搅拌摩擦焊接(FSW)是由英国焊接研究所TwI 针对铝合金、镁合金等轻型有色金属开发的一种高效率、高质量的“绿色”焊接技术，被誉为“继激光焊后又一个革命性的焊接技术”。该方法的问世，使得以往采用传统熔焊方法无法连接的材料通过搅拌摩擦焊技术实现高质量的焊接。目前，搅拌摩擦焊技术已在飞机制造、机车车辆和船舶制造等领域得到广泛的应用。搅拌摩擦焊过程中产生了大量的热，这些热量主要来源于搅拌头与焊件材料接合面间的摩擦热、搅拌头附近材料的塑性变形产生的热，其中摩擦热是焊接产热的主体。这些热量对焊缝及其附近的母材施以热循环作用，对接头性能和焊接质量起关键作用。因此，研究搅拌摩擦焊的产热机制，建立热源解析的数学模型，可以从理论上预测材料在一定的焊接参数下所经历的热过程，对优化焊接参数、获得高质量的接头具有重要作用 [1]. 搅拌摩擦焊过程中，输入热量的大小和分布直接影响到焊接质量。热输入主要来自3个方面：轴肩与焊接材料表面的摩擦热；搅拌针与焊件接触面处的摩擦热；搅拌针附近焊缝金属的塑性变形热。。试验中发现，若焊接参数选择不当，会造成焊接过程中的热输入不合理，将直接影响到焊缝的表面形貌和力学性能。所以，研究搅拌摩擦焊接过程中温度场的变化规律对研究焊缝金属流动、分析焊接应力及变形、深入了解搅拌摩擦焊机理、制定合理焊接工艺具有十分重要的现实意义[2]。 3.Sato 、Tang 、Kwon 、Hashimoto 、Arbegast 和苏晓莉等人研究了焊接速度和搅拌头转速对焊接过程温度场的影响，得出以下结论： (1)当焊接过程达到稳定状态，焊核区峰值温度低于材料的熔点，一般介于被焊材料熔点的60％一90％之间，但不排除非稳态下局部熔化的产生。 (2)焊接过程温度场在焊缝前进侧和后退侧是不对称分布的，前进侧温度略微高于后退侧的。 (3)峰值温度随着搅拌头转速的提高而上升。随着焊接速度的提高而略微降低。当焊接过程温度较低时。峰值温度对搅拌头转速的变化比较敏感，略微挺高搅拌头转速峰值温度就会有很大的上升。而当焊接过程温度较高时。提高搅拌头转速时峰值温度的影响相对较小。 (4)峰值温度随着转速/焊速比的提高而上升。 另外，轴间压力、搅拌头形状和倾角、时间尺寸和性能等许多因素都可以对焊接温度场造成影响。 1 摩擦搅拌焊接过程温度测量试验 1 l 试验材料与设备 试验材料选用传统熔化焊方法难以焊接的2024-T4硬铝合金板，其化学成分如表1。 1.2试验方法与过程 焊接试验中所用2024铝合金试件尺寸为250mm ×50mm ×5mm 板。由于本实验采用的焊接接头主要是对接的形式，所以每次焊接前需要将两个试件并排用夹具表1 2024 铝台金的化学成分(质量分数) %
摩擦焊原理简介
连续驱动摩擦焊基本原理 1．焊接过程 连续驱动摩擦焊接时，通常将待焊工件两端分别固定在旋转夹具和移动夹具内，工件被夹紧后，位于滑台上的移动夹具随滑台一起向旋转端移动，移动至一定距离后，旋转端工件开始旋转，工件接触后开始摩擦加热。此后，则可进行不同的控制，如时间控制或摩擦缩短量（又称摩擦变形量）控制。当达到设定值时，旋转停止，顶锻开始，通常施加较大的顶锻力并维持一段时间，然后，旋转夹具松开，滑台后退，当滑台退到原位置时，移动夹具松开，取出工件，至此，焊接过程结束。 对于直径为16mm的45号钢，在2000r/min转速、8.6MPa摩擦压力、0.7s摩擦时间和161MPa的顶锻压力下，整个摩擦焊接过程如图10所示。从图中可知，摩擦焊接过程的一个周期可分成摩擦加热过程和顶锻焊接过程两部分。摩擦加热过程又可以分成四个阶段，即初始摩擦、不稳定摩擦、稳定摩擦和停车阶段。顶锻焊接过程也可以分为纯顶锻和顶锻维持两个阶段。 （1）初始摩擦阶段（t1）此阶段是从两个工件开始接触的a点起，到摩擦加
热功率显著增大的b点止。摩擦开始时，由于工件待焊接表面不平，以及存在 氧化膜、铁锈、油脂、灰尘和吸附气体等，使得摩擦系数很大。随着摩擦压力 的逐渐增大，摩擦加热功率也慢慢增加，最后摩擦焊接表面温度将升到200～ 300℃左右。 在初始摩擦阶段，由于两个待焊工件表面互相作用着较大的摩擦压力和具有很高 的相对运动速度，使凸凹不平的表面迅速产生塑性变形和机械挖掘现象。塑性 变形破坏了界面的金属晶粒，形成一个晶粒细小的变形层，变形层附近的母材 也沿摩擦方向产生塑性变形。金属互相压入部分的挖掘，使摩擦界面出现同心 圆痕迹，这样又增大了塑性变形。因摩擦表面不平，接触不连续，以及温度升 高等原因，使摩擦表面产生振动，此时空气可能进入摩擦表面，使高温下的金 属氧化。但由于t1时间很知，摩擦表面的塑性变形和机械挖掘又可以破坏氧化 膜，因此，对接头的影响不大。当焊件断面为实心圆时，其中心的相对旋转速 度为零，外缘速度最大，此时焊接表面金属处于弹性接触状态，温度沿径向分 布不均匀，摩擦压力在焊接表面上呈双曲线分布，中心压力最大，外缘最小。 在压力和速度的综合影响下，摩擦表面的加热往往从距圆心半径2/3左右的地方 首先开始。 （2）不稳定摩擦阶段（t2）不稳定摩擦阶段是摩擦加热过程的一个主要阶段， 该阶段从摩擦加热功率显著增大的b点起，越过功率峰值c点，到功率稳定值 的d点为止。由于摩擦压力较初始摩擦阶段增大，相对摩擦破坏了焊接金属表 面，使纯净的金属直接接触。随着摩擦焊接表面的温度升高，金属的强度有所 降低，而塑性和韧性却有很大的提高，增大了摩擦焊接表面的实际接触面积。 