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1、常常 见见 的的 焊焊 接接 方方 法法q 焊接方法的分类焊接方法的分类第第2页页/共共72页页第1页/共72页q 金属的可焊性金属的可焊性 金金属属的的可可焊焊性性属属于于工工艺艺性性能能，是是指指被被焊焊金金属属材材料料在在一一定条件下获得优质焊接接头的难易程度。定条件下获得优质焊接接头的难易程度。金属的可焊性主要与下列因素有关金属的可焊性主要与下列因素有关:1、材料本身的成分组织；、材料本身的成分组织；2、焊接方法；、焊接方法；3、焊接工艺条件；、焊接工艺条件；第第3页页/共共72页页第2页/共72页 熔熔化化焊焊是是焊焊接接最最基基本本的的焊焊接接方方法法。根根据据焊焊接接能能源源种种
2、类类、能能源源传传递递介介质质和和方方式式的的不不同同，熔熔化化焊焊可可分分为为电电弧弧焊焊、气焊、电渣焊、电子束焊、激光焊和等离子焊等。气焊、电渣焊、电子束焊、激光焊和等离子焊等。第二节 熔 化 焊q 熔化焊的基本原理熔化焊的基本原理 熔熔化化焊焊的的基基本本原原理理是是指指将将填填充充材材料料（如如焊焊丝丝）和和工工件件的的连连接接区区基基体体材材料料共共同同加加热热至至熔熔化化状状态态，在在连连接接处处形形成成熔熔池池，熔熔池池中中的的液液态态金金属属冷冷却却凝凝固固后后形形成成牢牢固固的的焊焊接接接接头头，使分离工件连接成为一个整体。使分离工件连接成为一个整体。第第4页页/共共72页页
3、第3页/共72页 熔焊焊缝的形成熔焊焊缝的形成 在在高高温温热热源源的的作作用用下下，填填充充金金属属（如如焊焊条条）和和基基体体金属发生局部熔化。熔池金属发生局部熔化。熔池前部（前部（2-1-2区）熔化金属区）熔化金属被电弧吹力吹到熔池后部被电弧吹力吹到熔池后部（2-3-2区），迅速冷却结区），迅速冷却结晶。随着热源不断移动，晶。随着热源不断移动，从而形成连续的致密层状从而形成连续的致密层状组织焊缝。组织焊缝。焊缝形成过程示意图焊缝形成过程示意图第第5页页/共共72页页第4页/共72页 焊接接头的组织和性能（钢铁）焊接接头的组织和性能（钢铁）焊缝区：焊缝区：结晶从熔池壁向中心推进，形成柱状的
4、铸态组织。结晶从熔池壁向中心推进，形成柱状的铸态组织。与基体金属性能接近，但熔池中心易出现杂质、疏松等。与基体金属性能接近，但熔池中心易出现杂质、疏松等。熔合区：熔合区：未熔化的过未熔化的过热组织和部分熔化的热组织和部分熔化的结晶铸态组织。很大结晶铸态组织。很大程度上决定焊件接头程度上决定焊件接头的性能。的性能。第第6页页/共共72页页第5页/共72页过热区：过热区：高温影响，晶粒粗大。塑性和韧性下降，显著影高温影响，晶粒粗大。塑性和韧性下降，显著影响焊件接头性能。响焊件接头性能。正火区：正火区：最高加热温度比最高加热温度比Ac3Ac3稍高，晶粒重结晶细化，获稍高，晶粒重结晶细化，获得正火组织
5、。机械性能改善。得正火组织。机械性能改善。部分相变区：部分相变区：最高加热温度比最高加热温度比Ac1Ac1Ac3Ac3稍高，珠光体和部稍高，珠光体和部分铁素体重结晶细化。晶粒大小不均，机械性能稍差。分铁素体重结晶细化。晶粒大小不均，机械性能稍差。一一般般，低低碳碳钢钢焊焊件件的的热热影影响响区区较较窄窄，危危害害性性较较小小，焊焊后后可可直直接接使使用用；对对于于碳碳素素钢钢和和低低合合金金钢钢焊焊件件，焊焊后后可可进进行行正正火火处处理理，细细化化晶晶粒粒，改改善善机机械械性性能能；对对于于无无法法进进行行热热处处理理的的焊焊件件，则则需需正正确确选选择择焊焊接接方方法法和和工工艺艺条条件件
