搅拌摩擦焊2

摘要: 文章对搅拌摩擦焊技术的工作原理和技术特点做了简要的介绍，具体分析了搅拌摩擦焊技术在航天航空，船舶，交通工具及核工业等领域的应用现状，并预测了搅拌摩擦焊的发展趋势。铝合金等轻金属的连接是搅拌摩擦焊技术的主要应用领域，同时在搅拌摩擦焊技术的基础上进行的新技术的研究，如：表面改性，材料连接，摩擦点焊，也是一个重要的发展方向。

关键字: 搅拌摩擦焊；应用；航空；船舶；交通运输；发展

1 前言

搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding，简称FSW）是一种固相焊接新技术，是英国焊接研究所（The WeldingInstitute，简称TWI）于1991年发明的，并于次年在英国申请了发明专利，同时陆续在世界各国申请了专利保护。得到专利保护并公开以来，搅拌摩擦焊技术首先并主要在铝合金、镁合金等轻金属结构领域得到越来越广泛的应用，同时在高熔点材料领域也获得了一定发展。

近年来，搅拌摩擦焊技术在发展过程中出现了一些新的趋势，比如：许多研究机构包括企业（如Megstir公司等）进一步拓展了搅拌摩擦焊技术的研究领域，并将其用于钢（低碳钢、双相不锈钢及超细晶粒钢等）及钛合金等高熔点材料的焊接；同时，在搅拌摩擦焊技术的基础上产生了许多衍生技术，如摩擦塞焊、搅拌摩擦点焊以及表面改性和细晶材料制备技术【1】等。这些新的研究领域和发展趋势值得国内同仁充分重视

2 搅拌摩擦焊技术的工作原理 

搅拌摩擦焊技术的基本原理及工艺过程如图1所示，可以分解为4个不同阶段：旋转、插入、焊接以及离开。搅拌头旋转启动后，以一定速度插入待焊零件；停留

一段时间，搅拌头附近区域的接头材料得到足够的摩擦热输入，从而出现软化变形，并有部分材料被挤到接头外部；此时可以进行焊接，焊接时热塑化的接头材料不断被搅拌头向后转移，这部分材料在一定锻压力的作用下可以与周围材料形成牢固的扩散连接；焊接完成后，搅拌头以一定速度离开零件表面，焊接过程结束【2】。

始终处于材料熔化点以下（约为材料熔点的0.8），不会出现材料熔化，从而避免了常规熔焊工艺中因熔化-凝固现象的存在所造成的各种焊接缺陷。所以，搅拌摩擦焊是一种固相焊接技术。接头材料在高温软化状态下，由于搅拌头的挤压而形

图1  搅拌摩擦焊基本原理

成牢固的锻造细晶组织。（与此不同的是，熔焊接头通常为晶粒粗大的铸造组织）

3 搅拌摩擦焊技术的优点

搅拌摩擦焊的优点搅拌摩擦焊与传统的焊接方法相比有着更多的优点。

(1)搅拌摩擦焊是一种固相连接技术，接头性能优异。

(2)焊前不需要开坡口，可以节省焊前准备工时。

(3)焊接过程中不需要保护气，也不需要填充材料。

(4)焊接过程容易实现自动化，可以实现全位置焊接，接头质量一致性好。

(5)焊接热输入小，从而导致焊接变形小、接头残余应力水平低，是一种低应力、小变形焊接技术。

(6)焊接过程中无飞溅、无弧光、无辐射，是一种绿色焊接技术。

(7)焊接效率高、能耗低，是一种高效焊接技术。

搅拌摩擦焊技术的这一系列特点使其对于以铝合金为代表的轻金属结构焊接具有非常重要的意义。

4 搅拌摩擦焊技术的现状与应用 

4.1航天中搅拌摩擦焊技术的应用

在航空制造领域，新材料、新工艺的应用是提高飞机性能、降低制造成本的一种有效途径。研究表明，将搅拌摩擦焊应用于飞机制造中，可以代替60%以上的铆钉连接方式，能够有效减轻飞机结构重量，提高生产效率和降低生产成本。将搅拌摩擦焊和板金成型、超塑成型、喷丸成型等技术复合，可以实现飞机复杂结构和大型壁板类结构整体化制造，在提高性能、减重方面具有明显优势，所以搅拌摩擦焊技术在飞机制造领域有着广泛的应用前景，可以在飞机机翼、机身、蒙皮、密封仓、口盖、地板、仪器舱、航空器油箱、雷达冷板等结构中得到应用。

