1.1 搅拌摩擦焊简介

1.1.1 焊接原理以及参数

搅拌摩擦焊原理图

图1-1形象的表达出了搅拌摩擦焊接的过程, 在焊接时, 左右两边的工件在压紧力的作用下压紧, 搅拌头上的焊针在电动机的驱动下以一定的加速度缓慢旋入两焊件之间, 当速度达到指定速度后开始与焊件沿焊缝方向发生相对运动, 焊接开始时，焊针的旋转以及与焊件之间的摩擦产生摩擦热, 速度的不断升高,导致摩擦面处热量也相应的增加, 这个时候的金属不在是固体，而是呈黏塑性, 在这种相对运动的挤压下, 相对运动也同时发生在了黏塑性金属的内部, 在热激活作用下, 动态再结晶重新使金属变回固体形态。焊合区的金属在塑性流动之后发生的再结晶的作用下, 达到了左右焊件连接一起的目的, 这样便完成了焊接过程。

在整个搅拌摩擦焊接过程中, 单位长度焊缝上的热输入量和材料在搅拌焊头的作用下产生的塑性流动状态是决定焊缝质量的至关重要的因素。搅拌头肩部的压力、半径、摩擦系数等等的参数决定了焊接线能量的大小。当焊接时的搅拌头选定时,也就是其轴肩的直径变为了定值, 让电机控制压力恒定,则转速与焊速之比成为决定线能量的唯一变量。这样选取恰当的线能量, 即转速与焊速比适当, 便可获得良好的接头性能。焊接时, 如果转速/焊速中的分子过小或者分母过大, 便会导致比值变小, 也就是焊接时得线能量较低, 这样带来的直接后果就是金属获得的热量不足已到达黏塑性状态, 这样形成的焊缝质量不好, 更甚者焊缝表面出现变形。我们可以调节电机控制转速与焊速适当,n/v也不会太小, 这样焊缝得到的线能量满足, 便可得到高质量的焊缝。当n/v中分子过大或者分母过小时,比值较大, 这样焊缝得到过多的热量, 这样的结果就是得到的焊缝质量因过热而质量较差。

1.1.2 搅拌摩擦焊焊头

搅拌头是搅拌摩擦焊接设备的核心部件, 它是材料连接和焊缝形成的基础。搅拌针和轴肩是搅拌头的两个组成部分。不同的设计者对搅拌头结构设计的考虑不同，把轴肩和搅拌头设计成一体是个不错的选择, 搅拌头与轴肩的分离无意是大众化的选择, 搅拌头做成能够自由变化长度的设计新奇而且实用, 这样会因为搅拌针的伸缩量对不同厚度的板进行焊接。不同形状和结构的搅拌头决定了塑性流动、加热及流动量等效果的不同, 并且会带来摩擦生热的多少、焊缝形状以及力学性能的差异。因此, 不断的研究更新搅拌头的结构, 将会是搅拌摩擦焊这项技术的前景、被焊接材料类型、焊接头质量以及此项技术的应用未来如何的关键。迄今为止,现有的搅拌头形式已经多种多样：方型、三角形、偏心圆、表面开槽等, 因为形状的不同会导致焊接时受力不同, 并且对焊缝金属的塑性流动会起到一些积极作用。搅拌头的功能不能小觑：（1）被焊接材料的加热软化是其最主要作用（2） 在于焊缝接触处初期破坏其表面氧化物（3） 搅拌头的旋转挤压促使材料的塑性流动等。搅拌头的功能远不止这些，不断去优化设计搅拌头与轴肩结构，并且尝试各种新型材料, 对未来焊接高强度合金和焊接质量优化都具有深远意义。成功的经验告诉人们, 焊接件厚度与搅拌头直径之比在0.9到1.1时, 得到的焊接头质量会更好。搅拌针直径是搅拌头直径的1/3时, 如果采取的工艺条件适当，可能会得到更高质量的焊缝。

为了扩宽搅拌摩擦焊接能够焊接的材料，去适应强度、刚度和熔点更高的材料, 搅拌头的材料选择时就必须去考虑那些高强度，高硬度的材料,, 因为材料的选取时强度刚度过高而给搅拌头制作时的加工工艺带来了挑战。被焊接材料的性能决定了搅拌头制作时的材料选择, 被焊接材料性质软（如镁合金、铝合金等）时, 搅拌头材料使用钢即可；对熔点比较高的材料（如钢、钦合金等）焊接时, 搅拌头的设计方式及其思考的注意事项也不相同, 所以选择材料也各异, 需要用高温、高强度、耐磨和强韧性的材料（如硬质合金或多晶立方氮化硼）。