淺析攪拌摩擦焊及其在LNG儲(chǔ)罐建設(shè)中的應(yīng)用

摩擦焊于19世紀(jì)90年代被提出，但是直到1958年隨著第一種實(shí)用的摩擦焊方法(即連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊機(jī))的試驗(yàn)成功，這項(xiàng)技術(shù)才被廣泛的運(yùn)用在汽車(chē)制造行業(yè)中。而攪拌摩擦焊工藝(Friction Stir Welding，簡(jiǎn)稱(chēng)FSW)是由Wayne Thomas于1991年在英國(guó)焊接研究所(The Welding Institute簡(jiǎn)稱(chēng) TWI)提出并開(kāi)發(fā)的。在過(guò)去的20多年時(shí)間里，人們發(fā)現(xiàn)攪拌摩擦焊技術(shù)在兩種不同的金屬合金(如鋁、鋼、鉻、鋅、銅、鉿和鋯等)的焊接中有著十分廣泛的應(yīng)用。通過(guò)攪拌摩擦焊技術(shù)相融合的合金金屬通常可以提高其強(qiáng)度和耐腐蝕性能。

相較于攪拌摩擦焊，傳統(tǒng)的焊接技術(shù)常存在以下問(wèn)題：(1)強(qiáng)化顆粒在凝固過(guò)程中嚴(yán)重偏析；(2)強(qiáng)化顆粒與熔融基體之間會(huì)發(fā)生不利的化學(xué)反應(yīng)。傳統(tǒng)焊接技術(shù)制作出的焊接接頭性能好壞與兩種金屬合金的熔化溫度、熱性能和焊后冷卻速率方面的差異有關(guān)。同時(shí)，焊縫區(qū)析出相的溶解、收縮以及不同材料的顯微組織對(duì)焊接接頭強(qiáng)度也存在一定影響。

而攪拌摩擦焊技術(shù)是一種固態(tài)焊接，非消耗性的攪拌針在工件的兩個(gè)表面之間旋轉(zhuǎn)，摩擦產(chǎn)生熱量，最終導(dǎo)致兩個(gè)工件在機(jī)械壓力作用下相互混合并結(jié)合成一個(gè)整體。該工藝可制造出高質(zhì)量、高強(qiáng)度、低變形的接頭，并適用于各種材料厚度和一定長(zhǎng)度范圍內(nèi)的對(duì)接接頭和搭接接頭的焊接。

各髑髏骨被刀砍身死者(骨上有刀痕可驗(yàn))、身首異處者(腦骨白色，因身部血?dú)獠荒軟_上，故腦骨白色囟門(mén)，無(wú)血癊)、中彈身死者(骨上有彈洞可驗(yàn))、鈍器擊傷身死者(頭部有骨損可驗(yàn)，若致命之胸腹等處囟門(mén)牙根現(xiàn)紅色血)、焚燒身死者(骨殖黑焦且有灰未因年久骨腐未獲) 。?

1 攪拌頭(FSW Tool)

攪拌頭 由攪拌針、軸肩、過(guò)渡段和夾持柄四部分組成，主要發(fā)揮三個(gè)功能：1、加熱待焊工件，使工件發(fā)生熱塑性變化；2、攪拌頭移動(dòng)以產(chǎn)生焊接接頭；3、密封軸肩下的熱金屬，防止熱塑性材料溢出，同時(shí)清理表面氧化膜。因此，為達(dá)到以上的目的，攪拌頭的材質(zhì)要具有良好的耐高溫性和耐磨性，同時(shí)也需具備優(yōu)良的靜力學(xué)性能。攪拌頭材質(zhì)的選擇往往要根據(jù)待焊工件的材料、結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行選擇，常見(jiàn)的材質(zhì)有馬氏體不銹鋼、中碳鋼、高碳鋼、工具鋼和工程陶瓷氧化鋯等。