在航天制造领域，搅拌摩擦焊技术在空间运载工具和导弹类产品的生产装配、制造成本、重量和质量中同样具有诸多的优越性

尽可能地降低飞机、运载火箭等飞行器结构的重量，一直是航空航天人孜孜以求的目标。因此，轻质高强的铝合金、铝锂合金、钛合金、镁合金等轻合金材料已经在航空航天飞行器上得到了广泛地应用。搅拌摩擦焊作为一种新型的焊接技术将对铝合金等轻合金材料的连接制造产生性的影响和突破，搅拌摩擦焊技术将会伴随着中国人制造的载人航天器和新型飞机翱翔于蔚蓝的天际和太空【2】。

4.2船舶中搅拌摩擦焊技术的应用

造船工业是搅拌摩擦焊最早商业化应用的领域。渔船上用作冷冻处理的中空铝板是搅拌摩擦焊第一个应用实例,这些中空铝板结构由铝挤压板材直接搅拌摩擦焊连接而成。由于焊后变形很小和良好的工艺再现性使得搅拌摩擦焊成为生产这类刚性板件的首选方法。FSW技术在船舶制造和海洋工业中有广泛的应用前景。适于用FSW技术焊接的结构包括:甲板、壁板、隔板等板材的拼焊、铝挤压件的焊接、船体和加强件的焊接、直升机降落平台的焊接等【3】。

4.3交通运输中搅拌摩擦焊技术的应用

随着对FSW技术研究工作的深入,其在铁路运输、公路运输、建筑工业、电器行业中也有着很大的应用潜力 。对于陆路交通工业,搅拌摩擦焊在列车制造领域的应用主要为高速列车、轨道货车、地铁车厢和有轨电车、集装箱体等。搅拌摩擦焊在汽车上的应用主要为引擎、底盘和车身支架、汽车轮毂、液压成型管附件、车门预成型件、车体空间框架、卡车车体、载货车的尾部升降平台、汽车起重器、装甲车的防护甲板、汽车燃料箱、敞篷旅行车、公共汽车和机场运输车、轻合金摩托车和自行车、人工关节和零件、逃生交通工具、镁合金和铝合金的连接等【4】。

4.4核工业中搅拌摩擦焊技术的应用

搅拌摩擦焊技术在核工业领域中单片式燃料元件制造、核废料铜桶封装及核反应堆维修等方面有了一些深入的发展和研究。

目前,FSW技术已在核工业应用中展现出巨大的潜能，但是国内对于FSW在该应用领域的研究还是不成熟的。核能的不断利用和发展，需要更先进、可靠的材料连接技术作保障。随着FSW技术的不断发展，这一新型连接方法势必在核工业应用中开辟广泛的应用空间【5】。

5 搅拌摩擦焊技术的发展前景

在基础研究方面，搅拌摩擦焊技术的机理始终是一项重要课题：搅拌摩擦焊接头的接合机制、接头材料的转移特点和影响因素等方面虽然获得了一系列研究成果，但距离真正透彻地解释和利用这项技术尚有一定距离。

根据搅拌摩擦焊技术机理，在搅拌摩擦焊技术基础上可以产生许多衍生技术，如摩擦塞焊、摩擦点焊、断续焊及双轴肩搅拌摩擦焊等。其中尤其值得一提的是摩擦点焊，这项技术已被马自达等汽车制造企业所采用，中国搅拌摩擦焊中心正在全力开发搅拌摩擦焊点焊技术。该技术的推广应用将对汽车制造、飞机制造等产生性的影响。

铝合金等轻金属结构是搅拌摩擦焊技术的主要应用领域，但在钢等高熔点结构中也有一定的应用前景。如针对双相不锈钢、超细晶粒钢等，采用熔焊技术容易导致其相成分或相组织的改变。而搅拌摩擦焊由于其连接温度低，比较适合类似材料的焊接，所以近年来，对钢等高熔点材料搅拌摩擦焊技术的研究会成为一个新的热点。

搅拌摩擦焊技术不仅可以用于材料连接，也可以用于细晶材料制备和材料表面改性。这主要是由于搅拌摩擦焊接头属于锻造的细晶组织，相对于接头材料本身具有很多不同的特点，所以搅拌摩擦焊技术在材料研究领域也具有一定的用武之地，可能会成为一种新材料制备技术。

参考文献：

[1] 栾国红，柴鹏. 搅拌摩擦焊技术应用现状与发展趋势[J]. 金属加工，2008，(24)：19-21.

[2] 栾国红，郭德伦，关乔，等. 飞机制造工艺中的搅拌摩擦焊研究[J]. 航空制造技术，2002，（10）：43-46.

[3] 符道，闫海. 搅拌摩擦焊在我国船舶建造中的应用展望[J]. 热加工工艺，2005，(11)：77-78.

[4] 黄华，董仕节，刘静. 搅拌摩擦焊在车船制造中的应用[J]. 有色金属，2006，58（4）： 22-25.

[5] 徐春明，王世忠，徐蒋明. 搅拌摩擦焊技术在核工业中的应用[J]. 热加工工艺（金属铸煅焊技术），2008，37（13）：122-124.