6、，来来减减小小热影响区的范围。热影响区的范围。第第7页页/共共72页页第6页/共72页 焊焊接接时时，焊焊件件各各部部分分冷冷热热不不均均，受受热热部部位位产产生生拉拉应应力力，未未受受热热部部位位则则产产生生压压应应力力。当当应应力力达达到到一一定定程程度度，焊焊件出现变形。件出现变形。焊接应力和变形焊接应力和变形 对焊焊缝的应力分布对焊焊缝的应力分布 边缘焊的变形边缘焊的变形第第8页页/共共72页页第7页/共72页 手手工工电电弧弧焊焊是是利利用用焊焊条条与与工工件件之之间间产产生生的的电电弧弧热热将将工件和焊条熔化的一种焊接方法。工件和焊条熔化的一种焊接方法。q 手工电弧焊手工电弧焊 焊
7、接电弧焊接电弧 焊焊接接电电弧弧是是在在电电极极和和工工件件间间的的气气体体介介质质中中常常时时间间放电的现象。放电的现象。电电弧弧引引燃燃时时，弧弧柱柱中中充充满满了了高高温温电电离离气气体体，发发出出大大量的光和热。量的光和热。钢焊条焊接钢材时的焊接电弧第第9页页/共共72页页第8页/共72页 手工电弧焊的焊接过程手工电弧焊的焊接过程 手工电弧焊焊接手工电弧焊焊接 过程示意图过程示意图焊缝附近焊缝附近基体金属基体金属焊焊 条条药药 皮皮焊焊 芯芯熔熔 渣渣熔熔 化化焊焊 缝缝CO2保护熔池保护熔池电弧电弧第第10页页/共共72页页第9页/共72页 电焊条电焊条焊条组成：焊条组成：电焊条由焊
8、芯和药皮组成。焊芯的作用：焊芯的作用：导电与充填焊缝。药皮的作用：药皮的作用：提高电弧燃烧的稳定性，防止空气对熔化金属的有害作用，保证焊缝金属的脱氧和加入合金元素。手工电弧焊的优缺点手工电弧焊的优缺点优点：优点：设备简单，易于维护，使用灵活；适于多种钢材 和有色金属等，是应用最广泛的焊接方法。缺点：缺点：焊缝短而不连续，焊缝宽度不均，焊缝质量不稳定。第第11页页/共共72页页第10页/共72页 埋埋弧弧自自动动焊焊是是利利用用专专门门的的机机械械设设备备自自动动完完成成手手工工电电弧弧焊焊中中的的引引燃燃电电弧弧、送送进进焊焊条条以以及及移移动动电电弧弧等等焊焊接接动动作作，并使电弧在较厚焊剂
9、下燃烧的熔化焊。并使电弧在较厚焊剂下燃烧的熔化焊。q 埋弧自动焊埋弧自动焊 焊接过程焊接过程 如如图图所所示示，埋埋弧弧焊焊的的焊焊接接过过程程可可概概括括为为：自自动动送送丝丝；引弧；焊剂自动下料；焊机匀速运动；电弧在焊剂下燃烧。引弧；焊剂自动下料；焊机匀速运动；电弧在焊剂下燃烧。第第12页页/共共72页页第11页/共72页 埋弧自动焊接过程（焊缝剖面图）埋弧自动焊接过程（焊缝剖面图）第第13页页/共共72页页第12页/共72页 焊丝与焊剂焊丝与焊剂焊接材料焊接材料焊焊 剂剂焊焊 丝丝熔熔 炼炼焊焊 剂剂陶陶 瓷瓷焊焊 剂剂相当于焊 芯相当于药 皮 熔炼焊剂：熔炼焊剂：在熔炼炉中制备，成分均