这些因素都使材料的摩擦系数增大，摩擦加热功率迅速提高。当摩擦焊接表面 的温度继续增高时，金属的塑性增高，而强度和韧性都显著下降，摩擦加热功 率也迅速降低到稳定值d点。因此，摩擦焊接的加热功率和摩擦扭矩都在c点 呈现出最大值。在45号钢的不稳定摩擦阶段，待焊表面的温度由200～300℃升 高到1200～1300℃，而功率峰值出现在600～700℃左右。这时摩擦表面的机械 挖掘现象减少，振动降低，表面逐渐平整，开始产生金属的粘结现象。高温塑 性状态的局部金属表面互相焊合后，又被工件旋转的扭力矩剪断，并彼此过渡。 随着摩擦过程的进行，接触良好的塑性金属封闭了整个摩擦面，并使之与空气 隔开。 （3）稳定摩擦阶段（t3）稳定摩擦阶段是摩擦加热过程的主要阶段，其范围 从摩擦加热功率稳定值的d点起，到接头形成最佳温度分布的e点为止，这里
Trans. Nonferrous Met. Soc. China 22(2012) 1064í1072 Correlation between welding and hardening parameters of friction stir welded joints of 2017 aluminum alloy Hassen BOUZAIENE, Mohamed-Ali REZGUI, Mahfoudh AYADI, Ali ZGHAL Research Unit in Solid Mechanics, Structures and Technological Development (99-UR11-46), Higher School of Sciences and Techniques of Tunis, Tunisia Received 7 September 2011; accepted 1 January 2011 Abstract: An experimental study was undertaken to express the hardening Swift law according to friction stir welding (FSW) aluminum alloy 2017. Tensile tests of welded joints were run in accordance with face centered composite design. Two types of identified models based on least square method and response surface method were used to assess the contribution of FSW independent factors on the hardening parameters. These models were introduced into finite-element code “Abaqus” to simulate tensile tests of welded joints. The relative average deviation criterion, between the experimental data and the numerical simulations of tension-elongation of tensile tests, shows good agreement between the experimental results and the predicted hardening models. These results can be used to perform multi-criteria optimization for carrying out specific welds or conducting numerical simulation of plastic deformation of forming process of FSW parts such as hydroforming, bending and forging. Key words: friction stir welding; response surface methodology; face centered central composite design; hardening; simulation; relative average deviation criterion 1 Introduction Friction stir welding (FSW) is initially invented and patented at the Welding Institute, Cambridge, United Kingdom (TWI) in 1991 [1] to improve welded joint quality of aluminum alloys. FSW is a solid state joining process which was therefore developed systematically for material difficult to weld and then extended