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C型搅拌摩擦焊机机械结构设计
前言
一项新兴额金属加工技术自方法发明、原理验证、技术改进到工业化推广应用一般要经历几十年甚至更长的时间。焊接技术也是一样,如钎焊、电弧焊、激光焊、电子束焊等都精力了类似的过程。但是搅拌焊不同,1991年英国焊接研究所(The welding Institute-TWI)发明了搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding,简称FSW),伺候搅拌摩擦焊以任何一种焊接方法无可比拟的发展速度,迅速走出实验室,在国际工业制造领域(船舶、轨道列车、航空、航天、汽车、兵器电子电力等)得到大规模工程化应用。作为一项创新的固相连接方法,搅拌摩擦焊正在大步取代传统铝合金焊接方法,在铝合金结构制造及铝型材加工领域,迎来革命性的跨时代发展。
1. 搅拌摩擦焊简介

FSW 是一种固体连接工艺。在该工艺中,带仿形细杆的割肩刀具插入材料两工件间的结合线中,在抗磨细杆和两工件之间产生摩擦热,将其相互对接在一起,并将抗磨细杆固定在托杆上。
热量导致材料软化,没有达到熔点,使抗磨细杆能沿着接头移动。象这样,工具向前动动,材料被在旋转细杆前面的摩擦热增塑,并传递到背面,在这里,压实并冷却,形成固态焊缝。
(图1-1)
(图1-2)
(图1-3)
焊接质量
使用搅拌摩擦焊接,可得到与熔焊相似的、极好的焊接质量。固相焊缝的压实、颤动和锻压作用,形成的焊缝有比基体材料更细密的显微组织。这些焊缝抗拉强度可达到基体材料的90%,且疲劳性能与基体材料相似,而具有代表性的熔焊接头疲劳性能只能达到基体材料的60%。搅拌摩擦焊接也可用于全位置(横、立、仰焊和轨迹焊)。因为是固态焊接工艺,对人没有危险性的影响。
搅拌摩擦焊机可买到下列组合的设备:
多轴式、移动式龙门架、手提式和机器人。
适合于搅拌摩擦焊接接头的几何形状有:
a 平板对接 b 对接和搭接组合c 单层搭接 d 多层搭接e 三件T形对接 f 两件T形对接g 边缘对接 h 可以接受的拐角焊缝
(图1-4‘a~h’)
(图1-5搅拌摩擦焊的工作情况)
(图1-6由搅拌摩擦焊焊接的管类零件)

1991年搅拌摩擦焊技术由英国焊接研究所(The Welding Institute, TWI)发明,作为一种固相连接手段,它克服了以往熔焊的诸如气孔、裂纹、变形等缺点,更使得以往通过传统熔焊手段无法实现焊接的材料可以采用FSW实现焊接,被誉为“继激光焊后又一革命性的焊接技术”。
FSW主要由搅拌头的摩擦热和机械挤压的联合作用下形成接头,其主要原理和特点如下:
焊接时,欲搭接或者对接的工件相对放置在垫板上,为了防止在施焊时工件被搅拌头推开,应加以约束。施焊工具主要是搅拌头。焊接时旋转的搅拌头缓缓进入焊缝,在与工件表面接触时通过摩擦生热使得该处金属软化,在顶压力的作用下,指棒进入到工件内部,在高速旋转下使得搅拌头周围的一层金属塑性化。同时,在肩轴端面的包拢下搅拌头沿焊接方向移动形成焊缝。焊缝的深度由指棒的插入深度决定。在焊接过程中主要的产热体是指棒和轴肩。在焊接薄板时,轴肩和工件的摩擦是主要的热量来源。
作为一种固相连接手段,搅拌摩擦焊除了可以焊接用普通熔焊方法难以焊接的材料外(例如可以实现用熔焊难以保证质量的裂纹敏感性强的7000、2000系列铝合金的高质量连接),FSW还具有以下优点:
温度低,所以变形小(即使是长焊缝也是如此);
接头机械性能好(包括疲劳、拉伸、弯曲),不产生类似熔焊接头的铸造组织缺陷,并且其组
织由于塑性流动而细化。
与其它焊接方法相比,焊接变形小,调整、返修频率低,某航空发动机FSW的缺陷发生率低,,产生一个缺陷,,才仅出现一个缺陷。由此可以使成本降低60%。
焊前及焊后处理简单,焊接过程中的摩擦和搅拌可以有效去除焊件表面氧化膜及附着杂质。而且焊接过程中不需要保护气体、焊条及焊料。
能够进行全位置的焊接;
适应性好,效率高;
操作简单;
焊接过程中无烟尘、辐射、飞溅、噪音及弧光等有害物质产生,是一种环保型工艺方法。
尤其值得指出的是,搅拌摩擦焊所具有适合于自动化和机器人操作的优点,诸如:不需要填丝、保护气(对于铝合金)、可以允许有薄的氧化膜、对于批量生产,不需要进行打磨、刮擦之类的表面处理非损耗的工具头、一个典型的工具头就可以用来焊接6000系列的铝合金达1000米等.
2. C型搅拌摩擦焊机机械结构设计
机械系统设计分为四个部分:
(1)X-Y平台设计;
(2)升降台设计;
(3)主轴箱设计;
(4)外形尺寸设计。
(一)X-Y平台设计:
-Y平台外形尺寸及