與摩擦焊原理相類(lèi)似，都是通過(guò)摩擦作用產(chǎn)生熱量，在溫度低于金屬工件熔點(diǎn)的狀態(tài)下使其發(fā)生熱塑性變化。不同于摩擦焊的圓端面相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的摩擦熱，攪拌摩擦焊是由攪拌頭的高速旋轉(zhuǎn)，隨后插入待焊工件中，攪拌針與焊縫接頭兩側(cè)的材料摩擦產(chǎn)生足夠的熱量，使兩側(cè)的金屬材料處于熱塑性狀態(tài)，在頂鍛壓力作用下，軸肩與待焊工件表面產(chǎn)生摩擦熱，并營(yíng)造出密閉空間，攪拌針在破碎氧化層的同時(shí)攪拌和重組后側(cè)已被磨碎的材料，后側(cè)金屬材料原子在整個(gè)過(guò)程中發(fā)生擴(kuò)散和再結(jié)晶作用，在冷卻后形成固態(tài)焊縫。

(4)頂鍛壓力：頂鍛壓力不足時(shí)，會(huì)使得發(fā)生熱塑性變化的金屬發(fā)生上浮現(xiàn)象，造成焊接溢出；頂鍛壓力過(guò)大時(shí)又會(huì)使得軸肩發(fā)生粘頭現(xiàn)象，造成飛邊和毛刺等缺陷。為確保達(dá)到必要的向下壓力，并確保工具完全穿透焊縫，需要對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑O(shè)置。

攪拌頭肩軸的直徑是十分重要的參數(shù)，過(guò)大則會(huì)使得焊接溫度超過(guò)待焊工件的熔點(diǎn)，過(guò)小則會(huì)使待焊工件難以達(dá)到熱塑性狀態(tài)，通常攪拌頭軸肩的直徑是攪拌針直徑的3倍左右。以對(duì)接焊為例，在此種焊接情況下，攪拌針的長(zhǎng)度要近似于工件的厚度，若過(guò)短，則會(huì)在焊接接頭處出現(xiàn)裂紋狀未焊合缺陷。在這種焊接中，圓柱形軸肩與攪拌針旋轉(zhuǎn)并插入兩個(gè)材料之間的接頭區(qū)域。這些部件必須用力夾緊，以避免接合面被強(qiáng)行分開(kāi)。工件和耐磨的攪拌頭之間產(chǎn)生摩擦熱導(dǎo)致工件在沒(méi)有達(dá)到熔點(diǎn)的情況下軟化，從而使得攪拌頭下部的攪拌針能夠沿著焊縫順利穿過(guò)。達(dá)到熱塑狀態(tài)的金屬材料轉(zhuǎn)移到攪拌針后緣，與軸肩以及攪拌針緊密接觸鍛造。在冷卻之后，不同金屬工件之間形成固相結(jié)合，即完成焊接。

2 焊接參數(shù)：

接下來(lái)的研究會(huì)考慮修正隨機(jī)梯度{s;R+}及其共軛{與計(jì)數(shù)算子N,Skorohod 積分等之間的關(guān)系。

再偉大的頂層設(shè)計(jì)，如果落實(shí)不了，就只能是一堆文字。落實(shí)就是實(shí)實(shí)在在的拿理論與實(shí)際相結(jié)合，辦公室的督查督辦就是督這個(gè)“結(jié)合”是否到位，這就需要辦公室正確分析頂層設(shè)計(jì)的要求，確保落實(shí)部門(mén)準(zhǔn)確理解頂層設(shè)計(jì)，然后及時(shí)將底層落實(shí)過(guò)程中碰到的各種問(wèn)題困難等情況反饋給領(lǐng)導(dǎo)，而這些過(guò)程中只有用好了同理心，才能捏住七寸、清通障礙，確保重要決策落得快、準(zhǔn)、實(shí)，確保各項(xiàng)工作按時(shí)順利完成。

(1)