to dissimilar material welding [2], and underwater welding [3]. It is a continuous and autogenously process. It makes use of a rotating tool pin moving along the joint interface and a tool shoulder applying a severe plastic deformation [4]. The process is completely mechanical, therefore welding operation and weld energy are accurately controlled. B asing on the same welding parameters, welding joint quality is similar from a weld to another. Approximate models show that FSW could be successfully modeled as a forging and extrusion process [5]. The plastic deformation field in FSW is compared with that in metal cutting [6í8]. The predominant deformation during FSW, particularly in vicinities of the tool, is expected to be simple shear, and parallel to the tool surface [9]. When the workpiece material sticks to the tool, heat is generated at the tool/workpiece contact due to shear deformation. The material becomes in paste state favoring the stirring process within the thermomechanically affected zone, causing a large plastic deformation which alters micro and macro structure and changes properties in polycrystalline materials [10]. The development of the mechanical behavior model, of heterogeneous structure of the welded zone, is based on a composite material approach, therefore it must takes into account material properties associated with the different welded regions [11]. The global mechanical behavior of FSW joint was studied through the measurement of stress strain performed in transverse [12,13] and longitudinal [14] directions compared with the weld direction. Finite element models were also developed to study the flow patterns and the residual stresses in FSW [15]. B ased on all these models, numerical simulations were performed in order to investigate the effects of welding parameters and tool geometry on welded material behaviors [16] to predict the feasibility of the process on various shape parts [17]. Corresponding author: Mohamed-Ali REZGUI; E-mail: mohamedali.rezgui@https://www.doczj.com/doc/2511396905.html, DOI: 10.1016/S1003-6326(11)61284-3