10、匀，适于大量生产；陶瓷焊剂：陶瓷焊剂：利用粉末冶金工艺制备，颗粒强度低。第第14页页/共共72页页第13页/共72页 1、焊接质量高且稳定；焊接质量高且稳定；2、熔深大，节省焊接材料；熔深大，节省焊接材料；3、无弧光，无金属飞溅，焊接烟雾少；无弧光，无金属飞溅，焊接烟雾少；4、自动化操作，生产效率高。自动化操作，生产效率高。5、设备昂贵，工艺复杂，适于长的直线焊缝和圆筒形设备昂贵，工艺复杂，适于长的直线焊缝和圆筒形 工件的纵、环焊缝的批量生产。工件的纵、环焊缝的批量生产。埋弧自动焊的特点埋弧自动焊的特点第第15页页/共共72页页第14页/共72页 气气体体保保护护焊焊是是利利用用保保护护性性气
11、气体体防防止止外外界界有有害害气气体体对对熔熔池池进进行行侵侵害害的的特特殊殊焊焊接接方方法法。它它适适于于一一些些化化学学性性质质活活泼泼的金属焊缝的焊接作业。的金属焊缝的焊接作业。q 气体保护焊气体保护焊 氩弧焊氩弧焊 氩弧焊示意图氩弧焊示意图第第16页页/共共72页页第15页/共72页 COCO2 2气体保护焊气体保护焊 COCO2 2气体保护焊示意图气体保护焊示意图第第17页页/共共72页页第16页/共72页 真空电子束焊真空电子束焊q 一些先进的熔化焊技术一些先进的熔化焊技术（适于稀有和难熔金属的焊接和普通材料的高精度焊接）（适于稀有和难熔金属的焊接和普通材料的高精度焊接）阴阴极极被
12、被灯灯丝丝加加热热到到2600K，并并发发射射大大量量的的电电子子。这这些些电电子子在在高高压压电电场场的的作作用用下下，经经电电磁磁透透镜镜聚聚焦焦成成电电子子束束，高高速速轰轰击击工工件件表表面面（160000km/s）。电电子子动动能能瞬瞬间间变变成成热热能能（能能量量密密度度是是普普通通电电弧弧的的1000倍）。倍）。第第18页页/共共72页页第17页/共72页 等离子弧焊等离子弧焊第第19页页/共共72页页第18页/共72页 激光焊激光焊激光：激光：利用原子受到激发而辐射的原理，使物质受激发而产生波长单一、方向一致和能量很高的光束。基本原理：基本原理：利用激光器受激产生激光束，通过聚
13、焦系统将其聚集成半径微小的光斑，当调焦到被焊工件的接缝时，光能转换为热能，从而使金属熔化形成焊接接头。第第20页页/共共72页页第19页/共72页 压压力力焊焊（俗俗称称固固态态焊焊）是是在在压压力力（或或同同时时加加热热）作作用用下下，在在被被焊焊的的分分离离金金属属结结合合面面产产生生塑塑性性变变形形而而使使金金属属连连接成为整体的焊接工艺。接成为整体的焊接工艺。第三节 压 力 焊q 电阻焊电阻焊 电电阻阻焊焊是是利利用用电电流流通通过过被被焊焊工工件件以以及及接接触触部部分分产产生生电电阻阻热热，使使接接触触部部位位达达到到塑塑性性或或局局部部熔熔化化状状态态，加加压压焊焊合合而使工件焊
14、接在一起的焊接方法。而使工件焊接在一起的焊接方法。第第21页页/共共72页页第20页/共72页 焊接分类焊接分类电阻焊电阻焊对对 焊焊滚滚 焊焊点点 焊焊根据焊接接头根据焊接接头形式的差异形式的差异 点焊和滚焊点焊和滚焊加加 压压断电保压断电保压通通 电电去去 压压工艺步骤：工艺步骤：第第22页页/共共72页页第21页/共72页 点焊形成过程示意图点焊形成过程示意图 滚焊形成过程示意图滚焊形成过程示意图第第23页页/共共72页页第22页/共72页 对对 焊焊 是是利利用用电电阻阻热热将将两两个个工工件件的的整整个个端端面面焊焊接接起起来来的的一一种种焊焊接接方法。方法。对焊对焊 对焊示意图对焊
