铝基复合材料搅拌摩擦焊搅拌头设计
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接 ， １ 示 为 Ｗ ９ 物 理性 能 。 表 所 钢
表 １ 搅拌 头材 料 （ ９ 的力 学 性 能 Ｗ ）
Ｔａ ．１ Ｔｈ ｃ ａ ｉａ ｒ ｐ ｒ ｙ ｏ ９ ｂ ｅ ｍｅ ｈ ｎ ｃ ｌｐ ｏ ｅ ｔ ｆＷ
１ 搅 拌 头 材 料 选 择
搅拌 摩 擦 焊 的特 点 要 求 搅 拌 头 在 焊 接 过 程 中 有 高 耐 磨
材 淬回 硬 ＨＣ 弯 度 Ｍ 冲 韧 ／ ． － 料 、火 度／ 抗 强 ／Ｐ 击 性 Ｋ ａ ２ Ｒ Ｊ ｍ
Ｗ９ ６ ～６ ４ ６ ４ ０ ￣ ４０ ０ ０ ５０ ３ ￣４ ５ ０
性和尺寸稳定性 ， 同时搅拌头形状复杂又要求搅拌头材料可 加工性 良好 。搅拌头材料选 取上 ， 主要从 以下几个方面进行
金属 最 成 功 的方 法 ， 了将 搅 拌 摩 擦 焊 引入 铝 基 复 合 材 料 的 为 焊 接 中 ， 索 适 用 于 铝 基 复 合 材 料 的搅 拌 摩 擦 焊 工 艺 ， 先 探 首
要解决搅拌头 的问题 ， 搅拌 头是搅 拌摩 擦焊 的技术 关键 之
一
＿ ｌ ］ ２
。
搅 拌 头 的 材料 选 择 、 拌 针 形 状 设 计 、 肩 尺 寸 等 搅 轴
在 Ｔ 发 明搅 拌 摩 擦 焊 后 ， 拌 摩 擦 焊 成 为 焊 接 有 色 搅
拌 头 在 高温 下 仍 有 良好 的硬 度 和 耐磨 性 ；
（） ４搅拌头应具有高 温抗 氧化能力 。在焊接过程 中 ， 搅
拌 头 材 料 会 发生 氧 化 ， 成 一 层 氧 化膜 ， 形 导致 机 械 磨损 加 剧 ； （） 温 下 有 良好 的可 加 工性 能 。满 足 上述 条 件 且 能 充 ５常 分 保 证 搅 拌 头在 焊 接 时 性 能 的材 料 也 不在 少 数 （ 如 Ｙ 系 例 Ｇ 列 的硬 质合 金 ）但 是 这 些 材 料 在 常 温 下 不 能 采 用 常规 的 机 ，
关键词 ： 铝基 复合材料 ； 搅拌摩擦焊 ； 搅拌 头； 材料和结构设计 中图分类号 ： ４ ６ ９ ＴＧ ５． 文献标识码 ： Ａ
机 械 磨 损 也 越剧 烈 ；
０ 前 言
铝基 复合材 料 因其高 比强 度 、 比模 量 、 高温 、 高 耐 耐腐
蚀 、 磨 损 、 电导 热 性 能 好 、 膨 胀 系 数 小 等优 点 ， 航 空 、 耐 导 热 在
损 严 重 ， 缝 质 量 较 差 。对 搅 拌 头形 状 和 尺 寸进 行 了设 计 ： 焊 最初 的“ 字 凹 凸槽 ” 计存 在 不 同心 德 患 ， 加 工 制 造 造 成 困难 ； 一 设 给
后 改 为 分体 式搅 拌 头 ， 用 螺纹 连 接 。采 用这 种 搅 拌 头 能得 到表 面光 滑 ， 观 形 貌 良好 的接 头 。 采 宏
（） ３搅拌头材料应耐高温 、 红硬性 良好 。焊接 时由于搅
拌摩擦的作用 ， 焊接 区温度较高 ， 材料会变软产生塑性变形 ，
在 这种 条件 下 被 焊 材 料对 搅 拌 头 的 磨损 加 剧 ， 须 要保 证搅 必
观结构 ，
直阻碍该材料 的迅速发展 。
参数和焊缝质量的稳定性。
械加工方法 。由搅拌头的复杂形状可知 ， 如果不能用机械加
工 ， 么加 工费 用 和 整个 搅 拌 头 的 成 本将 大大 增 加 。 那 试 验 用 母 材 ＳＣ ／ ０ ４ 铝 基 复 合 材 料 中 增 强 相 ＳＣ ｉｐ ２１ Ａ１ ｉ
的硬度能达到 ＨＶ２０ ， ８ ０ 在搅拌过程 中必然会对搅拌头造成 极 大 的 磨 损 ， 拌 头磨 损 后 将 严 重 影 响 接 头 的 性 能 和 外 观 。 搅 在铝基复合材 料搅拌摩 擦焊最 初 的试验阶段 ， 使用 工具钢 （ ） ｗ９ 制作 的搅 拌头对 Ｓ ｐ ２ １ Ａ 铝基 复合 材料进 行焊 ｉ ／０ ４ ｌ Ｃ