1.接头设计 1）接头设计原则 （1）对旋转式摩擦焊，至少有一个圆形截面。 （2）为了夹持方便、牢固，保证焊接过程不失稳，应尽量避免设计薄管、薄板接头。 （3）一般倾斜接头应与中心线成30°～45°的斜面。 （4）对锻压温度或热导率相差较大的材料，为了使两个零件的锻压和顶锻相对平衡，应调整界面的相对尺寸。 （5）对大截面接头，为了降低摩擦加热时的扭矩和功率峰值，采用端面导角的办法可使焊接时接触面积逐渐增加。 （6）如要限制飞边流出（如不能切除飞或不允许飞边暴露时），应预留飞边槽。 （7）对于棒－棒、和棒－板接头，中心部位材料被挤出形成飞边时，要消耗更多的能量，而焊缝中心部位对扭矩和弯曲应力的承担又很少，所 以，如果工作条件允许，可将一个或两个零件加工成具有中心孔洞， 这样既可用较小功率的焊机，又可提高生产率。 （8）采用中心部位突起的接头，见图1，可有效地避免中心未焊合。 （9）摩擦面要避免采用渗碳、渗氮等。 （10）为了防止由于轴向力（摩擦力、顶锻力）引起的滑退，通常在工件后面设置挡块。 （11）工件伸出夹头的尺寸要适当，被焊工件应尽可能有相同的伸出长度。
图1 接头表面突起设计标准 2）摩擦焊接头的形式 表1是摩擦焊接头的基本形式。 表1 摩擦焊接头的基本形式 2. 连续驱动摩擦焊的焊接参数 1）主要的焊接参数 可以控制的主要焊接参数有转速、摩擦压力、摩擦时间、摩擦变形量、停车时间、顶锻延时、顶锻时间、顶锻力、顶锻变形量。其中，摩擦变形量和顶锻变形量（总和为缩短量）是其它参数的综合反映。
（1）转速和摩擦压力 转速和摩擦压力直接影响摩擦扭矩、摩擦加热功率、接头温度场、塑性层厚度以及摩擦变形速度等。 工件直径一定时，转速代表摩擦速度。实心圆截面工件摩擦界面上的平均摩擦速度是距圆心为2/3半径处的摩擦线速度。稳定摩擦扭矩与平均摩擦速度、摩擦压力的关系见图2。摩擦变形速度与平均摩擦速度、摩擦压力的关系见图3。转速对热影响区和飞边形状的影响见图4。 图2 摩擦扭矩与平均摩擦速度、摩擦压力的关系曲线 （低碳钢管φ19mm×3.15mm）
摩擦焊 ?摩擦焊原理与分类 ?惯性摩擦焊 ?搅拌摩擦焊 ?摩擦焊设备 定义：摩擦焊是利用焊件相对摩擦运动产生的热量来实现材料可靠连接的一种压力焊方法。其焊接过程是在压力的作用下，相对运动的待焊材料之间产生摩擦，使界面及其附近温度升高并达到热塑性状态，随着顶锻力的作用界面氧化膜破碎，材料发生塑性变形与流动，通过界面元素扩散及再结晶冶金反应而形成接头 一、摩擦焊原理及分类 ?1．1 摩擦焊的分类 ?摩擦焊的方法很多，一般根据焊件的相对运动和工艺特点进行分类，主要方法如图1所示。在实 际生产中，连续驱动摩擦焊、相位控制摩擦焊、惯性摩擦焊和搅拌摩擦焊应用的比较普遍。 ?通常所说的摩擦焊主要是指连续驱动摩擦焊、相位控制摩擦焊、惯性摩擦焊和轨道摩擦焊，统称 为传统摩擦焊，它们的共同特点是靠两个待焊件之间的相对摩擦运动产生热能。而搅拌摩擦焊、嵌入摩擦焊、第三体摩擦焊和摩擦堆焊，是靠搅拌头与待焊件之间的相对摩擦运动产生热量而实现焊接。 1．2 摩擦焊原理 ?同种材质焊接时，最初界面接触点上产生犁削-粘合现象。由于单位压力很大，粘合区增多。继续 摩擦使这些粘合点产生剪切撕裂，金属从一个表面迁移到另一个表面。界面上的犁削-粘合-撕裂过程进行时，摩擦力矩增加时界面温度增高。当整个界面上形成一个连续塑性状态薄层后，摩擦力矩降低到一最小值。界面金属成为塑性状态并在压力作用下不断被挤出形成飞边，工件轴向长度也不断缩短 ?异种金属的机理比较复杂，除了犁削-粘合-剪切撕裂无力现象外，金属的物理与力学性能、相互 间固溶度及金属间化和物等，在结合机理中都会起作用，焊接时由于机械混合和扩散作用，在结合面附近很窄的区域内有可能发生一定程度的合金化，这一薄层的性能会对整个接头的性能有重要影响。机械混合和相互镶嵌对结合也会有一定作用。这种复杂性使得异种金属的摩擦焊接性很难预料。 1.2.1．连续驱动摩擦焊1.2.2 惯性摩擦焊1.2.3 相位摩擦焊1.2.4 径向摩擦焊1.2.5 摩擦堆焊1.2.6 线性摩擦焊1.2.7 搅拌摩擦焊 二、连续驱动摩擦焊 ?2．1 连续驱动摩擦焊基本原理 ? 2.1.1 焊接过程 ?连续驱动摩擦焊接时，通常将待焊工件两端分别固定在旋转夹具和移动夹具内，工件被夹紧后， 位于滑台上的移动夹具随滑台一起向旋转端移动，移动至一定距离后，旋转端工件开始旋转，工件接触后开始摩擦加热。此后，则可进行不同的控制，如时间控制或摩擦缩短量（又称摩擦变形量）控制。当达到设定值时，旋转停止，顶锻开始，通常施加较大的顶锻力并维持一段时间，然后，旋转夹具松开，滑台后退，当滑台退到原位置时，移动夹具松开，取出工件，至此，焊接过
Location: pWPS No. ： 焊接方法： 坡口准备和清理： Welding process ： preparation and cleaning ： 接头类型： 焊接设备： Joint type ： Welding equipment ： 母材规格(㎜)： 夹紧装置： Parent metal size(㎜)： Clamping arrangement ： 母材质保书： 焊接位置： Base metal specification ： Welding positions ： 搅拌头材料 : 焊工姓名： Tool Material: Welder ， s name ： Preheat temperature(℃)： Other information ： 预热维护温度(℃) ： 基值电流/峰值电压： Preheat maintenance temperature (℃) ： Base current/Peak voltage ： 层间温度(℃)： 脉冲频率(Hz)： Interpass