攪拌摩擦焊與熔焊相比有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)：(1)此焊接技術(shù)避免了與液相冷卻相關(guān)的問(wèn)題。在此過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)氣孔、固化裂紋、溶解物、顆粒再分布和液化開(kāi)裂等問(wèn)題。雖然也會(huì)存在一些缺陷，但是這些缺陷產(chǎn)生的幾率較低，多半是由于焊接參數(shù)或者材料的變化導(dǎo)致的，在工程應(yīng)用中是完全可以接受的；(2)此焊接技術(shù)由于沒(méi)有熔合的過(guò)程，因此消除了大多數(shù)因凝固和冷卻而產(chǎn)生的熱收縮問(wèn)題。同時(shí)因?yàn)楹附拥臏囟鹊?，?duì)焊接后構(gòu)件結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力小得多。雖然這種焊接技術(shù)在焊接過(guò)程中的變形顯著減少，但它仍然不是一個(gè)零變形技術(shù)；(3)此項(xiàng)焊接技術(shù)可以很容易地在簡(jiǎn)單的銑床上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。這對(duì)設(shè)備、結(jié)構(gòu)安裝和人員培訓(xùn)的成本帶來(lái)了不小的節(jié)省。同時(shí)在攪拌摩擦焊接的幫助下，我們 通?？梢垣@得良好的焊接外觀(guān)，從而減少了焊后返修帶來(lái)的額外昂貴成本；(4)焊接過(guò)程不會(huì)產(chǎn)生輻射、飛濺、弧光，對(duì)環(huán)境的影響低；(5)對(duì)于鋁合金，不需要焊料和保護(hù)氣體；(6)該工藝在平焊、立焊、仰焊和俯焊中具有很強(qiáng)的適用性，同時(shí)適用于對(duì)接、搭接和點(diǎn)焊等幾何形狀，焊接可以在任何位置進(jìn)行；(7)使用該工藝進(jìn)行對(duì)接焊時(shí)，不需要考慮提前對(duì)焊接坡口進(jìn)行V型、U型或X型的預(yù)制處理，也不需要預(yù)留焊接所需的頓邊和間隙。

(1)轉(zhuǎn)動(dòng)速度：與電弧焊接或激光焊接相比，這是必要的過(guò)程。因?yàn)閿嚢桀^必須在接頭上轉(zhuǎn)動(dòng)以產(chǎn)生熱量，然后沿著接頭的長(zhǎng)度傳遞熱量。

使用攪拌摩擦焊接時(shí)，必須控制以下參數(shù)：

該攪拌頭的尖端處裝有攪拌針，從式(1)中可看出，若轉(zhuǎn)速過(guò)低，摩擦熱不夠，待焊金屬工件難以達(dá)到熱塑性狀態(tài)，焊接結(jié)束后會(huì)形成孔洞缺陷；若過(guò)大則會(huì)溫度超過(guò)熔點(diǎn)，金屬熔化易造成焊接缺陷。常規(guī)的旋轉(zhuǎn)范圍在200-2000 r/min之間。同時(shí)摩擦熱、攪拌過(guò)程、氧化層破碎和材料的混合等都會(huì)影響攪拌針的轉(zhuǎn)速。

(2)焊接速度：指攪拌頭與待焊工件的相對(duì)速度。一般來(lái)說(shuō)，焊接速度要維持在60-900mm/s之間。不同金屬合金材料，不同板厚所對(duì)應(yīng)的焊接速度都是不相同的。表1列舉了一些金屬合金的最適焊接速度。(3)攪拌針傾角：攪拌針的傾斜會(huì)對(duì)焊接過(guò)程產(chǎn)生重大影響。一般的攪拌頭的攪拌針與中心軸線(xiàn)都會(huì)存在一定夾角，采用這種方式可以提高熱塑性軟化區(qū)域的范圍，使得待焊工件金屬材料的受熱更加均勻，可以有效避免孔洞的缺陷。通常，攪拌針和待焊接頭之間的傾角要保持在2-4度 的范圍內(nèi)。

在進(jìn)行對(duì)接和搭接的攪拌摩擦焊作業(yè)時(shí)，攪拌頭除了旋轉(zhuǎn)以產(chǎn)生需要的熱量以外，還要沿著既定路線(xiàn)進(jìn)行移動(dòng)(對(duì)接焊時(shí)要沿著兩個(gè)待焊工件之間的對(duì)接接頭方向移動(dòng)；搭接焊時(shí)要在待焊工件重疊區(qū)域，沿著搭接方向移動(dòng))來(lái)制造高質(zhì)量的對(duì)接焊或搭接焊。其中，攪拌頭下端的攪拌針被封裝在一個(gè)直徑更大的軸肩下，其外形在最早的攪拌摩擦焊中是柱形的，但在工作時(shí)發(fā)生熱塑性變化的材料流動(dòng)性差，尤其是針對(duì)板厚大于12mm的焊接作業(yè)，焊后性能低。為此TWI將攪拌針改為帶有螺紋的異形針。如圖1所示大致有三類(lèi)，一種是等螺距雙缺口的螺旋攪拌針，一種是等螺距三缺口的螺旋攪拌針，最后一種是變螺距無(wú)缺口的螺旋攪拌針。此類(lèi)攪拌針由于螺紋的存在，使得塑性流態(tài)金屬更易流動(dòng)。同時(shí)因?yàn)槁菁y與待焊工件的接觸面積變大，也能產(chǎn)生更多的熱量，使得待焊工件的內(nèi)部金屬加熱更均勻，焊接質(zhì)量更好。

