紫铜搅拌摩擦焊搅拌头结构设计 及工艺试验研究.ppt

搅拌摩擦焊过程是一个复杂而多变的焊接系统，FSW焊接过程中始终存在各种各样的约束，这些约束包括加工系统约束、搅拌工具约束、焊接母材约束等。在进行FSW的实验研究时，首先应满足FSW的焊接质量要求。获得优异的焊缝质量是FSW的主要目的，只有在满足焊缝质量的前提下，对FSW其他方面的研究才有意义。然而，在研究这些约束对FSW焊接过程的影响时，不可能把所有约束都考虑在内，只能选择若干对FSW焊接过程中有较大影响的约束进行研究分析。通过对FSW焊接系统的多约束分析，可以明确焊接系统中的约束特征和研究对象，从而达到优化焊接系统的目的。 * 1本实验过程中采用的焊接主轴是多功能主轴。通过该主轴不仅能够进行单轴肩实验，同时还能够进行回抽式搅拌焊的研究和双轴肩搅拌焊的研究。本文仅利用该主轴进行单轴肩搅拌头的焊接实验。 2测力系统主要对焊接过程中的前进抗力和顶缎力两方面进行测量。 3测温装置对焊接过程中的搅拌头轴肩温度进行测量。 * 采用H13材料的搅拌头进行焊接试验时，搅拌针的根部直径和针长直到断裂前均没有发生明显的变化。但是搅拌针的表面颜色在第一次焊接时就发生明显的改变，而且随着焊接距离的增加，搅拌头表面颜色逐渐加深变黑。H13钢搅拌头在焊接2.1m左右的距离后发生熔断。 采用GH4169搅拌头进行焊接试验时，搅拌针尺寸在开始阶段就发生了明显变化：搅拌针的长度变短，而根部直径变大。即搅拌头发生了镦粗现象。 采用YG8材料搅拌头进行焊接试验时，搅拌头可以平稳地扎入被焊母材，但是在水平进给的瞬间，搅拌针发生脆性断裂。 * 由于板厚不同，要焊透铜板需要采用不同尺寸的搅拌头和焊接工艺参数，板材越厚，搅拌针越长，轴肩越大，转速越快，从而提供更多的热输入量，使焊缝底层的金属材料达到塑化状态。 如图是在不同工艺参数下的焊接情况。都可以得到较好的表面焊缝。 * 由图可知，搅拌头在焊接8mm铜板时的顶锻力和前进抗力都为最大。原因在于随着母材厚度的增加，要焊透母材，得到良好的焊缝，必须增加热输入量。本实验采用增加下压量的方法达到这一目的。随着下压量的增加，金属材料对搅拌头的阻力也增加，顶锻力和前进抗力的数值也随之增加。 经多次实验后发现，采用H13钢制作的搅拌头，4mm搅拌针在焊接5m的距离后，尺寸没有发生明显的变化，仍然可以继续焊接。6mm搅拌针发生熔断时的焊接距离为2.1m左右，而8mm搅拌针发生熔断时的焊接距离为1.12m左右。 可见，随着被焊母材厚度的增加，搅拌头的使用寿命越低，对搅拌头的性能要求越高。 * 1#与2#焊缝产生缺陷的主要原因在于搅拌头的轴肩较小，产生的热量不足以使紫铜板充分塑化所致。3#、4#、5#、6#搅拌头轴肩的尺寸基本相同，因此通过轴肩摩擦产热的数量基本相同，焊缝成型较好，外观看起来无缺陷；搅拌针结构的不同，影响了搅拌头对塑性材料的搅拌效果，而这些区别无法通过观察焊缝外观进行判断，因此，为了判断焊缝质量的好坏，通过拉伸实验对焊后接头进行力学性能测试。 * 方法为在每个焊接试件上沿着焊缝方向依次制备拉伸试样，每条焊缝截取3个拉伸试样并进行拉伸试验，对3组数据的拉伸强度测试结果进行记录，取平均值作为参考量。 * 灰色理论方法提供了一种解决系统数据离散，样本少，信息不完全的分析方法，能够对系统内的多种影响因素进行分析，确定主要影响因素。 * * 通过灰色理论分析和单因素分析都得出下压阶段过程中，搅拌头旋转速度对顶缎力的影响程度大于下压速度。由两种方法的分析过程可以看出，灰色理论分析法与单因素分析法相比，具有明显的优势。首先，采用灰色理论的分析所需要的实验数据少，在保证实验数据正确的前提下，只需要三组数据即可以进行分析计算。其次，灰色理论在计算过程中将约束的增量与特征增量都包含在内，一定程度上提高了分析的准确性。最后，如果增加系统约束的数量，采用灰色理论分析不需要再增加实验次数，但是采用标准的分析法，如正交分析法或单因素分析法，则需要增加更多的实验数量来确保分析结果的可靠性。 * 结合FSW的工艺过程，对上述现象进行分析，可知：顶锻力的最大值出现在下压阶段。开始阶段搅拌头与母材之间为刚性接触，顶锻力在接触瞬间突然增大。随着搅拌针的插入，顶锻力仍不断增大。当搅拌头下压至最低点时，顶锻力值达到最大。搅拌头停留阶段，搅拌头轴肩温度由于摩擦产热呈直线上升趋势，被焊母材发生塑性软化，顶锻力的大小有一定的下降。搅拌头水平焊接瞬间，搅拌针受到水平方向的前进抗力突然增大。并且随着焊接过程的进行，温度和前进抗力均呈现缓慢上升趋势，而顶锻压力则处于相对稳定状态。 * 综上：在FSW稳定焊接阶段，搅拌头下压量对顶锻力的影响程度最大，其次是搅拌针的结构尺寸（根部直径和针长），而主轴转速和焊接速度的影响程度较小。对于紫铜搅拌摩擦焊过程中轴肩温度和前进抗力