一、總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

  為達(dá)到異種材料圓筒型結(jié)構(gòu)件的攪拌摩擦焊接裝配要求，鑒于結(jié)構(gòu)件裝配操作空間的開場性要求，需將軸向移動轉(zhuǎn)換為徑向伸縮運(yùn)動形式的內(nèi)支撐機(jī)構(gòu)，現(xiàn)采用一種基于臥式串聯(lián)軸向平移轉(zhuǎn)徑向伸縮運(yùn)動的機(jī)構(gòu)構(gòu)型，實(shí)現(xiàn)零件的攪拌摩擦焊接裝配工裝的機(jī)構(gòu)傳動要求。基于臥式串聯(lián)軸向平移轉(zhuǎn)徑向伸縮機(jī)構(gòu)的構(gòu)型，為能夠較好的實(shí)現(xiàn)攪拌摩擦焊的焊前裝配，該機(jī)構(gòu)主要由伺服電機(jī)驅(qū)動機(jī)構(gòu)，軸向壓盤機(jī)構(gòu)，盤式螺旋解耦機(jī)構(gòu)、徑向撐緊機(jī)構(gòu)和軸向支撐機(jī)構(gòu)組成，其主要工作目標(biāo)為，將異種材料圓筒型結(jié)構(gòu)件實(shí)現(xiàn)對接面的對中對接，能夠?qū)崿F(xiàn)焊縫背部的徑向撐緊和軸向壓緊作用。原動機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動整套機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，旋轉(zhuǎn)副 R1 及 P4 實(shí)現(xiàn)與基體的連接支撐;手動旋轉(zhuǎn)螺旋副 H1，H1 的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動傳遞給旋轉(zhuǎn)副 R2 的外層構(gòu)件，H1 的軸向運(yùn)動傳遞給旋轉(zhuǎn)副 R2 的內(nèi)層構(gòu)件，該內(nèi)層構(gòu)件通過移動副 P1 的導(dǎo)向作用實(shí)現(xiàn)楔盤機(jī)構(gòu)平行移動，楔盤機(jī)構(gòu)的平移帶動 P3 在楔盤斜面上移動，由于 P2 將撐緊機(jī)構(gòu)導(dǎo)向，因此撐緊機(jī)構(gòu)將楔盤的斜面運(yùn)動轉(zhuǎn)化為了撐緊機(jī)構(gòu)的徑向伸縮運(yùn)動，從而將被焊接工件徑向撐緊，為更好的實(shí)現(xiàn)被焊工件的軸向夾緊，通過機(jī)架本體和螺旋副 H2 帶動的軸向壓緊機(jī)構(gòu)的相對夾緊完成焊接件的對接夾緊。

  二、異種金屬攪拌摩擦對接焊研究進(jìn)展

  1、鋁合金-鋼對接

  小組研究了 3mm 厚 5052 鋁合金和低合金高強(qiáng)度鋼的攪拌摩擦對接焊時，在不同工藝參數(shù)下金屬間化合物(IMC)的生成情況。研究表明在其它參數(shù)不變的情況下：① 攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度越高，金屬間化合物層越厚，在轉(zhuǎn)速 600r/min 時最厚約為 5.792μm。② 焊接速度越慢，金屬間化合物層越厚，在 35mm/min 時最厚約為 3.896μm。③ 軸向力越大，金屬間化合物層越厚，在 9kN 時最厚約為 3.254μm。④ 攪拌頭主軸傾斜角度為 0.5° 時，金屬間化合物層最厚約為 2.282μm。研究了 6181-T4 鋁合金和 HC260LA 及 DP600 高強(qiáng)鋼的攪拌摩擦焊。從圖 2 微觀結(jié)構(gòu)方面看，用較軟的鋼(HC260LA)產(chǎn)生的接頭界面顯示出稍大的變形，并且有較多數(shù)量和較大尺寸的高強(qiáng)鋼分離顆粒進(jìn)入鋁合金一側(cè)。接頭硬度分布也能觀察到這種差異，高強(qiáng)鋼一側(cè) HC260LA 比 DP600 顯示出更大的硬度梯度，而這正是由于不同程度的熱變形引起的。

