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搅拌摩擦焊接技术


  搅拌摩擦焊接(FSW)是一种固相焊技术,于1991年由英国焊接研究所发明。在FSW过程中,高速旋转的搅拌工具插入工件,依靠搅拌工具的轴肩与工件之间的摩擦热使工件软化,以及搅拌针对工件的强烈塑性变形和混合作用,使材料发生强烈的动态再结晶,在热塑性状态下完成焊接,最终获得了具有等轴细晶组织的高质量焊接接头(图1)。由于FSW的固态焊接特征,因此避免了接头的气孔、热裂纹、偏析等凝固缺陷。FSW与传统熔焊相比,具有高效、低耗、无弧光、接头残余应力小、无焊接材料填充、工件变形小、环境友好等优点。

图1搅拌摩擦焊接示意图
  目前,FSW主要集中在各类铝合金构件的连接,并被广泛用于航空航天、舰船、轨道交通等领域中的火箭燃料箱、汽车门板、高铁车厢地板、新能源汽车电池冷却托盘等(图2)。然而目前FSW关于铜、钛、钢铁、不锈钢、锆等金属材料的应用则相对较少。

图2 搅拌摩擦焊接的应用
  本公司储备了铝合金、镁合金、铜合金、低合金高强钢、不锈钢、锆合金等金属材料的FSW焊接技术。开发出了FSW环缝焊接设备,可对各类金属的环形焊缝进行全自动对接,并可获得高质量的焊接接头,可广泛应用在陆地、海上石油管道以及核电、石化反应器等的强耐蚀管道对接。本公司还可开发搅拌摩擦焊装备,包括一维、二维平面、二维曲面的龙门式搅拌摩擦焊接设备,以及工业机器人搅拌摩擦焊机,可以实现多轴联动,适用于点焊、缝焊、角焊、平面焊、曲面焊等各类形状焊接。本公司可根据焊接材料和形状的不同提出具有针对性的材料加工和焊接工艺,可根据用户焊接产品的不同,进行专门化、符合用户使用要求的设计,并承接搅拌摩擦焊机相关产品开发项目。
  在国际上率先将FSW与热轧复合相结合,开发出真空FSW轧制复合技术,并将该项技术应用到了高合金临氢钢特厚板以及高合金临氢钢/不锈钢等异种金属复合板,以及采用真空电子束或熔焊无法封装的金属材料,达到了非常好的焊接效果。

  目前已形成搅拌摩擦焊接系列产品,具体型号分类和相关性能指标如下:

  (1)管材搅拌摩擦焊设备

图3 管材搅拌摩擦焊机

图4 6061铝合金管和X80钢管环缝
  主要性能指标如下:
  ● 用于对筒类焊接材料进行焊接;
  ● 焊接材料:铝、铜、钛等有色金属及合金钢;
  ● 焊管直径范围:Φ168mm~Φ273mm;
  ● 焊头径向移动速度:0-500mm/min;
  ● 焊接速度:30~300 mm/min;
  ● 搅拌头最大转速:2000rpm;
  ● 焊接下压力可达:10吨;
  ● 焊具水冷;
  ● 可水平移动,避免产生焊针留孔;
  ● 主电机功率:22kW。

  (2)板材搅拌摩擦焊设备

图5 龙门系列搅拌摩擦焊设备

图6 X100 管线钢的FSW接头

图7 奥氏体不锈钢的FSW接头头

图8 锆合金的FSW接头
  ● 性能指标如下:
  ● 焊接材料:铝合金、铜合金及钢合金等;
  ● 床身形式:龙门式;
  ● 焊接行程:根据焊件规格进行具体设计;
  ● 倾角:0-5°;
  ● 焊深:≤60mm。
  (3)工业机器人搅拌摩擦焊机
  ● 主要性能指标如下:
  ● 适用焊接材料:铝、铜、镁等有色金属;
  ● 机械手厂商:酷卡;
  ● 机械手轴数:6轴;
  ● 工作范围:3200mm;
  ● 适用焊缝类型:点焊、缝焊、角焊;
  ● 焊深:1mm-20mm。

图9工业机器人搅拌摩擦焊机
  (4)真空平面三维抽针式搅拌摩擦焊设备
  此外,我们在国际上率先将FSW技术与热轧复合相结合,开发出真空搅拌摩擦焊轧制复合技术,储备了铝合金、铜合金等有色金属复合板焊接技术,并将该项技术用于高合金临氢钢/不锈钢异种复合板的制备,获得了高质量的冶金结合界面。

图10真空平面三维抽针搅拌摩擦焊设备

图11 12Cr2Mo1R/316L不锈钢复合板制备和界面组织

图12板材真空搅拌摩擦焊机
  性能指标如下:
  ● 用于对同种材料或异种材料进行真空状态下复合焊接;
  ● 适用焊接材料:铝合金、铜合金、钛合金等有色金属;
  ● 设备真空度:≤10-2Pa;
  ● 真空箱室内净尺寸:1800mm×1800mm×2615mm;
  ● X轴行程:700mm;
  ● 焊接径向力:22.5kN;
  ● X方向行进速度:0-600mm/min;
  ● Y轴行程:260mm;
  ● 焊接轴向力:100kN;
  ● Y方向行进速度:0-300mm/min;
  ● Z轴行程: 200mm;
  ● Z方向行进速度:0-600mm/min。

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