temperature(℃)： Pulse frequency(Hz)： 焊前热处理： 脉冲时间(ms)： Pre-weld heat treatment ： Pulse time(ms)： 焊后热处理： 弧长/微调： Post-weld heat treatment ： Arc length/Fine adjust ： 时间、温度、方法： 摆动（焊道的最大宽度）(㎜)： T im e 、tem perature 、m ethod ： W e a v i n g (M a x i m u m w i d t h o f r u n ) (㎜): 加热和冷却速度(℃/h)： 振动（振幅、频率、停留时间）： Heating and cooling rates(℃/h)： O s c i l l a t i o n （Am p l i t u d e , f r e q u e n cy , d w e l l t i m e ）： 制造商： Manufacture ：
目录 1绪论 (2) 2搅拌头的设计 (4) 2.1搅拌头材料的选择 (4) 2.2搅拌头结构尺寸设计 (5) 2.2.1轴肩 (5) 2.2.1搅拌针 (6) 3搅拌头的具体设计 (7) 3.1搅拌头的材料选择 (7) 3.2轴肩及搅拌针的具体设计尺寸 (7) 3.3轴肩及搅拌针的几何形状设计 (8) 3.3.1设计原理 (8) 3.3.2形状设计 (9) 参考文献 (10)
1绪论 搅拌摩擦焊( Friction Stir Welding，简称 FSW) 是由英国焊接研究所(The Welding Institute，简称 TWI)于1991年研究发明的一种先进的固相连接技术，被认为是自激光焊接问世以来最引人注目和最具潜力的连接技术[1]。其焊接工作原理如图1-1 所示，高速旋转的搅拌头扎入工件后沿焊接方向运动，在搅拌头与工件接触部位产生摩擦热，使其周围金属形成塑性软化层，软化金属在搅拌头的旋转作用下填充后方空腔并在轴肩与搅拌针的搅拌及挤压作用下实现材料连接。 图1.1 搅拌摩擦焊工作原理 FSW与弧焊、激光焊、电子束焊、钎焊和扩散连接等传统焊接方法相比，FSW具有高效低耗、焊接温度低、接头残余应力小、焊接工件变形小、环境友好等特点，特别在大规格薄板焊接中是其他焊接方法远不可相比的。经过20多年的发展，搅拌摩擦焊已经从技术研究迈向高层次的工程化和工业化应用阶段。被焊材料也已从铝合金逐渐扩展到镁合金、铅合金、铜合金、钢、钛合金以及复合材料等。目前，搅拌摩擦焊设备的制造和产品的加工在国内外已经成为一类高技术新兴产业。搅拌摩擦焊不仅具备普通摩擦焊技术的优点，由于搅拌头的灵活性还可以适应不同接头形式和位置的焊接。由于焊接过程中的热量仅仅能使被焊金属达到塑性状态，故焊接过程焊件的变形量小，焊接无需添料，焊接过程绿色环保、耗材少。应用方面，因为搅拌摩擦焊焊接过程操作简便，焊接缺陷少接头性能好，自动化程度高且生产周期短，现已被广泛用于造船业、车辆制造、飞机制造、航天制造等工业领域。
连续驱动摩擦焊基本原理 1．焊接过程 连续驱动摩擦焊接时，通常将待焊工件两端分别固定在旋转夹具和移动夹具内，工件被夹紧后，位于滑台上的移动夹具随滑台一起向旋转端移动，移动至一定距离后，旋转端工件开始旋转，工件接触后开始摩擦加热。此后，则可进行不同的控制，如时间控制或摩擦缩短量（又称摩擦变形量）控制。当达到设定值时，旋转停止，顶锻开始，通常施加较大的顶锻力并维持一段时间，然后，旋转夹具松开，滑台后退，当滑台退到原位置时，移动夹具松开，取出工件，至此，焊接过程结束。 对于直径为16mm的45号钢，在2000r/min转速、8.6MPa摩擦压力、0.7s摩擦时间和161MPa的顶锻压力下，整个摩擦焊接过程如图10所示。从图中可知，摩擦焊接过程的一个周期可分成摩擦加热过程和顶锻焊接过程两部分。摩擦加热过程又可以分成四个阶段，即初始摩擦、不稳定摩擦、稳定摩擦和停车阶段。顶锻焊接过程也可以分为纯顶锻和顶锻维持两个阶段。 （1）初始摩擦阶段（t1）此阶段是从两个工件开始接触的a点起，到摩擦加
热功率显著增大的b点止。摩擦开始时，由于工件待焊接表面不平，以及存在氧化膜、铁锈、油脂、灰尘和吸附气体等，使得摩擦系数很大。随着摩擦压力的逐渐增大，摩擦加热功率也慢慢增加，最后摩擦焊接表面温度将升到200～300℃左右。 在初始摩擦阶段，由于两个待焊工件表面互相作用着较大的摩擦压力和具有很高的相对运动速度，使凸凹不平的表面迅速产生塑性变形和机械挖掘现象。塑性变形破坏了界面的金属晶粒，形成一个晶粒细小的变形层，变形层附近的母材也沿摩擦方向产生塑性变形。金属互相压入部分的挖掘，使摩擦界面出现同心圆痕迹，这样又增大了塑性变形。因摩擦表面不平，接触不连续，以及温度升高等原因，使摩擦表面产生振动，此时空气可能进入摩擦表面，使高温下的金属氧化。但由于t1时间很知，摩擦表面的塑性变形和机械挖掘又可以破坏氧化膜，因此，对接头的影响不大。当焊件断面为实心圆时，其中心的相对旋转速度为零，外缘速度最大，此时焊接表面金属处于弹性接触状态，温度沿径向分布不均匀，摩擦压力在焊接表面上呈双曲线分布，中心压力最大，外缘最小。在压力和速度的综合影响下，摩擦表面的加热往往从距圆心半径2/3左右的地方首先开始。 （2）不稳定摩擦阶段（t2）不稳定摩擦阶段是摩擦加热过程的一个主要阶段，该阶段从摩擦加热功率显著增大的b点起，越过功率峰值c点，到功率稳定值的d点为止。