  2、鹽霧腐蝕

  6005A-T6 鋁合金型材的母材及攪拌摩擦焊接頭酸性鹽霧試驗(yàn)失重率隨腐蝕時間的變化如圖 1 所示：試樣失重均隨腐蝕的進(jìn)行而逐漸增加，呈現(xiàn)快-慢-快-慢的規(guī)律，這是因?yàn)殡S著腐蝕時間的延長，由腐蝕產(chǎn)生的氧化物等逐漸堆積在試樣的表面，這使腐蝕介質(zhì)越來越難接觸到鋁合金表面，從而產(chǎn)生位阻效應(yīng)，阻止了腐蝕的進(jìn)一步進(jìn)行，其后速率的恢復(fù)推測為內(nèi)部的腐蝕及膨脹使附著在表面的大塊腐蝕產(chǎn)物皸裂，進(jìn)而重新形成了腐蝕介質(zhì)接觸金屬表面的通道;對比母材和焊接接頭，發(fā)現(xiàn)在前 120h 內(nèi)，失重率的變化過程基本一致;后 120h，焊接接頭的失重速率最慢，推測為腐蝕產(chǎn)物在金屬表面的覆蓋趨于穩(wěn)定，能夠有效阻隔腐蝕介質(zhì)接觸到金屬表面，而母材的失重速率卻沒有明顯減緩，推測為母材的腐蝕產(chǎn)物依然不穩(wěn)定，一直處于增厚-脫落的狀態(tài);從圖中還可以看出：與攪拌摩擦焊接頭相比各試驗(yàn)周期母材的失重率均稍高，說明焊接接頭耐蝕性優(yōu)于母材。

  3、鋁合金-鎂合金對接

  通過 FSW 方法對 12mm 厚的 AZ31B 鎂合金和 5083 鋁合金板材進(jìn)行對接試驗(yàn)，當(dāng) 5083 鋁合金置于前進(jìn)側(cè)，AZ31B 鎂合金放在后退側(cè)時，容易得到無明顯缺陷的接頭。相比于鋁合金，鎂合金一般較軟，容易塑化，塑化后的材料流入攪拌針前進(jìn)后形成的空腔內(nèi);也有人認(rèn)為鎂合金有著更好的流動性能，所以放在后退側(cè)可以很好地填充焊縫。Mclean 觀察到攪拌區(qū)域會形成薄的脆性的金屬間化合物層(IMC)，其物質(zhì)組成主要為 Al12Mg17，與離異共晶的形態(tài)一致。金屬間化合物層的存在導(dǎo)致焊縫的延伸性很差，難以達(dá)到工程應(yīng)用的要求[1]。采用「切片法」，對 3mm 厚 AZ31 鎂合金和 2024 鋁合金板材在較佳參數(shù)下獲得的攪拌摩擦焊對接接頭逐層切片，觀察 2 種材料在對接后的位置和形態(tài)，并且通過二維流動情況進(jìn)行三維重構(gòu)。通過研究，他發(fā)現(xiàn)同一層面前進(jìn)側(cè)和后退側(cè)材料流動具有不對稱性;鋸齒間距與進(jìn)給速度和攪拌頭轉(zhuǎn)速的比值相關(guān);塑化后的金屬材料遷移主要發(fā)生在水平層面，在垂直方向金屬并沒有顯著流動[2]。在研究 6061-T6 鋁合金和 AZ31 鎂合金攪拌摩擦對接焊時，將 K 型熱電偶嵌入距攪拌頭軸線 2.5mm、母材上表面 1.1mm 深的 20mm×2mm×2mm 的溝槽內(nèi)來測量 FSW 過程中的溫度。其研究表明：① 同樣的工藝參數(shù)下，前進(jìn)側(cè)的溫度要略高于后退側(cè);② 同種材料焊接時的溫度峰值要高于異種材料。

  三、結(jié)語

  攪拌摩擦焊在異種金屬材料對接焊上表現(xiàn)出很大的優(yōu)勢，通過試驗(yàn)不斷優(yōu)化工藝參數(shù)，可以獲得無明顯缺陷的對接接頭，接頭的力學(xué)性能也明顯優(yōu)于傳統(tǒng)熔焊，而且接頭的殘余應(yīng)力水平也較低。目前異種金屬攪拌摩擦焊的工藝參數(shù)主要是依靠前期大量的試驗(yàn)及技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)確定，效率較低。研究人員通過構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，就能通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬試驗(yàn)。數(shù)值模擬技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對異種金屬攪拌摩擦焊過程的應(yīng)力場、溫度場和材料流場的模擬。同時數(shù)值模擬技術(shù)還可以用在異種金屬攪拌摩擦焊對接接頭的動態(tài)力學(xué)性能，裂紋形成和擴(kuò)展機(jī)理，摩擦磨損行為等方面，對提高接頭質(zhì)量有著巨大的幫助。