩的直径大于搅拌针的直径。搅拌针在焊接过程中不但提供主要的焊接热量，还起到机械搅拌作用。在焊接过程中轴肩与被焊材料的表面紧密接触，防止塑化金属材料的挤出和氧化，同时搅拌轴肩还可提供部分焊接所需要的搅拌摩擦热。因此，轴肩和搅拌针的几何形貌和尺寸决定了焊接过程的热输入，并影响着焊接过程中搅拌头附近塑性软化材料的流动形式。

在搅拌摩擦焊过程中，搅拌针的形状对摩擦产热及金属的塑性流动状态有重要作用。搅拌针形状设计合理，会使焊接区摩擦产热功率提高，热塑性金属易于流动，焊接工艺性好。目前，搅拌针的形状主要有圆柱形、圆台形、圆柱螺纹式、锥形螺纹、三槽锥形螺纹式、偏心圆式、非对称式以及伸缩式等。其中螺纹式搅拌针在旋转的同时产生向下的压力，更有利于焊缝金属的焊合及成形。偏心式搅拌针可增大摩擦面积并使热塑性金属在搅拌针周围更易于流动。图7-120为英国焊接研究所（TWI）开发的Whorl系列三槽锥形螺纹搅拌头，可以在6mm厚的铝合金挤压型材上连续焊接上千米而不用更换。

图7-120 TWI开发的Whorl系列搅拌头

常用的轴肩设计包括凹形轴肩、平整轴肩和凸形轴肩三种。凹形轴肩可保证轴肩端部下方的软化材料受到向内方向力的作用，从而有利于将轴肩下方形成的软化材料收集到轴肩端面的中心以填充搅拌针后方所形成的空腔，并防止金属材料在搅拌头旋转时挤压出去，同时还可减少焊接过程中搅拌头的应力集中而保护搅拌针。为了使轴肩和软化材料能够更加紧密地耦合在一起，在轴肩上一般要加工出规则的几何图案，常见的几种轴肩形式如图7-121所示。

图7-121 各种不同形式的轴肩

以镁合金的搅拌摩擦焊为例，采用两种不同形状搅拌针的搅拌头进行焊接。结果表明，图7_-122a的圆柱形搅拌头施焊时接头表面成形差，往往出现表面沟槽或在焊缝内部出现孔洞及隧道型缺陷。图7-122b的凹形轴肩锥形搅拌头容易得到外观成形良好、无宏观缺陷的接头。

图7-122 搅拌头形状及镁合金焊缝

a）圆柱形搅拌头 b）凹形轴肩锥形搅拌头 c）凹形轴肩锥形搅拌头的焊缝外观

搅拌针的直径过小时，摩擦产生的热量不足，焊接区热塑件金属的流动性差。搅拌针的直径过大时，焊接区截面尺寸增大，热影响区变宽，同时搅拌针向前移动时阻力增大。搅拌针的长度与焊缝的背面成形有关。搅拌针过短，背面焊不透。搅拌针过长易过热，导致成形较差。搅拌针长度的选取与其直径有关。当搅拌针的直径较大时，则可以略短。

在薄板的搅拌摩擦焊接中，轴肩与焊件的摩擦热占很大比重，因此轴肩尺寸直接影响着焊接热输入的大小，从而影响焊缝的质量。肩部尺寸过大，热输入量增加，势必导致热影响区尺寸增大，同时焊件易产生变形。肩部尺寸过小，则需通过增大旋转速度或降低焊接速度的方式保证热输入量，不利于节能、降耗和提高生产效率。一般情况下，搅拌头的肩部直径与搅拌针直径的比值为1.5～4时，易获得高质量的焊缝。

由于搅拌头要产生并承受摩擦热，一般采用高强度、耐高温磨损材料制成。焊接低熔点金属的搅拌头，采用工具钢即可。对于高熔点金属和合金的焊接，搅拌头的材料要求较高。当需要采用昂贵材料制造搅拌头时，搅拌针和轴肩可以采用不同的材料，制成复合式搅拌头，尤其轴肩的夹持部分可选用价格低廉的材料。另外，为了方便搅拌针几何结构的加工，有时也需要单独制作搅拌针和轴肩，然后通过机械螺纹连接等手段将搅拌针和轴肩连接起来。对于搅拌头的设计，还要考虑在焊接过程中对其进行冷却，这有助于提高搅拌头的使用寿命。常见的主要有内部冷却和外部冷却，冷却方式又有水冷、风冷和雾冷等。

2.设备

搅拌摩擦焊设备是推广和应用搅拌摩擦焊技术的基础。根据焊接对象的不同，搅拌摩擦焊设备有多种类型。通常搅拌摩擦焊设备的主要部件有：搅拌头、机械转动系统、行走系统、控制系统、工件夹紧机构和刚性机架等。常见的搅拌摩擦焊设备结构有C形、龙门式和悬臂式等。

目前国内已能制造各种规格搅拌摩擦焊设备以及系列搅拌头，这些焊接设备可以完成纵向直缝、T形焊缝、环缝等接头形式的搅拌摩擦焊，焊接厚度一般小于20mm，主要应用于铝合金、镁合金等的焊接。图7-123和图7-124为典型的筒段纵缝立式搅拌摩擦焊设备和筒段环缝卧式搅拌摩擦焊设备。

图7-123 立式搅拌摩擦焊设备

图7-124 卧式搅拌摩擦焊设备

表7-40为平板直缝搅拌摩擦焊专用设备的技术数据和性能特点，图7-125为列车48m长地板动龙门搅拌摩擦焊设备。

表7-40 平板直缝搅拌摩擦焊专用设备的技术数据和性能特点

针对传统龙门式搅拌摩擦焊设备难以满足空间复杂曲线轨迹的焊接，结合重载机器人的高柔性、多自由度的特点，可实现空间任意曲线轨迹的高精度搅拌摩擦焊，工业重载机器人与各类搅拌头（如点焊、双轴肩、静轴肩等）的组合应用，提高了焊接柔性和自动化程度，扩展了搅拌摩擦焊的应用领域。国内新研制的搅拌摩擦焊机器人，该系统借助滑轨的工作范围可达6000mm×1600mm，实现1～8mm厚铝合金空间焊缝的焊接。

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