都将影 响搅拌摩擦焊 焊缝质量 。 目前搅 拌摩擦焊 主要应用 在有色金属领域 ， 而在传统 的钢材 以及以复合材料为代表 的 特种材料领域 ， 其应用非 常少 ， 键 的问题是 没能解决搅 拌 关 头材料选择和形状设计 问题 。在本 次铝基复合 材料 的搅 拌 摩擦焊试验 中首先从 研制适用 ＳＣ ／０ ４ １ ｉｐ ２ ２ Ａ 铝基 复合材料 的搅拌 头开始 ， 搅拌 头的材 料选取 和尺 寸设计 进行 了分 对 析。专用搅拌头 的研制 ， 为进一步开展 铝基颗粒增强复合材 料搅拌摩擦焊提供了装备保 障 ， 长寿命 的搅拌头能保证焊接
（） ２ 搅拌 头材料应具有足够 的冲击韧性 。在焊接 开始 阶
段 ， 拌 头 下压 以及 开 始 焊 接 的 瞬 间 ， 拌 头 将 受 到 很 大 的 搅 搅 冲 击 负 载 ， 焊 接 过 程 会 中也 产 生 一 定 的 振 动 ， 拌 头 容 易 在 搅
发 生疲 劳 断 裂 ；
航天 、 船舶 、 汽车制造业等领 域有广泛 的应用前 景。要 使铝 基复合材料广泛的应用 于各个方 面， 可靠连接是工程应 用 其 必须解 决的重要问题 ， 但由于铝 基复合材料复杂的宏观 和微
２１ 年 ・ ３ ０１ 第 期
技术与研究
中国材料科技与设各（ 双月刊）
铝 基 复 合 材 料 搅 拌 摩 擦 焊 搅 拌 头 设 计
刘光 铮
（ 利 油 田胜 利 石 油化 工建 设 有 限公 司 ， 东 胜 山 东营 ２ ７ ６） ５ ０ ４
摘 要 ： 中介 绍 了铝 基 复 合 材料 搅 拌 摩 擦 焊 搅 拌 头材 料 选 择 和 结 构 设 计 方 案 。根 据 铝 基 复 合 材 料 复 杂 的微 观 和 宏观 结 文 构 ， 定钢 结硬 质 合 金 Ｇ ５制 造搅 拌 头 ， 与 选 用工 具 钢 制作 的普 通 搅 拌 头 进 行 对 比 。对 比 结 果表 明 ， 通 搅 拌 头 焊后 磨 选 Ｔ３ 并 普
表 １ 搅拌 头材 料 （ ９ 的力 学 性 能 Ｗ ）
Ｔａ ．１ Ｔｈ ｃ ａ ｉａ ｒ ｐ ｒ ｙ ｏ ９ ｂ ｅ ｍｅ ｈ ｎ ｃ ｌｐ ｏ ｅ ｔ ｆＷ
１ 搅 拌 头 材 料 选 择
搅拌 摩 擦 焊 的特 点 要 求 搅 拌 头 在 焊 接 过 程 中 有 高 耐 磨
材 淬回 硬 ＨＣ 弯 度 Ｍ 冲 韧 ／ ． － 料 、火 度／ 抗 强 ／Ｐ 击 性 Ｋ ａ ２ Ｒ Ｊ ｍ
Ｗ９ ６ ～６ ４ ６ ４ ０ ￣ ４０ ０ ０ ５０ ３ ￣４ ５ ０
性和尺寸稳定性 ， 同时搅拌头形状复杂又要求搅拌头材料可 加工性 良好 。搅拌头材料选 取上 ， 主要从 以下几个方面进行
金属 最 成 功 的方 法 ， 了将 搅 拌 摩 擦 焊 引入 铝 基 复 合 材 料 的 为 焊 接 中 ， 索 适 用 于 铝 基 复 合 材 料 的搅 拌 摩 擦 焊 工 艺 ， 先 探 首
要解决搅拌头 的问题 ， 搅拌 头是搅 拌摩 擦焊 的技术 关键 之
一
＿ ｌ ］ ２
。
搅 拌 头 的 材料 选 择 、 拌 针 形 状 设 计 、 肩 尺 寸 等 搅 轴
在 Ｔ 发 明搅 拌 摩 擦 焊 后 ， 拌 摩 擦 焊 成 为 焊 接 有 色 搅
拌 头 在 高温 下 仍 有 良好 的硬 度 和 耐磨 性 ；
（） ４搅拌头应具有高 温抗 氧化能力 。在焊接过程 中 ， 搅
拌 头 材 料 会 发生 氧 化 ， 成 一 层 氧 化膜 ， 形 导致 机 械 磨损 加 剧 ； （） 温 下 有 良好 的可 加 工性 能 。满 足 上述 条 件 且 能 充 ５常 分 保 证 搅 拌 头在 焊 接 时 性 能 的材 料 也 不在 少 数 （ 如 Ｙ 系 例 Ｇ 列 的硬 质合 金 ）但 是 这 些 材 料 在 常 温 下 不 能 采 用 常规 的 机 ，