3 工作原理

事業(yè)單位對(duì)于所有的活動(dòng)都必須有預(yù)算機(jī)制，在活動(dòng)執(zhí)行過(guò)程中，財(cái)務(wù)部門(mén)要對(duì)財(cái)務(wù)人員和固定資產(chǎn)進(jìn)行全面的管理，財(cái)務(wù)人員應(yīng)當(dāng)具備預(yù)測(cè)資產(chǎn)使用情況的能力，在實(shí)際的操作過(guò)程中，預(yù)測(cè)的資產(chǎn)使用會(huì)隨著真實(shí)情況的不斷變化而發(fā)生變化，也就是說(shuō)，工作人員要加強(qiáng)對(duì)于所有事件的觀(guān)察，防止因?yàn)楣芾砩系氖韬龆鴮?dǎo)致資產(chǎn)費(fèi)用盲目的使用。為加強(qiáng)管理，事業(yè)單位可以增加一項(xiàng)機(jī)制：將財(cái)務(wù)人員對(duì)于事件的反應(yīng)能力而做出的預(yù)算結(jié)果登記在冊(cè)，進(jìn)行月末劃分等級(jí)，以此來(lái)鞭策財(cái)務(wù)人員。

4 焊接特點(diǎn)

式中：

——熱源強(qiáng)度，W/m

；

——旋轉(zhuǎn)角速度，rad/min；

——摩擦系數(shù)；

——軸肩與工件之間的壓力，Pa；

——軸肩的直徑，m；

——攪拌焊頭中心到軸肩的距離，(

≤

)m；

——攪拌頭焊頭旋轉(zhuǎn)速度，r/min。

水不僅是生命之源，更是經(jīng)濟(jì)發(fā)展中不可或缺的重要資源之一。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì) “新常態(tài)”的到來(lái)，城鎮(zhèn)化建設(shè)成為拉動(dòng)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定增長(zhǎng)的新戰(zhàn)略［1］。 2016 年末我國(guó)城鎮(zhèn)化率為 57.35%［2］， 根據(jù)世界城市化發(fā)展規(guī)律，我國(guó)正處在城鎮(zhèn)化 （30%～70%）快速發(fā)展的時(shí)期［3］。目前我國(guó)正在大力推動(dòng)城鎮(zhèn)化建設(shè)，城鎮(zhèn)化發(fā)展過(guò)程中的人口遷移和聚集、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、社會(huì)消費(fèi)規(guī)模擴(kuò)大等將加速水資源的消耗，水資源出現(xiàn)了區(qū)域性的供需問(wèn)題［4］。我國(guó)水資源短缺與城鎮(zhèn)化水資源消耗日益增多的矛盾越來(lái)越突出。

但也存在著一些缺點(diǎn)和局限性：(1)由于沒(méi)有填充焊絲，攪拌摩擦焊不能方便地用于制作角焊縫；(2)同樣由于其焊接方法特點(diǎn)的限制，大多數(shù)用在結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的工件焊接中，如平直的結(jié)構(gòu)或圓筒形結(jié)構(gòu)的焊接，對(duì)于厚度存在顯著變化的焊件并不適用；(3)摩擦攪拌焊技術(shù)通常需要良好的支撐和襯墊，防止焊穿；(4)在焊接結(jié)束后攪拌針離開(kāi)工件后會(huì)形成無(wú)法填補(bǔ)的小孔(匙孔)，需要后期補(bǔ)焊或切除掉。

