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攪拌摩擦焊原理 攪拌摩擦焊方法與常規(guī)摩擦焊一樣。攪拌摩擦焊也是利用摩擦熱與塑性變形熱作為焊接熱源。不同之處在于攪拌摩擦焊焊接過(guò)程是由一個(gè)圓柱體或其他形狀(如帶螺紋圓柱體)的攪拌針(welding pin)伸入工件的接縫處，通過(guò)焊頭的高速旋轉(zhuǎn)，使其與焊接工件材料摩擦，從而使連接部位的材料溫度升高軟化。同時(shí)對(duì)材料進(jìn)行攪拌摩擦來(lái)完成焊接的。焊接過(guò)程如圖所示。在焊接過(guò)程中工件要?jiǎng)傂怨潭ㄔ诒硥|上，焊頭邊高速旋轉(zhuǎn)，邊沿工件的接縫與工件相對(duì)移動(dòng)。焊頭的突出段伸進(jìn)材料內(nèi)部進(jìn)行摩擦和攪拌，焊頭的肩部與工件表面摩擦生熱，并用于防止塑性狀態(tài)材料的溢出，同時(shí)可以起到清除表面氧化膜的作用。 在焊接過(guò)程中，攪拌針在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)伸入工件的接縫中，旋轉(zhuǎn)攪拌頭(主要是軸肩)與工件之間的摩擦熱，使焊頭前面的材料發(fā)生強(qiáng)烈塑性變形，然后隨著焊頭的移動(dòng)，高度塑性變形的材料逐漸沉積在攪拌頭的背后，從而形成攪拌摩擦焊焊縫。攪拌摩擦焊對(duì)設(shè)備的要求并不高，最基本的要求是焊頭的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即使一臺(tái)銑床也可簡(jiǎn)單地達(dá)到小型平板對(duì)接焊的要求。但焊接設(shè)備及夾具的剛性是極端重要的。攪拌頭一般采用工具鋼制成，焊頭的長(zhǎng)度一般比要求焊接的深度稍短。應(yīng)該指出，攪拌摩擦焊縫結(jié)束時(shí)在終端留下個(gè)匙孔。通常這個(gè)匙孔可以切除掉，也可以用其它焊接方法封焊住。針對(duì)匙孔問(wèn)題，已有伸縮式攪拌頭研發(fā)成功，焊后不會(huì)留下焊接匙孔。  攪拌摩擦焊接頭微觀組織 基于焊縫組織晶粒和析出強(qiáng)化相的微觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以把攪拌摩擦焊焊縫分為4個(gè)明顯的區(qū)域：焊核區(qū)(Stirred或Nugget Zone)、熱力影響區(qū)(Thermo-Mechanically Affected Zone，TMAZ)、熱影響區(qū)(Heat-Affected Zone，HAZ)以及母材(Base或Parent material)。 焊核區(qū)材料經(jīng)受的嚴(yán)重變形和摩擦熱，由晶粒尺寸為1-15μm不等的細(xì)小等軸再結(jié)晶組織組成。再結(jié)晶組織的內(nèi)部為低密度的位錯(cuò)，但也有發(fā)現(xiàn)再結(jié)晶組織的內(nèi)部卻有高密度的亞晶界、亞晶和位錯(cuò)。在鋁合金和其他有些的合金中焊核區(qū)可以觀察到類似“洋蔥環(huán)”結(jié)構(gòu)。 在母材和焊核區(qū)之間是攪拌摩擦焊特有的熱力影響區(qū)。熱力影響區(qū)的特征是存在高度變形的結(jié)構(gòu)。焊核區(qū)周圍母材晶粒被拉長(zhǎng)變形，盡管熱力影響區(qū)也經(jīng)歷了塑性變形，卻由于沒(méi)有足夠大的應(yīng)力，不發(fā)生再結(jié)晶。在熱力影響區(qū)也有強(qiáng)化相的溶解、粗化，這取決與熱力影響區(qū)經(jīng)歷的熱循環(huán)強(qiáng)度。熱力影響區(qū)晶粒通常由高密度的亞晶界組成。 熱影響區(qū)只受熱的影響，保持與母材相同晶粒結(jié)構(gòu)，但是受溫度的影響，晶粒的尺寸有明顯的長(zhǎng)大和強(qiáng)化相的粗化，熱影響區(qū)所經(jīng)歷的溫度對(duì)其所包含的亞晶影響較小。 