由于摩擦压力较初始摩擦阶段增大，相对摩擦破坏了焊接金属表面，使纯净的金属直接接触。随着摩擦焊接表面的温度升高，金属的强度有所降低，而塑性和韧性却有很大的提高，增大了摩擦焊接表面的实际接触面积。这些因素都使材料的摩擦系数增大，摩擦加热功率迅速提高。当摩擦焊接表面的温度继续增高时，金属的塑性增高，而强度和韧性都显著下降，摩擦加热功率也迅速降低到稳定值d点。因此，摩擦焊接的加热功率和摩擦扭矩都在c点呈现出最大值。在45号钢的不稳定摩擦阶段，待焊表面的温度由200～300℃升高到1200～1300℃，而功率峰值出现在600～700℃左右。这时摩擦表面的机械挖掘现象减少，振动降低，表面逐渐平整，开始产生金属的粘结现象。高温塑性状态的局部金属表面互相焊合后，又被工件旋转的扭力矩剪断，并彼此过渡。随着摩擦过程的进行，接触良好的塑性金属封闭了整个摩擦面，并使之与空气隔开。 （3）稳定摩擦阶段（t3）稳定摩擦阶段是摩擦加热过程的主要阶段，其范围从摩擦加热功率稳定值的d点起，到接头形成最佳温度分布的e点为止，这里的e点也是焊机主轴开始停车的时间点（可称为e′点），也是顶锻压力开始上升的点（图10的?点）以及顶锻变形量的开始点。在稳定摩擦阶段中，工件摩擦表面的温度继续升高，并达到1300℃左右。这时金属的粘结现象减少，分子作用现
搅拌摩擦焊工艺特点及应用 火巧英胡伟 摘要: 本文主要讲述了搅拌摩擦焊的基本原理、工艺特点以及目前搅拌摩擦焊在铝合金车体上的应用。并对搅拌摩擦焊与弧焊工艺性进行对比分析，简要阐述了搅拌摩擦焊的发展趋势。 关键词: 搅拌摩擦焊; 基本原理; 金相；工艺 Friction stir welding characteristics and application Abstract ：This paper describes the basic principles of friction stir welding, process characteristics and the application of FSW for the production of aluminium alloy carbody . And conducts a comparative analysis between friction stir welding and arc welding process .And has a brief description of the development trend of friction stir welding Keyword：FSW basic principles Metallographic Process 0 搅拌摩擦焊概述 搅拌摩擦焊(简称FSW)是一个涉及温度、力学、冶金及其相互作用的高度复杂过程，此过程中以摩擦界面处材料的塑性变形为主，界面处塑性金属流动的产生以及流动行为将会影响到热源的产生以及界面的扩散与动态回复再结晶，进而影响到焊接接头的质量。塑性金属层是否连续、完整和牢固地覆盖于摩擦界面，对能否形成无缺陷、优质的焊接接头具有重要影响。因此，研究搅拌摩擦焊工艺特点非常重要。通过对摩擦焊塑性连接工艺的研究，建立焊接参数对塑性流动的影响规律，对于确定焊接参数、优化焊接工艺、控制焊缝接头的组织和性能，进而提高焊接质量具有重要的实用价值。 1 搅拌摩擦焊工艺特点 搅拌摩擦焊的焊接过程如图1所示。搅拌针 伸进材料内部高速旋转进行摩擦和搅拌，搅拌头 的肩部与工件表面摩擦生热，并防止塑性状态材 料的溢出，同时可清除表面氧化膜的作用。搅拌 头高速旋转与工件间发生搅拌摩擦,利用摩擦所 产生的热，使工件达到热塑性状态，此时，搅拌 头沿着焊板进行接缝运动，由此形成了搅拌摩擦 焊的焊缝。图1 搅拌摩擦焊焊接示意图
毕业设计说明书题目：铝合金的搅拌摩擦焊 姓名： 学号： 指导老师:
摘要 铝及铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，铝合金具有良好的耐蚀性、较高的比强度和导热性以及在低温下能保持良好力学性能等特点，在航空航天、汽车、电工、化工、交通运输、国防等工业部门被广泛地应用。随着近年来科学技术以及工业经济的飞速发展，对铝合金焊接结构件的需求日益增多，使铝合金的焊接性研究也随之深入。铝合金的广泛应用促进了铝合金焊接技术的发展，同时焊接技术的发展又拓展了铝合金的应用领域，因此铝合金的焊接技术正成为研究的热点之一。 英国焊接研究所(The Welding Institute)发明的搅拌摩擦焊为轻金属材料的连接提供了新的方法和途径。自从搅拌摩擦焊摩擦焊发明以来搅拌摩擦焊技术得到广泛的关注和深入的研究。特别是针对铝合金材料，世界范围的研究机构学校以及大公司都对此进行了深入细致的研究和工程应用开发并且在诸多工业制领域得到了成功应用。 本文详细介绍了搅拌摩擦焊原理特点并且针对铝合金的搅拌摩擦焊特点性能以及工业应用作了详细的阐述同时对搅拌摩擦焊在中国市场的发展和应用作了简略介绍和预测。 关键词：铝及铝合金搅拌摩擦焊焊接方法焊接特点