15、示意图第第24页页/共共72页页第23页/共72页 摩摩擦擦焊焊是是利利用用工工件件之之间间的的相相互互摩摩擦擦产产生生的的热热量量同同时时加压使工件连接到一起的焊接方法。加压使工件连接到一起的焊接方法。摩擦焊摩擦焊 摩擦焊示意图摩擦焊示意图第第25页页/共共72页页第24页/共72页 爆爆炸炸焊焊是是利利用用爆爆炸炸产产生生的的巨巨大大冲冲击击波波能能量量，使使界界面面在大的接触压力下焊接在一起。在大的接触压力下焊接在一起。爆炸焊爆炸焊 爆炸焊示意图爆炸焊示意图 爆炸焊界面示意图爆炸焊界面示意图第第26页页/共共72页页第25页/共72页 钎钎焊焊是是利利用用熔熔点点比比被被焊焊接接金金属属
16、熔熔点点低低的的金金属属作作钎钎料料，将将钎钎料料与与工工件件一一起起加加热热到到钎钎料料熔熔化化状状态态，借借助助毛毛细细管管作作用用将将其其吸吸入入到到固固态态间间歇歇内内，使使钎钎料料与与固固态态工工件件表表面面发发生生原原子子的相互扩散、溶解和化合而连成整体的焊接方法。的相互扩散、溶解和化合而连成整体的焊接方法。第四节 钎 焊q 钎焊接头的形成过程钎焊接头的形成过程 钎钎焊焊接接头头的的形形成成包包括括两两个个过过程程：钎钎料料熔熔化化和和流流入入、填填充充接接头头间间歇歇形形成成钎钎料料充充满满焊焊缝缝的的过过程程；液液态态钎钎料料与与钎焊金属相互作用。钎焊金属相互作用。第第27页页
17、/共共72页页第26页/共72页 钎料填充焊缝过程示意图钎料填充焊缝过程示意图液态钎料和固态金属之间的相互作用液态钎料和固态金属之间的相互作用第第28页页/共共72页页第27页/共72页 软软钎钎焊焊是是指指使使用用的的钎钎料料熔熔点点低低于于450的的钎钎焊焊，通通常常用烙铁加热。软钎焊的接头强度不高（用烙铁加热。软钎焊的接头强度不高（70MPa）。）。含少量锑的含少量锑的锡铁合金钎料锡铁合金钎料应用最广泛。应用最广泛。软软钎钎焊焊所所用用的的钎钎剂剂主主要要有有：松松香香、ZnCl2溶溶液液、ZnCl2钎钎剂剂膏膏等等（钎钎剂剂主主要要用用来来清清除除氧氧化化物物，保保护护钎钎焊焊区区，增
18、加润湿性）。增加润湿性）。软软钎钎料料主主要要应应用用于于焊焊接接受受力力不不大大的的常常温温工工作作的的仪仪表表、导电元件等。导电元件等。软钎焊软钎焊q 软钎焊和硬钎焊软钎焊和硬钎焊第第29页页/共共72页页第28页/共72页 硬钎焊硬钎焊 硬硬钎钎焊焊是是指指使使用用的的钎钎料料熔熔点点高高于于450的的钎钎焊焊。其其主主要要加加热热方方式式有有：火火焰焰加加热热、电电阻阻加加热热、感感应应加加热热、炉炉内内加加热、盐浴加热等。软钎焊的接头强度不高（热、盐浴加热等。软钎焊的接头强度不高（500MPa）。）。硬钎焊所用的硬钎焊所用的钎剂钎剂主要有：硼砂、硼酸和氟化物等。主要有：硼砂、硼酸和氟
19、化物等。硬钎料硬钎料主要用于主要用于钎焊受力大，工作温度较高的工件。钎焊受力大，工作温度较高的工件。第第30页页/共共72页页第29页/共72页第五节 铝合金焊接性分析 铝合金物理、化学特性对焊接性的影响铝合金物理、化学特性对焊接性的影响 铝合金工艺焊接性铝合金工艺焊接性 铝合金常用的焊接方法铝合金常用的焊接方法 摩擦搅拌焊摩擦搅拌焊第第31页页/共共72页页第30页/共72页铝合金物理、化学特性对焊接性的影响强的氧化能力 铝和氧的亲和力很强,铝在空气中容易与氧结合生成致密的三氧化二铝薄膜,这层薄膜的熔点高达2050,密度3.95 4.10t/m3(约为铝的1.4 倍),它易吸附水分,并在焊接