关键词 ： 铝基 复合材料 ； 搅拌摩擦焊 ； 搅拌 头； 材料和结构设计 中图分类号 ： ４ ６ ９ ＴＧ ５． 文献标识码 ： Ａ
机 械 磨 损 也 越剧 烈 ；
０ 前 言
铝基 复合材 料 因其高 比强 度 、 比模 量 、 高温 、 高 耐 耐腐
蚀 、 磨 损 、 电导 热 性 能 好 、 膨 胀 系 数 小 等优 点 ， 航 空 、 耐 导 热 在
损 严 重 ， 缝 质 量 较 差 。对 搅 拌 头形 状 和 尺 寸进 行 了设 计 ： 焊 最初 的“ 字 凹 凸槽 ” 计存 在 不 同心 德 患 ， 加 工 制 造 造 成 困难 ； 一 设 给
后 改 为 分体 式搅 拌 头 ， 用 螺纹 连 接 。采 用这 种 搅 拌 头 能得 到表 面光 滑 ， 观 形 貌 良好 的接 头 。 采 宏
（） ３搅拌头材料应耐高温 、 红硬性 良好 。焊接 时由于搅
拌摩擦的作用 ， 焊接 区温度较高 ， 材料会变软产生塑性变形 ，
在 这种 条件 下 被 焊 材 料对 搅 拌 头 的 磨损 加 剧 ， 须 要保 证搅 必
观结构 ，
直阻碍该材料 的迅速发展 。
参数和焊缝质量的稳定性。
械加工方法 。由搅拌头的复杂形状可知 ， 如果不能用机械加
工 ， 么加 工费 用 和 整个 搅 拌 头 的 成 本将 大大 增 加 。 那 试 验 用 母 材 ＳＣ ／ ０ ４ 铝 基 复 合 材 料 中 增 强 相 ＳＣ ｉｐ ２１ Ａ１ ｉ
的硬度能达到 ＨＶ２０ ， ８ ０ 在搅拌过程 中必然会对搅拌头造成 极 大 的 磨 损 ， 拌 头磨 损 后 将 严 重 影 响 接 头 的 性 能 和 外 观 。 搅 在铝基复合材 料搅拌摩 擦焊最 初 的试验阶段 ， 使用 工具钢 （ ） ｗ９ 制作 的搅 拌头对 Ｓ ｐ ２ １ Ａ 铝基 复合 材料进 行焊 ｉ ／０ ４ ｌ Ｃ
都将影 响搅拌摩擦焊 焊缝质量 。 目前搅 拌摩擦焊 主要应用 在有色金属领域 ， 而在传统 的钢材 以及以复合材料为代表 的 特种材料领域 ， 其应用非 常少 ， 键 的问题是 没能解决搅 拌 关 头材料选择和形状设计 问题 。在本 次铝基复合 材料 的搅 拌 摩擦焊试验 中首先从 研制适用 ＳＣ ／０ ４ １ ｉｐ ２ ２ Ａ 铝基 复合材料 的搅拌 头开始 ， 搅拌 头的材 料选取 和尺 寸设计 进行 了分 对 析。专用搅拌头 的研制 ， 为进一步开展 铝基颗粒增强复合材 料搅拌摩擦焊提供了装备保 障 ， 长寿命 的搅拌头能保证焊接
（） ２ 搅拌 头材料应具有足够 的冲击韧性 。在焊接 开始 阶
段 ， 拌 头 下压 以及 开 始 焊 接 的 瞬 间 ， 拌 头 将 受 到 很 大 的 搅 搅 冲 击 负 载 ， 焊 接 过 程 会 中也 产 生 一 定 的 振 动 ， 拌 头 容 易 在 搅
发 生疲 劳 断 裂 ；
航天 、 船舶 、 汽车制造业等领 域有广泛 的应用前 景。要 使铝 基复合材料广泛的应用 于各个方 面， 可靠连接是工程应 用 其 必须解 决的重要问题 ， 但由于铝 基复合材料复杂的宏观 和微
２１ 年 ・ ３ ０１ 第 期
技术与研究
中国材料科技与设各（ 双月刊）
铝 基 复 合 材 料 搅 拌 摩 擦 焊 搅 拌 头 设 计
刘光 铮
（ 利 油 田胜 利 石 油化 工建 设 有 限公 司 ， 东 胜 山 东营 ２ ７ ６） ５ ０ ４
摘 要 ： 中介 绍 了铝 基 复 合 材料 搅 拌 摩 擦 焊 搅 拌 头材 料 选 择 和 结 构 设 计 方 案 。根 据 铝 基 复 合 材 料 复 杂 的微 观 和 宏观 结 文 构 ， 定钢 结硬 质 合 金 Ｇ ５制 造搅 拌 头 ， 与 选 用工 具 钢 制作 的普 通 搅 拌 头 进 行 对 比 。对 比 结 果表 明 ， 通 搅 拌 头 焊后 磨 选 Ｔ３ 并 普