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可回抽搅拌摩擦焊技术是在传统的搅拌摩擦焊(FSW)技术的基础上研发出来的一项革命性的新技术。一直以来,传统的搅拌摩擦焊都是依靠一个固定的搅拌头进行焊接,这会在焊缝末端留下一个缺陷---匙孔。对于平板的焊接,可采用加“引导板”和“导出板”的方式消除“匙孔”,然而在焊接诸如圆筒形容器时,环焊缝上留下的“匙孔”就无法消除,必然会引起焊缝强度、质量等很多问题。因此,可回抽搅拌摩擦焊工艺的研究对消除环焊缝中的匙孔,减少缺陷,降低成本有着巨大的经济效益。
本文采用由9341钢和35CrMo钢分别做搅拌针和轴肩材料制成的人工控制可回抽搅拌头在14mm的LF21铝合金板材上模拟环形工件的焊接。在进行正式回抽工艺试验之前,先进行了搅拌摩擦焊回抽工艺的预研究,找到了进行回抽试验的合适参数,得出如下重要结论:对于14mmLF21铝合金而言,保持旋转速度1200rpm不变,前进速度在100~200mm/min之间变化时,可回抽距离应不小于100mm,否则将出现隧道或沟槽缺陷。
然后,通过采用自行研制凸头式形状的搅拌头,改变不同的工艺参数(如前进速度、回抽距离等)进行焊接,对焊后的试板进行拉伸试验,金相试验,显微硬度试验、扫描电镜试验等,得出结论如下:焊接重叠区焊接接头的性能优于一次焊接接头;焊接接头的抗拉强度值随着搅拌头的前进速度的增大先增大到最大值后减小,拉伸试样的断裂位置位于靠近焊缝前进侧,经SEM试验发现接头断口形貌属于典型的韧性断裂;当改变回抽距离时,其接头的抗拉强度也是先增大到最大值后减小,而此时试样的断裂位置位于距中心的后退侧处;当搅拌头的旋转速度1200rpm,前进速度150mm/min,且回抽距离150mm时,得到的回抽接头无缺陷且性能最佳。
此外,还设计了一种端部凹槽式搅拌针,经过与凸头式搅拌针焊接接头性能的比较,发现凹槽式搅拌针焊接的接头性能优于凸头式搅拌针,拉伸试样的断裂位置也位于距焊缝中心靠近后退侧处;从接头横向剖面的宏观金相照片中观察到,只有在凹槽式搅拌针端部下方,才有由于金属流动形成的特殊椭圆环,这是导致接头的性能较高的根本原因。