20、过程中形成气孔、夹渣等缺陷,从而降低焊接接头的机械性能。第31页/共72页高的热导率和导电性 铝及铝合金的热导率、热容、熔化潜热大,热导率为225.3W/(m K),比钢大一倍多,在焊接过程中大量的热能被迅 速传入到基本金属内部,因此焊接铝和铝合金时要比钢消耗更多的热量。为了获得高质量的焊接接头,必须采用能量集中、功率大的热源,并采取预热措施。第32页/共72页 容易形成热裂纹 铝的线膨胀系数为23.610-6/,约比钢大2 倍,凝固体积收缩率达6.5%6.6%,因此在焊接某些铝合金时往往由于过大的收缩内应力而导致裂纹。高温下的强度和塑性低在高温下铝的强度和塑性很低,以致不能承受液体金属重量而
21、使焊缝成型不良,甚至形成塌陷、烧穿等缺陷。第33页/共72页合金元素易蒸发和烧损某些铝合金中含有低沸点的合金元素如镁、锌等,这些元素在高温火焰或电弧的作用下极易蒸发、烧损,从而改变了焊缝金属的化学成分,同时也降低了焊接接头的性能。无色泽变化铝及铝合金从固态变成液态时无明显的色泽变化,因此在焊接过程中给操作者带来不少困难。第34页/共72页铝合金常用的焊接方法a 钨极氩弧焊(T IG)这种方法是在氩气保护下施焊,热量比较集中、电弧燃烧稳定、焊缝金属致密、接头强度和塑性亦较高,因而在工业中应用越来越广泛。b、熔化极氩弧焊(M IG)这种方法分为半自动和自动熔化极氩弧焊,电弧功率大、热量集中、热影响
22、区小、生产率比手工钨极氩弧焊可提高2 3倍,可焊接20 30mm 厚度的工件,只要正、反两层就可获得满意的焊缝。半自动熔化极氩弧焊还适用于点固焊缝、断续的短小焊缝及结构形状不规则的焊件。第35页/共72页C、钨极脉冲氩弧焊(TAW 2P)钨极脉冲氩弧焊是近20 多年发展起来的一种新的焊接方法,它可明显地改善小电流焊接过程的稳定性,用这种方法焊成的焊件变形量小、接头区的热影响区小、接头质量高,特别适合薄板、全位置焊接。使用交流钨极脉冲氩弧焊时,更具有良好的电弧稳定性及“阴极破碎”作用,这种交流钨极脉冲氩弧焊机与普通交流氩弧焊机相比较,前者的热裂纹形成率比后者可减少20%30%,接头抗拉强度及冷弯
23、角亦较高。使用交流钨极脉冲氩弧焊机时,由于电弧热周期性地作用于基本金属,这对防止薄板烧穿极为有利。D、摩擦搅拌焊第36页/共72页铝合金工艺焊接性一、气孔（其他金属材料相比,铝合金在焊接过程中极容易产生气孔,这是铝合金焊接的难点之一）第37页/共72页第38页/共72页第39页/共72页第40页/共72页第41页/共72页(7)焊接线能量焊接线能量=E（UI）/v 吸气与气泡逸出吸气与气泡逸出第42页/共72页第43页/共72页二、焊接接头等强性铝合金分为变形和时效强化铝合金熔化焊接时，焊接接头组织如下图：第44页/共72页 时效强化铝合金焊接接头不同部位的显微组织。由上图可以看出：焊缝中心，
24、铸态等轴晶粒组织，焊缝中靠近熔合区的部分为柱状晶组织；过热区（淬火区），加工拉长的纤维状组织夹持着再结晶的晶粒组织；熔合区，焊缝区与过热区之间的狭窄的区域，等轴细晶组织;过时效区；母相区为典型的挤压拉长的纤维状组织。第45页/共72页第46页/共72页时效强化铝合金焊接接头显微组织特征及与焊接接头力学性能特点是：焊接接头焊缝处硬度最低，无余高试件拉伸时，断口都位于焊缝处，说明这类焊件最薄弱的地方是在焊缝处。这是因为，在熔化焊接加热时，焊接热输出的热量使焊丝熔化，焊件冷却时，焊缝处得到的是铸态组织，因此该区的硬度最低，性质最软，塑性较差。受焊接热的影响，焊接接头焊缝区两边依次形成了半熔化区、淬火
