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基本信息

項目名稱：
填充式攪拌摩擦焊新方法
小類：
能源化工
簡介：
基于固態(tài)連接原理提出了填充式攪拌摩擦焊新方法，設(shè)計了可消耗分體式焊具，顛覆了傳統(tǒng)攪拌摩擦焊固有模式。該方法具有高效節(jié)能、綠色環(huán)保、低成本等突出優(yōu)勢，能夠徹底解決由攪拌摩擦焊縫匙孔和缺陷引起的“木桶效應(yīng)”。補(bǔ)焊接頭強(qiáng)度及伸長率分別達(dá)到了無缺陷原始焊縫的85％和99％，與宇航工業(yè)所采用的TIG、摩擦塞焊技術(shù)及同時期美國楊百翰大學(xué)、美國橡樹嶺國家實驗室及日本東北大學(xué)共同提出的FBJ技術(shù)相比，優(yōu)勢明顯。
詳細(xì)介紹：
本作品基于固態(tài)連接原理提出了填充式攪拌摩擦焊新方法，發(fā)明了一種由消耗式且與被焊結(jié)構(gòu)同質(zhì)的2219鋁合金攪拌針、鋼制非消耗式軸肩、鋼制焊具夾持體和緊固螺釘構(gòu)成的可消耗分體式焊具，顛覆了傳統(tǒng)攪拌摩擦焊定義焊具為非消耗品的固有模式。補(bǔ)焊過程中，利用攪拌針的塑性變形和流動實現(xiàn)了對焊縫匙孔和缺陷的固相補(bǔ)焊，攪拌針與匙孔界面和軸肩作用區(qū)材料塑性流動現(xiàn)象明顯，界面成形良好無缺陷。 填充式攪拌摩擦焊補(bǔ)焊接頭的強(qiáng)度可達(dá)無缺陷原始焊縫強(qiáng)度的85%，高于TIG補(bǔ)焊接頭的73%。其伸長率更是達(dá)到了無缺陷原始焊縫伸長率的99%，遠(yuǎn)高于TIG補(bǔ)焊接頭的12.2%。該方法實現(xiàn)了對攪拌摩擦焊縫匙孔和缺陷的準(zhǔn)等強(qiáng)修復(fù)。 本作品旨在開辟一種新的焊接方法，實現(xiàn)無匙孔攪拌摩擦焊和攪拌摩擦焊縫缺陷的準(zhǔn)等強(qiáng)修復(fù)。該方法很好地繼承了攪拌摩擦焊技術(shù)本身所具有的高質(zhì)量、高效、低成本、低變形、易于自動化、無需保護(hù)氣、低能耗、對環(huán)境無污染等諸多優(yōu)點，是名副其實的“綠色”補(bǔ)焊新方法，具體表現(xiàn)在以下方面： (1)節(jié)能 填充式攪拌摩擦焊新方法與TIG補(bǔ)焊方法相比焊接溫度較低，最高溫度出現(xiàn)在焊核部分且最高溫度不超過500℃，遠(yuǎn)低于鋁合金熔點(600℃以上)，無金屬過熱現(xiàn)象，能量利用率高。 (2)綠色環(huán)保 填充式攪拌摩擦焊新方法與TIG補(bǔ)焊方法相比，不會產(chǎn)生焊接煙塵、弧光及噪聲污染，能量利用率高，焊接過程綠色環(huán)保無污染。 (3)高效 填充式攪拌摩擦焊新方法可在2分鐘內(nèi)完成對單個匙孔的補(bǔ)焊工作，生產(chǎn)效率高。 (4)低成本 填充式攪拌摩擦焊新方法與同一時期美國楊百翰大學(xué)、美國橡樹嶺國家實驗室及日本東北大學(xué)聯(lián)合提出的Friction Bit Joining(FBJ)技術(shù)相比，成本更低廉，焊具利用率更高。

作品圖片

  • 填充式攪拌摩擦焊新方法
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作品專業(yè)信息

設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)

