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1、新型船舶制造技术-搅拌摩擦焊《热加工工艺》 2004年第1期生产技术与应用 53新型船舶制造技术-搅拌摩擦焊NewShippingMakingTechnology-WhipSolder栾国红1,南利辉1,孙成彬1,关桥2(1.中国搅拌摩擦焊中心,北京100024;2.北京航空制造工程研究所,北京100024)摘 要:对搅拌摩擦焊的原理、特点以及在船舶制造工业中的应用进行了阐述,并且对搅拌摩擦焊在中国船舶制造领域的应用进行了展望。关键词:搅拌摩擦焊;铝合金型材;船舶;制造中图分类号:TG453+.9文献标识码:B:2(203Ξ (
2、1991技术,新的一页。随着搅拌摩擦焊的发明和发展,用搅拌摩擦焊来实现高集成度的预成型模块化制造来代替传统的船舶平板-加强件结构的制造,是船舶制造领域革命性的进步。在国外船舶制造领域,搅拌摩擦焊得到了深入细致的研究和开发,并且得到了成功的应用。基于搅拌摩擦焊在焊接方法、力学性能、制造成本以及环境等方———————————————————————————————————————————————面的巨大优越性和潜在的工业应用前景,2002年4月,北京航空制造工程研究所与TWI在全面专利许可和技术合作基础上成立的中国搅拌摩擦焊中心,标
3、志着搅拌摩擦焊事业在中国的正式开始。预计在不远的将来,搅拌摩擦焊在中国的船舶制造业中会有广泛的应用。2 铝合金材料的搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊几乎可以焊接所有系列的铝合金材料,其中包括以前传统焊接方法认为“不可焊接”的沉淀强化高强铝合金材料;对于异种材料的连接,搅拌摩擦焊也具有较大的优越性,如搅拌摩擦焊不仅可以实现2024??6061以及2024??7075等不同牌号铝合金材料的焊接,还可以实现铜合金和铝合金等不同种材料的焊接。经过多年研究,目前搅拌摩擦焊可以焊接厚度为1～75mm的铝合金材料(图2所示为单道焊接的20mm厚的搅拌摩擦
4、焊接头),焊接速度从5mm??s到8000mm??min。1 搅拌摩擦焊原理搅拌摩擦焊(简称FSW)的原理如图1所示,其中搅拌头由特殊形状的搅拌指棒和轴肩组成,搅拌指棒的形状比较特殊,一般要用具有良好耐高温力学和物理特性的抗磨损材料制造,焊接过程中搅拌指棒要旋转着插入被焊材料的结合界面处,并且沿着待焊界面向前移动,搅拌指棒长度一般略小于被焊材料的厚度。搅拌摩擦焊对于轻合金材料如:铝合金、镁合金、锌合金等的连接在焊接方法、力学性能和生产效率上具有其他焊接方法不可比拟的————————————————————————————————
5、———————————————优越性;由于焊接温度一般低于材料的熔点,所以搅拌摩擦焊是一种固态连接方法,焊缝接头具有优良的力学性能和很小的焊接变形,焊接过程中不需要保护气和焊丝,没有熔化、烟尘、飞溅、弧光,是一种环保型的新型连接技术。目前,搅拌摩擦焊可以实现对接、搭接、角接等多种结构形式的连接,搅拌摩擦焊在轻合金结构件的制造中得到了越来越广泛的应用。Ξ图1 搅拌摩擦焊原理图图2 铝合金搅拌摩擦焊接头在搅拌摩擦焊接头的宏观组织上(图3),可看出搅拌摩擦焊接头由四个区组成,从焊缝中心区域到母材金属分别为:(a)动态再结晶区(焊核区)
6、,(b)热2机高质量的焊核部影响区,(c)热影响区,(d)母材金属。位存在一个致密均匀的“漩涡环”状结构,其外围是热2机影响区,此区域材料发生塑性变形和部分再结晶;实际焊接过程中搅拌摩擦焊接头的焊接接头形状会随着材料、搅拌头的形状以及所使用的焊接参数的不同发生明显的变化,焊接中心区域的尺寸一般稍大于特形搅拌棒的直径,但是远小于搅拌头轴肩的直径。收稿日期:2003210230作者简介:栾国红(19692),男,河北人,高级工程师。?1994-2006ChinaAcademicJournalElectronicPublishingH
7、ouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net———————————————————————————————————————————————54 HotWorkingTechnology 2004No.1焊连接。其中(c)为梯形封闭箱型挤压型材结构,由于这种结构具有很好的抗扭曲结构强度和结构刚度,容易保证结构件装配时的尺寸精度和平面度,并且对于搅拌摩擦焊具有较大的开敞性,所以在船舶结构制造中很快得到应用;另外此结构梯形顶端设计具有较低的凸缘,可以帮助装夹和固定电缆以及通水、通气管线,避免在结
8、构件上进行焊接和螺栓连接,破坏船体结构的完整性。图3 搅拌摩擦焊宏观接头组织由于搅拌摩擦焊接头是精细的固态锻造组织,其力学性能指标一般接近或优于母材;在搅拌摩擦焊接头的热影响区,硬度指标一般会有一定程度的降低,但可以通过控制焊接热输入,经过热处理和时效,接头会恢