5 應(yīng)用

攪拌摩擦焊技術(shù)最早被挪威的Sapa公司、瑞典的Hydro Marine公司、美國(guó)的波音公司、洛克希德·馬丁公司和月蝕公司、歐洲的空中客車(chē)公司以及日本的三菱重工和富士重工等企業(yè)推廣應(yīng)用于航空航天、造船和海洋、汽車(chē)、通用制造、鐵路車(chē)輛、計(jì)算機(jī)、鑄造、粉末冶金等行業(yè)。而中國(guó)關(guān)于此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用還要從2002年國(guó)內(nèi)第一臺(tái)專(zhuān)機(jī)攪拌摩擦焊設(shè)備的交付使用開(kāi)始并蓬勃發(fā)展?；鸺剂腺A箱、航天飛機(jī)外掛燃料貯箱、導(dǎo)彈武器艙段制造、船舶的寬幅鋁合金壁板拼接、電子設(shè)備冷卻器冷卻通道的密封、高速列車(chē)、軌道列車(chē)、新能源汽車(chē)電池殼體等方面均開(kāi)始并廣泛使用攪拌摩擦焊技術(shù)。

6 研究建議

在輕量化、高質(zhì)量等多重要求下，攪拌摩擦焊已經(jīng)開(kāi)始在各個(gè)領(lǐng)域被廣泛使用。隨著研究的深入和發(fā)展，為解決該焊接技術(shù)存在的“匙孔”問(wèn)題和因墊板和加固剛性裝備造成的不便，對(duì)攪拌頭進(jìn)行了改進(jìn)，現(xiàn)已開(kāi)發(fā)出“可伸縮式”和“雙軸肩”攪拌頭?？紤]到攪拌摩擦焊的焊縫高質(zhì)量和對(duì)環(huán)境影響小等特點(diǎn)，建議在LNG儲(chǔ)罐建設(shè)中使用此項(xiàng)焊接技術(shù)。

在現(xiàn)階段的LNG儲(chǔ)罐建設(shè)中，外罐底板、二次底板、內(nèi)罐底板、內(nèi)罐壁板在焊接過(guò)程中大多采用手工電弧焊，自動(dòng)化程度低，且焊接作業(yè)時(shí)造成的煙塵十分嚴(yán)重，尤其是在罐內(nèi)這個(gè)密閉空間的施工作業(yè)，對(duì)人的身體健康會(huì)造成很大影響。與此同時(shí)，受到熔化焊固有缺陷和焊接作業(yè)時(shí)的環(huán)境影響，極易造成焊接缺陷。以20萬(wàn)方級(jí)的LNG全容儲(chǔ)罐為例，其二次底外部環(huán)形板厚度為12mm，二次底內(nèi)部環(huán)形板、異形板、中幅板厚度均為5mm，內(nèi)罐壁板的厚度在29.2mm-10mm之間(厚度由下往上逐層遞減)，內(nèi)罐底環(huán)形板的厚度為24mm，其余內(nèi)罐底板的厚度為6mm。上述二次底板搭接焊接示意圖如圖2所示。同時(shí)這幾個(gè)板材均為鎳鋼金屬(9鎳)，以上因素均滿(mǎn)足攪拌摩擦焊的適用范圍。若在LNG儲(chǔ)罐建設(shè)中采用此項(xiàng)技術(shù)，則會(huì)面臨“匙孔”、底板焊接墊板施加不便、內(nèi)罐壁板厚度逐層變化等困難?，F(xiàn)階段針對(duì)部分上述問(wèn)題，存在有較好的解決方法：如在解決“匙孔”問(wèn)題上，可以選擇使用“可抽回技術(shù)”或者氬弧焊的方式進(jìn)行補(bǔ)焊處理。同時(shí)也可用此“可抽回技術(shù)”適用于不同厚度的內(nèi)罐壁板焊接；對(duì)于二次底外部環(huán)形板和內(nèi)罐底環(huán)形板焊接的墊板問(wèn)題，可以采用“雙軸肩”攪拌頭進(jìn)行解決。但考慮到罐內(nèi)空間大小對(duì)底板鋪張的限制，當(dāng)使用攪拌摩擦焊技術(shù)對(duì)二次底中幅板、異形板和內(nèi)罐底中幅板、異形板焊接時(shí)的墊板問(wèn)題仍沒(méi)有較好的解決方法。若能解決上述問(wèn)題，則此焊接技術(shù)在LNG全容儲(chǔ)罐建設(shè)中的運(yùn)用，將大大減少焊接和返修成本，同時(shí)更加符合文明施工的要求。

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