Abstract Aluminum and aluminum alloy is a kind of nonferrous metal structure material widely used in industry, aluminum alloy has high corrosion resistance, good strength and thermal conductivity as well as in the low temperature can keep good mechanical properties and other characteristics, in the aerospace, automotive, electrical, chemical, transportation, national defense and other industrial sectors are widely used. In recent years with the rapid development of science and technology and industrial economy, structure of the growing demand for aluminum alloy welding, so the aluminum alloy welding research also further. Aluminum alloy is widely used to promote the development of welding technology of aluminum alloy, the welding technology development and expanding the application field of aluminum alloy, so the aluminum alloy welding technology is becoming one of the hot research topics. British Welding Research Institute (The Welding Institute) the invention of the friction stir welding for light metal materials is connected and provided a new approach to. Since the invention of the friction stir welding friction welding, friction stir widely attention and deeply research get welding technology. Especially for aluminum alloy material, worldwide research schools and large companies have conducted in-depth study and engineering application and has been successfully applied in many industrial fields. This paper introduces the principle and the characteristics of friction welding and stirring in aluminum alloy friction stir welding properties and industrial applications are described in detail the development and application of friction stir welding in the Chinese market are briefly introduced and predicted. Keywords: Aluminium and aluminium alloy Friction stir welding Welding process Welding characteristics
搅拌摩擦焊工艺参数对焊缝质量的影响 摘要：自主设计了多种结构的搅拌针，并针对铝合金材料进行焊接工艺实验，分析了焊头形状、旋转速度、焊接速度等对焊缝质量的影响，为进一步研究开发和铝合金零部件生产应用摩擦搅拌焊接技术提供理论和实践依据。 关键词：搅拌摩擦焊；工艺参数 随着人们对节能、环保、安全提出更高的要求，铝合金等轻质高强材料的应用获得广泛关注。所以铝材成为航空航天和现代交通运输轻量化、高速化的关键材料。轻量化可使飞机和宇航器飞得更高、更快、更远，可使导弹打得更快、更远、更准，可使电动汽车零污染高速行驶，可减少牵引力和节省大量能源，使运输工具既安全又准点[ 1]。 1.试验材料及方法 选用轨道客车中空车体及结构件用厚为3mm的铝合金挤压板材，将板材裁剪多组尺寸为600×110mm的母板。用XD5032A立式升降台铣床作为FSW的设备。 2.试验结果与讨论 对于一定形状的搅拌焊头，影响焊缝成型和接头机械性能的主要因素是旋转速度（n）、焊接速度（v）和焊接压力（p）。 2.1.旋转速度对焊缝质量的影响 搅拌焊头的旋转速度一定时，若焊接速度较慢，焊缝表面平滑光亮，但在焊缝背面可见到由于局部母材熔化而出现的缩孔。