本作品基于固態(tài)連接原理提出了填充式攪拌摩擦焊新方法，發(fā)明了一種由可消耗與被焊結(jié)構(gòu)同質(zhì)的2219鋁合金攪拌針、非消耗式軸肩、焊具夾持體和緊固螺釘構(gòu)成的可消耗分體式焊具，顛覆了傳統(tǒng)攪拌摩擦焊定義焊具為非消耗品的固有模式。補(bǔ)焊過程中，利用攪拌針的塑性變形和流動實現(xiàn)了焊縫匙孔和缺陷的固相補(bǔ)焊，攪拌針與匙孔界面和軸肩作用區(qū)材料塑性流動現(xiàn)象明顯，界面成形良好無缺陷。所得補(bǔ)焊接頭的強(qiáng)度可達(dá)無缺陷原始焊縫強(qiáng)度的85%，高于TIG補(bǔ)焊接頭的73%。其伸長率更是達(dá)到無缺陷原始焊縫伸長率的99%，遠(yuǎn)高于TIG補(bǔ)焊接頭的12.2%。該方法實現(xiàn)了對攪拌摩擦焊縫匙孔和缺陷的準(zhǔn)等強(qiáng)修復(fù)，并繼承了攪拌摩擦焊技術(shù)所具有的諸多優(yōu)勢，具體表現(xiàn)在以下方面：(1)節(jié)能 填充式攪拌摩擦焊新方法與TIG補(bǔ)焊方法相比焊接溫度較低，最高溫度出現(xiàn)在焊核部分且最高溫度不超過500℃，遠(yuǎn)低于鋁合金熔點(600℃以上)，無金屬過熱現(xiàn)象，能量利用率高。(2)綠色環(huán)保 填充式攪拌摩擦焊新方法與TIG補(bǔ)焊方法相比，不會產(chǎn)生焊接煙塵、弧光及噪聲污染，能量利用率高，焊接過程綠色環(huán)保無污染。(3)高效 填充式攪拌摩擦焊新方法可在2分鐘內(nèi)完成對單個匙孔的補(bǔ)焊工作，生產(chǎn)效率高。(4)低成本 填充式攪拌摩擦焊新方法與同一時期美國楊百翰大學(xué)、美國橡樹嶺國家實驗室及日本東北大學(xué)聯(lián)合提出的Friction Bit Joining(FBJ)技術(shù)相比，成本更低廉，焊具利用率更高。

科學(xué)性、先進(jìn)性

填充式攪拌摩擦焊新方法具有以下突出優(yōu)勢：該技術(shù)有效解決了補(bǔ)焊接頭有效厚度變薄的問題；采用分體式焊具的獨特設(shè)計，在修復(fù)匙孔的同時引入軸肩對材料的摩擦攪拌作用，消除了焊縫區(qū)域應(yīng)力集中的現(xiàn)象，改善了材料的塑性流動和焊縫缺陷的愈合效果；攪拌針為與被焊結(jié)構(gòu)同質(zhì)材料制成，利用攪拌針?biāo)苄宰冃魏土鲃訉崿F(xiàn)對匙孔的填充補(bǔ)焊，無需二次加工去除多余材料；補(bǔ)焊過程采用普通攪拌摩擦焊設(shè)備即可實現(xiàn)，無需主軸急停反轉(zhuǎn)，對設(shè)備性能要求較低；焊具軸肩由高速鋼材料制成，能夠重復(fù)使用且每次補(bǔ)焊過程只需更換可消耗式攪拌針，焊具利用率高，焊接成本低。該方法與攪拌摩擦焊同屬于固相連接技術(shù)，即在補(bǔ)焊過程中不會出現(xiàn)金屬的熔化現(xiàn)象，焊接溫度較低。與現(xiàn)有方法如回抽式焊具攪拌摩擦焊相比，能夠完全避免焊縫尾部接頭有效厚度變薄的問題；與錐形無軸肩焊具攪拌摩擦焊相比，更易于控制焊接熱輸入，避免未焊合、飛邊、溝槽等焊接缺陷的產(chǎn)生；與TIG補(bǔ)焊方法相比，能夠顯著降低焊接熱輸入，大大降低焊接殘余應(yīng)力及變形，避免氣孔、裂紋的產(chǎn)生以及焊縫性能的下降。

獲獎情況及鑒定結(jié)果

(1) “大學(xué)生創(chuàng)新性實驗計劃項目” 一等獎，2010年9月。 (2) “友達(dá)杯”綠色創(chuàng)新作品大賽 環(huán)保達(dá)人獎，2011年4月。

