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攪拌摩擦焊接技術(shù)

攪拌摩擦焊接（FSW）是一種固相焊技術(shù)，于1991年由英國(guó)焊接研究所發(fā)明。在FSW過(guò)程中，高速旋轉(zhuǎn)的攪拌工具插入工件，依靠攪拌工具的軸肩與工件之間的摩擦熱使工件軟化，以及攪拌針對(duì)工件的強(qiáng)烈塑性變形和混合作用，使材料發(fā)生強(qiáng)烈的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，在熱塑性狀態(tài)下完成焊接，最終獲得了具有等軸細(xì)晶組織的高質(zhì)量焊接接頭（圖1）。由于FSW的固態(tài)焊接特征，因此避免了接頭的氣孔、熱裂紋、偏析等凝固缺陷。FSW與傳統(tǒng)熔焊相比，具有高效、低耗、無(wú)弧光、接頭殘余應(yīng)力小、無(wú)焊接材料填充、工件變形小、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。

圖1攪拌摩擦焊接示意圖

目前，F(xiàn)SW主要集中在各類鋁合金構(gòu)件的連接，并被廣泛用于航空航天、艦船、軌道交通等領(lǐng)域中的火箭燃料箱、汽車門(mén)板、高鐵車廂地板、新能源汽車電池冷卻托盤(pán)等（圖2）。然而目前FSW關(guān)于銅、鈦、鋼鐵、不銹鋼、鋯等金屬材料的應(yīng)用則相對(duì)較少。

圖2 攪拌摩擦焊接的應(yīng)用

  本公司儲(chǔ)備了鋁合金、鎂合金、銅合金、低合金高強(qiáng)鋼、不銹鋼、鋯合金等金屬材料的FSW焊接技術(shù)。開(kāi)發(fā)出了FSW環(huán)縫焊接設(shè)備，可對(duì)各類金屬的環(huán)形焊縫進(jìn)行全自動(dòng)對(duì)接，并可獲得高質(zhì)量的焊接接頭，可廣泛應(yīng)用在陸地、海上石油管道以及核電、石化反應(yīng)器等的強(qiáng)耐蝕管道對(duì)接。本公司還可開(kāi)發(fā)攪拌摩擦焊裝備，包括一維、二維平面、二維曲面的龍門(mén)式攪拌摩擦焊接設(shè)備，以及工業(yè)機(jī)器人攪拌摩擦焊機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)多軸聯(lián)動(dòng)，適用于點(diǎn)焊、縫焊、角焊、平面焊、曲面焊等各類形狀焊接。本公司可根據(jù)焊接材料和形狀的不同提出具有針對(duì)性的材料加工和焊接工藝，可根據(jù)用戶焊接產(chǎn)品的不同，進(jìn)行專門(mén)化、符合用戶使用要求的設(shè)計(jì)，并承接攪拌摩擦焊機(jī)相關(guān)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)項(xiàng)目。
  在國(guó)際上率先將FSW與熱軋復(fù)合相結(jié)合，開(kāi)發(fā)出真空FSW軋制復(fù)合技術(shù)，并將該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到了高合金臨氫鋼特厚板以及高合金臨氫鋼/不銹鋼等異種金屬?gòu)?fù)合板，以及采用真空電子束或熔焊無(wú)法封裝的金屬材料，達(dá)到了非常好的焊接效果。

  目前已形成攪拌摩擦焊接系列產(chǎn)品，具體型號(hào)分類和相關(guān)性能指標(biāo)如下：

  （1）管材攪拌摩擦焊設(shè)備

圖3 管材攪拌摩擦焊機(jī)

圖4 6061鋁合金管和X80鋼管環(huán)縫

  主要性能指標(biāo)如下：
  ● 用于對(duì)筒類焊接材料進(jìn)行焊接；
  ● 焊接材料：鋁、銅、鈦等有色金屬及合金鋼；
  ● 焊管直徑范圍：Φ168mm~Φ273mm；
  ● 焊頭徑向移動(dòng)速度：0-500mm/min；
  ● 焊接速度：30~300 mm/min；
  ● 攪拌頭最大轉(zhuǎn)速：2000rpm；
  ● 焊接下壓力可達(dá)：10噸；
  ● 焊具水冷；
  ● 可水平移動(dòng)，避免產(chǎn)生焊針留孔；
  ● 主電機(jī)功率：22kW。

  （2）板材攪拌摩擦焊設(shè)備

圖5 龍門(mén)系列攪拌摩擦焊設(shè)備

圖6 X100 管線鋼的FSW接頭

圖7 奧氏體不銹鋼的FSW接頭頭

圖8 鋯合金的FSW接頭

  ● 性能指標(biāo)如下：
  ● 焊接材料：鋁合金、銅合金及鋼合金等；
  ● 床身形式：龍門(mén)式；
  ● 焊接行程：根據(jù)焊件規(guī)格進(jìn)行具體設(shè)計(jì)；
  ● 傾角：0-5°；
  ● 焊深：≤60mm。
  （3）工業(yè)機(jī)器人攪拌摩擦焊機(jī)
  ● 主要性能指標(biāo)如下：
  ● 適用焊接材料：鋁、銅、鎂等有色金屬；
  ● 機(jī)械手廠商：酷卡；
  ● 機(jī)械手軸數(shù)：6軸；
  ● 工作范圍：3200mm；
  ● 適用焊縫類型：點(diǎn)焊、縫焊、角焊；
  ● 焊深：1mm-20mm。

圖9工業(yè)機(jī)器人攪拌摩擦焊機(jī)

（4）真空平面三維抽針式攪拌摩擦焊設(shè)備
此外，我們?cè)趪?guó)際上率先將FSW技術(shù)與熱軋復(fù)合相結(jié)合，開(kāi)發(fā)出真空攪拌摩擦焊軋制復(fù)合技術(shù)，儲(chǔ)備了鋁合金、銅合金等有色金屬?gòu)?fù)合板焊接技術(shù)，并將該項(xiàng)技術(shù)用于高合金臨氫鋼/不銹鋼異種復(fù)合板的制備，獲得了高質(zhì)量的冶金結(jié)合界面。

圖10真空平面三維抽針攪拌摩擦焊設(shè)備

圖11 12Cr2Mo1R/316L不銹鋼復(fù)合板制備和界面組織

圖12板材真空攪拌摩擦焊機(jī)

  性能指標(biāo)如下：
  ● 用于對(duì)同種材料或異種材料進(jìn)行真空狀態(tài)下復(fù)合焊接；
  ● 適用焊接材料：鋁合金、銅合金、鈦合金等有色金屬；
  ● 設(shè)備真空度：≤10-2Pa；
  ● 真空箱室內(nèi)凈尺寸：1800mm×1800mm×2615mm；
  ● X軸行程：700mm；
  ● 焊接徑向力：22.5kN；
  ● X方向行進(jìn)速度：0-600mm/min；
  ● Y軸行程：260mm；
  ● 焊接軸向力：100kN；
  ● Y方向行進(jìn)速度：0-300mm/min；
  ● Z軸行程： 200mm；
  ● Z方向行進(jìn)速度：0-600mm/min。