随着焊接速度的增加，这种缩孔会消失，继续增加焊接速度，焊缝表面的光洁度变差，沿焊缝的横截面将试样切开会发现隧道型缺陷，若焊接速度过快，隧道型缺陷逐渐增大，甚至会在焊缝表面出现沟槽。 采用本实验的搅拌焊头焊接时，将旋转速度定为1500rpm/min，此时，焊接速度若高于35mm/min，会看到焊缝的一侧产生未焊合或在搅拌焊头的后面出现长长的沟槽；当焊接速度低于23.5mm/min时，则焊缝表面发生凹陷或在焊缝某一侧产生切边现象，同时，在焊缝的背面会出现由于过热而形成的缩孔。当焊接速度在23-40mm/min范围内，焊缝的外观成型较好；拉伸试验结果表明，当焊接速度在35-60mm/min范围内时，焊缝的抗拉强度较高。如果将旋转速度降低为1180rpm/min，焊接速度为23-45mm/min时，焊缝的外观成型及接头的抗拉强度均较高。这是由于焊接速度影响单位长度焊缝上的热输入量，旋转速度一定而焊接速度过慢时，单位长度焊缝上获得的热量过多，使焊接区温度接近母材的熔化温度而出现局部过热甚至熔化现象；反之，当焊接速度过快时，焊接区获得的
搅拌摩擦焊 一、搅拌摩擦焊的定义及原理 搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding，简称FSW）是基于摩擦焊技术的基本原理，由英国焊接研究所（TWI）于1991年发明的一种新型固相连接技术。与常规摩擦焊相比，其不受轴类零件的限制，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，使得以往通过传统熔焊方法无法实现焊接的材料通过搅拌摩擦焊技术得以实现连接；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”焊接技术，被誉为“继激光焊后又一次革命性的焊接技术”。 搅拌摩擦焊方法与常规摩擦焊一样，搅拌摩擦焊也是利用摩擦热作为焊接热源。 不同之处在于搅拌摩擦焊焊接过程是由一个圆柱体形状的焊头(伸入工件的接缝处，通过焊头的高速旋转，使其与焊接工件材料摩擦，从而使连接部位的材料温度升高软化同时对材料进行搅拌摩擦来完成焊接的。 二．搅拌摩擦焊焊接过程 搅拌摩擦焊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，首先将焊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焊件的接缝处，直至搅拌焊头的肩部与焊件表面紧密
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焊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焊件作相对运动，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，前沿高度塑性变形的材料被挤压到搅拌焊头的背后。在搅拌头轴肩与焊件表层摩擦产热和锻压共同作用下，形成致密的固相连接接头。搅拌摩擦焊接过程如图所示: 三．搅拌摩擦焊工艺 （一）、搅拌摩擦焊接头形式 搅拌摩擦焊可以实现棒材一棒材、板材一板材的可靠连接，接头形式可以设计为对接、搭接、角接及T形接头，可进行环形、圆形、非线性和立体焊缝的焊接。由于重力对这种固相焊接方法没有影响，搅拌摩擦焊可以用于全位置焊接，如横焊、立焊、仰焊、环形轨道自动焊等。
搅拌摩擦焊实验报告 1. 实验目的 (1) 了解搅拌摩擦焊的基本原理； (2) 了解搅拌摩擦焊的设备及其工艺流程； (3) 初步了解焊接工艺参数对搅拌摩擦焊焊缝成形的影响。 2. 实验概述 搅拌摩擦焊方法与常规摩擦焊一样。搅拌摩擦焊也是利用摩擦热与塑性变形热作为焊接热源。不同之处在于搅拌摩擦焊焊接过程是由一个圆柱体或其他形状（如带螺纹圆柱体）的搅拌针(welding pin)伸入工件的接缝处，通过焊头的高速旋转，使其与焊接工件材料摩擦，从而使连接部位的材料温度升高软化。同时对材料进行搅拌摩擦来完成焊接的。焊接过程如图所示。在焊接过程中工件要刚性固定在背垫上，焊头边高速旋转，边沿工件的接缝与工件相对移动。焊头的突出段伸进材料内部进行摩擦和搅拌，焊头的肩部与工件表面摩擦生热，并用于防止塑性状态材料的溢出，同时可以起到清除表面氧化膜的作用。 在焊接过程中，搅拌针在旋转的同时伸入工件的接缝中，旋转搅拌头（主要是轴肩）与工件之间的摩擦热，使焊头前面的材料发生强烈塑性变形，然后随着焊头的移动，高度塑性变形的材料逐渐沉积在搅拌头的背后，从而形成搅拌摩擦焊焊缝。搅拌摩擦焊对设备的要求并不高，最基本的要求是焊头的旋转运动和工件的相对运动，即使一台铣床也可简单地达到小型平板对接焊的要求。但焊接设备及夹具的刚性是极端重要的。搅拌头一般采用工具钢制成，焊头的长度一般比要求焊接的深度稍短。应该指出，搅拌摩擦焊缝结束时在终端留下个匙孔。通常这个匙孔可以切除掉，也可以用其它焊接方法封焊住。针对匙孔问题，已有伸缩式搅拌头研发成功，焊后不会留下焊接匙孔。 焊接过程中也不需要其它焊接消耗材料，如焊条、焊丝、焊剂及保护气体等。唯一消耗的是焊接搅拌头。 同时，由于搅拌摩擦焊接时的温度相对较低，因此焊接后结构的残余应力或变形也较熔化焊小得多。特别是Al合金薄板熔化焊接时，结构的平面外变形是非常明显的，无论是采用无变形焊接技术还是焊后冷、热校形技术，都是很麻烦