钢复合热源搅拌摩擦焊接工艺研究(5)
1.5搅拌摩擦焊工具的研究和发展
自搅拌摩擦焊从1991年由英国焊接协会发明以来，为了使搅拌摩擦焊拥有更广泛的应用领域，搅拌头无疑起到关键性作用。搅拌头主要由轴肩和搅拌针两个部分组成，其几何形貌和尺寸不仅决定着焊接过程的热输入方式，还影响着焊接过程中搅拌头附近塑性软化的流动形式。对于给定板厚的材料来说，焊接质量和效率主要取决于搅拌头的形貌和几何设计。因此，设计合理的搅拌头是提高焊接质量、获得高性能焊缝的前提和关键。二十多年来，为了使搅拌摩擦焊适合各种焊接接头、焊接位置、焊接材料等，搅拌头的形状以及制作材料都在不断的发展着。
（一）轴肩研究现状
轴肩[19]在焊接过程中主要起到两种作用：①通过与焊件表面摩擦，产生摩擦热，提供搅拌摩擦焊焊接热源；②提供一个封闭的焊接环境，对高塑性软化材料起到一个下压的力的作用，以阻止其从轴肩溢出。几种常见的轴肩形貌如图1.5所示。
图1.5 不同几何形式的轴肩形貌
（二）搅拌针研究现状
为了适应各种焊接接头形式、焊接状态、焊接方法以及焊接材料，人们设计出了多种形式的搅拌针。其主要形式大概有以下七种：①柱形搅拌针；②锥形螺纹搅拌针和三槽锥形螺纹搅拌针；③偏心圆搅拌针和偏心圆螺纹搅拌针；④非对称搅拌针；⑤外开螺纹搅拌针；⑥用于搭接的两级搅拌针；⑦可伸缩式搅拌针。其中，可伸缩式搅拌针又可分为手动可伸缩式搅拌针和自动可伸缩式搅拌针。
目前，自动变轴肩尺寸且可自动伸缩式搅拌头是搅拌头发展中最有应用前景的前沿技术，该技术解决了早期搅拌摩擦焊技术的难题，如匙孔的消除、变厚度板材的连接等，从而有效的提高了搅拌摩擦焊技术的生产效率和应用范围。
（三）搅拌针制作材料
与低熔点材料相比，高熔点材料的搅拌摩擦焊过程中搅拌头会承受更大的机械力载、摩擦热载以及更为严重的磨损，所以为了使搅拌摩擦焊能够焊接钢、钛等高熔点、高强度的材料，提高搅拌头的耐高温性、耐磨性是关键技术。
相关研究表明，要使钢在搅拌摩擦焊过程中达到理想的塑性流动状态，焊材的加热温度最高要在1000℃以上，而在如此高的温度下能够满足要求的材料往往是难容金属合金或结构陶瓷。此外，Brigham的Nelson与Megastir公司合作采用多晶立方氮化硼（PCBN）作为搅拌头材料[20]，并且针对不同高熔点材料设计了相应品级的PCBN并申请了专利。
所以，在焊接钢、钛等高熔点材料时，其搅拌头通常采用钨铼合金（W-Re）、钨-钼合金等高强度材料或是陶瓷、立方氮化硼等非金属材料作搅拌头。
1.6 研究课题的目标、内容及关键问题
1.6.1 课题研究的目标
针对搅拌摩擦焊接高强钢存在的搅拌头磨损失效快、焊接工艺差等问难，开展复合热源预热搅拌摩擦焊工艺研究，预计获得用于高强钢焊接的复合热源搅拌摩擦焊接系统及焊接工艺，突破预热温度场与摩擦产热温度场的匹配，达到解决高强钢搅拌摩擦焊的目的，加速搅拌摩擦焊在工业领域中的推广应用，同时也增加了钢等高熔点、高强度材料的焊接工艺选择范围。
1.6.2 课题研究的内容
（1）钢的搅拌摩擦焊接过程中复合热源的工艺研究；
（2）钢的复合热源搅拌摩擦焊接工艺实验和参数优化；
（3）观察焊缝宏观形貌，分析不同研究工艺下焊缝的质量；
（4）焊接试样的力学性能及微观组织分析；
（5）对焊接过程中搅拌头磨损情况的分析；