25、区和过时效区。半熔化区是焊丝与基体金属形成的一种交混合金，该区熔体过冷度特别大，快速凝固后的晶粒非常细小。第47页/共72页淬火区内，原有的纤维状未再结晶组织受热激活的影响变为再结晶和不完全再结晶组织。与此同时，原有的析出相会固溶到铝基固溶体中，形成过饱和固溶体，焊接冷却时金属导热快，这个区域会有淬火效应。经过一段时间的停放，固溶体会分解析出时效强化相，产生自然时效强化。而过时效区内，焊接加热时温升超过原来的基材时效处理温度，该区的主要强化相会发生聚集长大，导致该区硬度较低，成为焊接接头的软化区。第48页/共72页三、焊接热裂纹铝及铝合金焊缝中的裂纹是在焊缝金属结晶过程中产生的,称热裂纹,又称
26、结晶裂纹。裂纹的形式有纵向和横向的裂纹(往往扩展到基体金属),还有根部裂纹、弧坑裂纹等。裂纹导致结构强度低,甚至引起整个结构的突然破坏,因此是完全不许存在的。第49页/共72页铝合金液态熔池冷却、凝固结晶到完全形成固态是在某一温度范围内进行的。在这温度范围内同时存在着液态和固态金属,其强度、塑性都很低,所以将这个温度范围称脆性温度区间。另一方面,由于铝合金的线膨胀系数大,在焊缝金属冷却收缩过程中产生很大的拉伸变形。当溶池金属处在脆性温度区间的时刻,与产生最大拉伸变形的时刻一致时立即起裂纹。一般情况下,纯铝、锰铝、镁铝合金热裂纹倾向很小,但结构刚度较大、杂质含量较多或工艺规范选择不当时,也会引起
27、裂纹。防止热裂纹的措施如下:第50页/共72页A、控制基体金属及焊丝成分,纯铝及铝合金及焊丝中的铁、硅含量比应大于1(即Fe/Si 1),以减少焊缝金属中低熔点硅共晶的数量,铁、硅、铝的多元化合物呈断续分布;B、通过填充焊丝向焊缝金属加入少量细化晶粒的变质剂(如钛、锆、钒等)有利防止热裂纹的产生;第51页/共72页C、应尽量采用加热集中的焊接方法(如熔化极自动氩弧焊)及选择大电流、高焊速的规范。熔化极脉冲氩弧焊与一般的熔化极氩弧焊法相比具有较好的抗裂性;D、在铝结构装配、施焊时不使焊缝承受很大的刚性,在工艺上可采取分段焊、预热或适当降低焊接速度等措施;第52页/共72页E、尽量采用开坡口和留小
28、间隙的对接焊,并避免采用十字形的接头及不适当的点固、接顺序;F、焊接结束或中断时,应及时填满弧坑,然后再移去热源,否则易引起弧坑裂纹。第53页/共72页摩擦搅拌焊固相联结摩擦搅拌焊(Friction stir welding 简称FSW)是英国剑桥焊接研究所于1991 年10 月提出发明专利的,首先用于焊接铝与铅异种金属获得成功。它是由摩擦焊派生发展起来的,由于这种新工艺能进行板材的对接,并具有固相焊接接头独特的优点,很快被用来焊接高强铝合金板材并获得成功,现在美国波音公司已将该种新工艺用来生产航空航天工业各种铝合金容器,如火箭运载工具、液氧箱、燃料箱等。波音公司还投入大量资金对这种新工艺进行
