搅拌摩擦焊技术

作者：桑洋涛 姜贤峰

来源：《科学与财富》2018年第02期

        摘 要：搅拌摩擦焊（FSW）是近年来由英国焊接研究所（TWI）发明的一种新型固相连接技术。同传统的熔化焊相比，其接头不会产生与熔化有关的一些如裂纹、气孔及合金元素烧损等焊接缺陷；焊接过程中无须填充材料、保护气体；焊接前无须进行复杂的处理工作；焊接时能量消耗比传统焊接方法低。此外，焊接过程中无弧光辐射、烟尘和飞溅，噪音低，因而搅拌摩擦焊是一种高质量、高效率、低成本的"绿色焊接方法"，具有广阔的应用前景。本文对搅拌摩擦焊技术进行了概述，旨在为搅拌摩擦焊技术推广应用提供参考。

        关键词：搅拌摩擦焊；固相连接技术；推广应用

        1引言

        摩擦焊是一种压焊方法，它是在外力作用下，利用焊件接触面之间的相对摩擦运动和塑性变形所产生的热量，使接触面及附近区域的材料达到热塑性状态，并产生适当的宏观塑性变形，通过两侧材料间的相互扩散和动态再结晶而完成焊接。由于摩擦焊技术具有优质、高效、节能、无污染等优点使其在航空航天、核能、海洋开发等高技术领域及传统制造业中得到广泛应用。然而传统摩擦焊焊接过程中必须有一个工件是回转体，主要用于圆形截面盘轴类零件的焊接，因而其应用受到了一定的。

        虽然搅拌摩擦焊技术开发时间还不长，但已受到工业发达国家的高度重视。美国几家著名的航空公司争相获取了使用搅拌摩擦焊的专利许可证，并投入大量资金用于开发、应用搅拌摩擦焊技术。美国波音公司己将该种新工艺用来生产航空航天各种铝合金容器。如火箭运载工具、液氧箱、燃料箱等。空中客车公司应用搅拌摩擦焊技术成功地焊接了机翼结构。瑞典ESAB公司按许可证制造了专用焊接设备——Super-stir搅拌摩擦焊机，并己获得实际应用。目前，搅拌摩擦焊技术已能够用来焊接铝及铝合金、铜及铜合金、镁合金、钦合金、铅、锌等有色金属材料，甚至能够用于焊接黑色金属。可以相信，随着对搅拌摩擦焊技术研究工作的深入，其应用范围会越来越广。

        2搅拌摩擦焊

        2.1搅拌摩擦焊工作原理

        搅拌摩擦焊也是利用摩擦热作为焊接热源的一种固相连接方法，但与常规摩擦焊有所不同。在进行搅拌摩擦焊接时，首先将工件牢牢地固定在工作平台上，然后，搅拌焊头高速旋转并将搅拌焊针插入工件的接缝处，直至搅拌焊头的肩部与工件表面紧密接触，搅拌焊针高速旋转与其周围母材摩擦产生的热量和搅拌焊头的肩部与工件表面摩擦产生的热量共同作用，使接缝处材料温度升高而软化，同时，搅拌焊头边旋转边沿着接缝与工件作相对运动，搅拌焊头前面的材料发生强烈的塑性变形。随着搅拌焊头向前移动，高度塑性变形的材料被挤压到搅拌焊头的背后，肩部所施加的锻造力使接缝处的变形金属通过相互扩散与再结晶而牢固地结合在一起，从而完成搅拌摩擦焊接过程，如图1所示。

        2.2搅拌摩擦焊特点

        1.搅拌摩擦焊接过程中，被焊材料未经历熔化过程，仍处于固相状态，因而其接头不会产生与凝固冶金有关的一些如裂纹、气孔以及合金元素的烧损等焊接缺陷和脆化现象，适于焊接铝、铜、铅、钦、锌、镁等有色金属及其合金以及钢铁材料、复合材料等，也可用于异种材料的连接。

        2由于焊接过程中搅拌焊头的搅拌及向下的锻造力的共同作用，使焊缝区材料产生了一些力学冶金效应，如动态再结晶，从而导致焊缝区金属为锻造组织，晶粒细化，组织致密，夹杂物弥散分布。此外，搅拌摩擦焊焊接时间短，热输入量小，热影响区窄，热影响区组织无明显变化，因而其接头综合性能较好。

        3.焊接过程中无须填充材料、保护气体，焊前无须对焊件表面预处理，焊接过程中无须施加保护措施，焊接时能量消耗比传统焊接方式，因而搅拌摩擦焊成本低、效率高。

        4.搅拌摩擦焊接时热量主要是通过搅拌焊头与工件摩擦而产生的，比普通摩擦焊的热效率高，可焊接较厚的工件，如搅拌摩擦焊焊接铝合金板件，对接单面焊厚度约为1.2-50 mm，双面焊厚度可达100 mm。

        5.由于不是依靠两焊件相对摩擦来进行焊接，根本上改变了传统的摩擦焊只能焊接简单断面的局限性，扩大了应用范围。

        6.焊接变形小，焊件尺寸精度较高。由于搅拌摩擦焊为固相焊接，其加热过程具有能量密度高、热输入速度决等特点因而焊接变形小，焊后残余应力小。在保证焊接设备具有足够大的刚度、焊件装配定位精确以及严格控制焊接参数的条件下，焊件的尺寸精度高。

        7.搅拌摩擦焊工艺参数少，焊接设备简单，容易实现自动化，从而使焊接操作十分简便，焊机运行和焊接质量的可靠性大大提高。

        8.焊接过程中无弧光辐射、烟尘和飞溅，噪音低，因而搅拌摩擦焊是一种高质量、低成本的“绿色焊接方法”。

        结束语

        搅拌摩擦焊与常规摩擦焊相比，其不受轴类零件的，可进行板材的对接、搭接、角接及全位置焊接。与传统的熔化焊方法相比，搅拌摩擦焊接头不会产生与熔化有关的如裂纹、气孔及合金元素的烧损等焊接缺陷；焊接过程中不需要填充材料和保护气体，焊接前无须进行复杂的预处理，焊接后残余应力和变形小；焊接时无弧光辐射、烟尘和飞溅，噪音低。因而，搅拌摩擦焊是一种经济、高效、高质量的“绿色焊接工艺”。

        参考文献：

        [1]王德庆.搅拌摩擦焊技术的发展现状[J].大连铁道学院，2012（1）：77-78.

        [2]史耀武.搅拌摩擦焊的原理与应用[J].电焊机，2010（1）：6-9.

        [3]汪建华.搅拌摩擦焊接的传热和力学计算模型[J].焊接学报，2010（3）：61-62.