攪拌摩擦焊的優(yōu)缺點(diǎn) 由于攪拌摩擦焊過(guò)程中熱輸入相對(duì)于熔焊過(guò)程較小，接頭部位不存在金屬的熔化，是一種固態(tài)焊接過(guò)程，在合金中保持母材的冶金性能，可以焊接金屬基復(fù)合材料、快速凝固材料等采用熔焊會(huì)有不良反應(yīng)的材料。 其主要優(yōu)點(diǎn)如下: (1)焊接接頭熱影響區(qū)顯微組織變化小.殘余應(yīng)力比較低，焊接工件不易變形。 (2)能一次完成較長(zhǎng)焊縫、大截面、不同位置的焊接接頭高。 (3)操作過(guò)程方便實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化，設(shè)備簡(jiǎn)單，能耗低，功效高，對(duì)作業(yè)環(huán)境要求低。 (4)無(wú)需添加焊絲，焊鋁合金時(shí)不需焊前除氧化膜，不需要保護(hù)氣體，成本低。 (5)可焊熱裂紋敏感的材料，適合異種材料焊接。 (6)焊接過(guò)程安全、無(wú)污染、無(wú)煙塵、無(wú)輻射等。 攪拌摩擦焊也存在一定的缺點(diǎn): 焊接工件必須剛性固定，反面應(yīng)有底板;焊接結(jié)束攪拌探頭提出工件時(shí)，焊縫端頭形成一個(gè)鍵孔，并且難以對(duì)焊縫進(jìn)行修補(bǔ):工具設(shè)計(jì)、過(guò)程參數(shù)和機(jī)械性能數(shù)據(jù)只在有限的合金范圍內(nèi)可得:在某種情況下，如特殊領(lǐng)域中要考慮腐蝕性能、殘余應(yīng)力和變形時(shí)，性能需進(jìn)一步提高才可實(shí)際應(yīng)用;對(duì)板材進(jìn)行單道連接時(shí)，焊速不是很高:攪拌頭的磨損消耗太快等。 攪拌摩擦焊的應(yīng)用 攪拌摩擦焊主要是用在熔化溫度較低的有色金屬，如Al、cu等合金。這和攪拌頭的材料選擇及攪拌頭的工作壽命有關(guān)。當(dāng)然，這也和有色金屬熔化焊接相對(duì)困難有關(guān)，迫使人們?cè)谟猩饘俸附訒r(shí)尋找非熔化的焊接方法。對(duì)于延性好、容易發(fā)生塑性變形的黑色材料，經(jīng)輔助加熱或利用其超塑性，也有可能實(shí)現(xiàn)攪拌摩擦焊，但這就要看熔化焊和攪拌摩擦焊哪個(gè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)更合理來(lái)決定。 攪拌摩擦焊在有色金屬的連接中已獲得成功的應(yīng)用，但由于焊接方法特點(diǎn)的限制，僅限于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的構(gòu)件，如平直的結(jié)構(gòu)或圓筒形結(jié)構(gòu)的焊接，而且在焊接過(guò)程中工件要有良好的支撐或村墊。原則上，攪拌摩擦焊可進(jìn)行多種位置焊接，如平焊，立焊，仰焊和俯焊;可完成多種形式的焊接接頭，如對(duì)接、角接和搭接接頭，甚至厚度變化的結(jié)構(gòu)和多層材料的連接，也可進(jìn)行異種金屬材料的焊接。
另外，攪拌摩擦焊作為一種固相焊接方法，焊接前及焊接過(guò)程中對(duì)環(huán)境的污染小。焊前工件無(wú)需嚴(yán)格的表面清理準(zhǔn)備要求，焊接過(guò)程中的摩擦和攪拌可以去除焊件表面的氧化膜，焊接過(guò)程中也無(wú)煙塵和飛濺.同時(shí)噪聲低。由于攪拌摩擦焊僅僅是靠焊頭旋轉(zhuǎn)并移動(dòng)，逐步實(shí)現(xiàn)整條焊縫的焊接，所以比熔化焊甚至常規(guī)摩擦焊更節(jié)省能源。
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