29、进一步开发和研究,并企图以此来加强在航空航天工业生产中的竞争实力。英国焊接研究所、美国爱迪生焊接研究所等单位还进一步研究用这种新工艺来焊接铁类合金的焊接。第六节第六节 摩擦搅拌焊摩擦搅拌焊第54页/共72页1、焊接原理和工艺过程搅拌摩擦焊工艺参数很简单,最重要的参数是:搅拌头的尺寸、搅拌头的圆周速度以及搅拌头与工件的相对移动速度。一般来说,对于铝合金的焊接,焊头的旋转速度可以从几百r/min 到上千r/min。焊接速度一般在1mm/s15mm/s 之间。所以搅拌摩擦焊可以很方便地实现自动控制。另外,在焊接过程中焊头要压紧工件。旋转速度与焊接速度的确定：E=nFr0/(45 v)（r0 焊头肩部
30、半径，E 焊接线能量;v 焊接速度）。在搅拌摩擦焊过程中,焊接线能量的大小取决于搅拌焊头肩部的半径、压力、摩擦因数及转速与焊速之比(n/v)。第55页/共72页当采用某一搅拌焊头焊接时,其肩部直径为定值,如压力在焊接过程中也保持不变,则焊接线能量仅取决于转速与焊速之比。焊接线能量适当,即n/v 在一定范围内,才能获得质量良好的焊接接头。本试验中,当肩部直径为9mm 时,搅拌焊头的旋转速度在18002000r/min 范围内,焊接速度为1.221.85 mm/s 时,即n/v 在16.227.5r/mm 范围内,焊缝质量较。第56页/共72页焊接时,如果转速过低或焊速过高,都会导n/v降低,成形
31、不好,甚至焊缝表面出现沟槽。随着转速的提高或焊速的降低,n/v 逐渐增加,焊接线能量趋于合理,焊缝质量较好。当转速较大或焊速较小时,n/v 则较大,单位长度焊缝上的热输入量过高,焊接区金属过热而导致焊缝成形及质量均较差（铝合金）。增大压力,可提高热输入量,提高焊缝组织的致密度;但由于摩擦力增大,搅拌焊头向前移动的阻力增大,且压力过大易使焊缝凹陷,焊缝表面出现飞边、毛刺。而压力过小,焊缝组织疏松,焊缝内部出现孔洞,甚至肩部对焊接区起不到封闭作用而使焊缝金属流外。第57页/共72页一般摩擦焊是利用两被焊工件相互摩擦产生的热使被焊材料产生塑性软化区,然后快速停止摩擦,立即加压形成固相焊接头。摩擦搅拌
32、焊则是利用一个耐高温硬质材料制成一定形状的探头,将探头旋转深入被焊两材料连接的边缘处,依靠高速旋转探头在两焊件连接边缘产生摩擦热,使接缝处金属产生塑性软化区,旋转探头周围塑性软化区金属受到搅拌、挤压,并随着探头沿焊缝向后流动形成塑性金属流,在探头离开后的冷却过程中,在受挤压的条件下,形成固相焊接接头。焊接接头形成过程如图1 所示。第58页/共72页图1 摩擦搅拌焊接过程 第59页/共72页首先在被焊工件下安放底板,并进行刚性夹紧固定(图1a),然后将一耐高温硬性材料制成的探头,在高速旋转下慢慢深入焊接处,一直达到接近焊缝深度为止(图1b),当探头与工件快速摩擦产生的热使探头周围被焊材料的金属呈
33、塑性状态(图1c),此时探头沿焊缝开始移动,从而在探头周围产生一层塑性金属流(图1d)。在探头沿焊缝移动过程中焊缝边界的氧化膜以及其周围塑性金属被磨碎并受机械搅拌、挤压作用向其后面迁移(图1e),随后当探头离开,尾部塑性金属流在挤压下重新结合形成固相焊缝。第60页/共72页必须指出,摩擦搅拌焊探头的结构设计很重要,对接焊时,探头的长度要根据焊缝要求的深度来确定,而且探头上部要求有封锁肩部(背肩),如图2 所示。如果探头没有封锁肩部,则会使塑性材料排挤在外。探头运动方式一般是垂直焊缝沿轴心快速旋转,同时沿焊缝慢速移动,从原理分析,也可平行焊缝作上下快速运动,同时沿焊缝作慢速移动。如图3 所示。第