作品所處階段

實驗室階段

技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式

無

作品可展示的形式

(1)實物、產(chǎn)品，(2)圖紙，(3)圖片，(4)錄像，(5)樣品

使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測

填充式攪拌摩擦焊分兩步流程予以實現(xiàn)：第一步，采用填充式攪拌摩擦焊技術(shù)（FFSW）對所得匙孔進(jìn)行補(bǔ)焊。第二步，采用無針焊具對補(bǔ)焊接頭表面進(jìn)行攪拌摩擦處理（FSP）。補(bǔ)焊接頭強(qiáng)度可達(dá)無缺陷原始焊縫強(qiáng)度的85%，高于TIG補(bǔ)焊接頭的73%。其伸長率更是達(dá)到無缺陷原始焊縫伸長率的99%，遠(yuǎn)高于TIG補(bǔ)焊接頭的12.2%，實現(xiàn)了對攪拌摩擦焊縫匙孔和缺陷的準(zhǔn)等強(qiáng)修復(fù)，補(bǔ)焊界面成形良好無缺陷。該方法與TIG、摩擦塞焊及FBJ技術(shù)相比，具有高效節(jié)能、綠色環(huán)保、低成本等突出優(yōu)勢?，F(xiàn)階段，我國正大力發(fā)展載人航天、商務(wù)大飛機(jī)以及軌道交通（高鐵）事業(yè)，僅就大飛機(jī)一項就投資上百億元啟動資金，對攪拌摩擦焊技術(shù)的需求日益迫切。然而攪拌摩擦焊焊縫缺陷和匙孔的補(bǔ)焊問題依然存在，且現(xiàn)有辦法并不理想，填充式攪拌摩擦焊新方法的提出有望填補(bǔ)此空白。該方法與美、日兩國同一時期提出的Friction Bit Joining(FBJ)技術(shù)相比，優(yōu)勢明顯，并有望應(yīng)用于國內(nèi)攪拌摩擦焊實際生產(chǎn)中，為攪拌摩擦焊技術(shù)在我國的推廣與發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

同類課題研究水平概述

(1)攪拌摩擦焊 采用二次攪拌摩擦焊的方法能夠修復(fù)焊縫缺陷，如溝槽、孔洞、未焊合等。但該方法無法消除補(bǔ)焊后遺留下來的匙孔。 (2)伸縮式焊具 美國國家航空航天局所采用的伸縮式焊具攪拌摩擦焊技術(shù)能夠直接消除焊縫匙孔。其焊具結(jié)構(gòu)的特點就在于軸肩與攪拌針采用了分體式設(shè)計，焊接過程與常規(guī)攪拌摩擦焊基本相同，不同點在于，當(dāng)焊接結(jié)尾部分時，攪拌針逐漸進(jìn)行回抽，通過軸肩下部塑性金屬的回填，最終實現(xiàn)匙孔的消除。但該方法的實現(xiàn)不但需要借助于復(fù)雜的控制系統(tǒng)、動力系統(tǒng)和相應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，而且焊接過程中無法生成充裕的塑化金屬回填空腔，雖然消除了焊縫匙孔，但會造成焊縫尾部接頭有效厚度變薄的問題，并不能徹底消除“木桶效應(yīng)”。 (3)錐形無軸肩焊具 錐形無軸肩焊具攪拌摩擦焊技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)無匙孔攪拌摩擦焊，焊具實物如圖1-5所示。但是，沒有了軸肩致使熱輸入難以控制，焊接過程非常不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)未焊合、飛邊、溝槽等焊接缺陷。但焊縫前進(jìn)側(cè)容易出現(xiàn)飛邊缺陷，后退側(cè)容易出現(xiàn)溝槽缺陷，接頭底部存在明顯的宏觀裂紋缺陷，焊縫有效厚度明顯減小，將進(jìn)一步降低了焊縫的機(jī)械性能和承載能力，其焊接接頭的強(qiáng)度系數(shù)僅為50%-60%，明顯低于鋁合金攪拌摩擦焊縫的強(qiáng)度系數(shù)。 (4)摩擦塞焊技術(shù) 摩擦塞焊技術(shù)同樣能夠消除焊縫匙孔。但采用該技術(shù)焊后需要二次加工去除多余材料，且焊縫區(qū)域應(yīng)力集中較嚴(yán)重，降低了焊縫的機(jī)械性能，該技術(shù)要求設(shè)備在施加頂鍛力的同時急停，對設(shè)備性能要求較高。 (5)美國楊柏翰大學(xué)、美國橡樹嶺國家實驗室和日本東北大學(xué)提出一種Friction Bit Joining (FBJ)技術(shù)。該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)1.8mm厚5754-O鋁合金薄板與1.4mm厚DP590或DP980高強(qiáng)鋼薄板的無匙孔點焊。焊具為單體式由4140鋼制成，在焊接過程中利用攪拌針的高速旋轉(zhuǎn)（500-600rev/min）穿透上部的鋁合金板，進(jìn)而以更高的轉(zhuǎn)速（～2000rev/min）與下部的高強(qiáng)鋼板接觸并形成點焊接頭，最后借助主軸的急停反轉(zhuǎn)實現(xiàn)焊具主體與攪拌針的分離，鋼制攪拌針焊接于搭接接頭內(nèi)，實現(xiàn)無匙孔點焊。但采用該技術(shù)焊具利用率低，單支焊具僅能實現(xiàn)一次無匙孔點焊，焊接成本較高。 (6)TIG 該方法操作簡便，但熱輸入量大，易引起焊縫局部區(qū)域晶粒長大，韌性降低，同時在補(bǔ)焊部位引起較大的殘余應(yīng)力和變形。
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