34、61页/共72页图2 摩擦搅拌焊探头形式第62页/共72页第63页/共72页第64页/共72页2、摩擦搅拌焊的主要优点(1)焊接接头不易产生缺陷。焊缝是在塑性状态下受挤压完成的,属固相焊,避免了熔焊时熔池凝固过程产生裂缝、气孔等缺陷。这对熔池凝固裂缝敏感材料的焊接提供了新工艺,例如焊接高强铝合金是十分有利的。(2)焊接接头热影响区显微组织变化小。固相焊加热温度低,热影响区金相组织变化小,如亚稳态相能保持基本不变。故有利于焊接热处理强化铝合金。(3)焊接工件不易变形。焊件有刚性固定,且固相焊加热温度低,故焊件不易变形,焊接较薄铝合金结构如船舱板,小板拼成大板的焊接极为有利,也是熔焊方法难以做到的
35、。(4)能一次完成较长、较大截面、不同位置的焊接。由于不是依靠两焊件相对摩擦来进行焊接,根本上改变了传统的摩擦焊只能焊接简单断面的局限性,极大地提高了它的工业应用范围。第65页/共72页5)操作便于机械化自动化,必须由熟练技巧的高水平焊工进行操作。(6)低成本不用填充材料,也不用保护气体;厚焊接件边缘不用坡口加工;焊接铝材工件不用去氧化膜,只需用溶剂擦去油污即可:对接容许留一定间隙,不苛求装配精度;节能,如单程焊接12.5 mm 厚的铝合金板时使用电量总功率为3kW;由于焊缝不易产生缺陷,对焊后质检无特别要求。(7)安全(无污染,无烟尘、无辐射)。8）异种材料的焊接往往容易出现脆性的金属间化合
36、物,有发生裂纹的危险。但采用FSW新工艺进行固相焊接,由于在两种材料结合处具有扩展不规则的交界面,有阻止裂纹产生的作用。特别是导电材料的过渡接头,有扩大交界面减少电阻的作用,因此FSW 焊接导电的异种材料特别有利。第66页/共72页3、摩擦搅拌焊的主要缺点(1)焊件须有刚性固定,反面应有底板。(2)当焊接结束探头提出工件时,总是产生一个凹坑。(3)目前焊速不是很高。第67页/共72页4、应用领域和效果目前摩擦搅拌焊主要用于铝材料的焊接和异种材料的焊接。在航空航天工业应用FSW焊接的铝合金有2014,2219,7050 和多种铝锂合金,板厚在1.6 12.7 mm 较为常见。接头型式有多种,参见
37、图3所示。图图3 几种摩擦搅拌焊的接头型式几种摩擦搅拌焊的接头型式第68页/共72页5、焊缝金相组织焊核延伸到焊件的表面,它比搅拌头的特型指棒要大,比轴肩小,焊核偶而会延伸到焊件底部。焊核的形貌取决于特型指棒的形状、焊接参数和被焊材料的强度。通过搅拌摩擦焊焊接接头的金相分析及显微硬度分析可以发现,搅拌摩擦焊接头的焊缝组织可分为4个区域:A 区为母材区,无热影响也无变形;B 区为热影响区,没有受到变形的影响,但受到了从焊接区传导过来的热量的影响;C 区为变形热影响区,该区既受到了塑性变形的影响,又受到了焊接温度的影响;D 区为焊核,是两块焊件的共有部分,如图4 所示。第69页/共72页图4 搅拌
38、摩擦焊焊缝分区示意图第70页/共72页在焊接接头的热影响区中,除了腐蚀反应比母材快一些之外,它的金相组织与母材没有多大区别。对于时效强化或加工硬化的合金,焊后接头热影响区的硬度下降,这是由从焊接区传导来的热量使热影响区过时效或位错密度下降造成的。在焊接接头的变形热影响区,焊接过程引起长晶粒的弯曲和轻微的重结晶,焊接热循环使得此区的退火过程发生早一些,而且时间较长,对于时效强化的合金,这一区域的硬度最低。焊核区的金相组织是明显的等轴晶粒,并且非常细小,晶粒尺寸取决于所焊合金及焊接过程,但普遍小于10 级。焊核区的硬度比时效强化和加工硬化的母材要低。第71页/共72页感谢您的观看！第72页/共72页