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。
（二）、搅拌摩擦焊的热输入
在搅拌摩擦焊接过程中，搅拌焊针高速旋转并插入焊件，随即在焊接压力的作用下，轴肩与焊件表面接触，于是在轴肩与焊件材料上表面及搅拌针与接合面间产生大量的摩擦热，同时，搅拌针附近材料发生塑性变形和流体流动从而导致形变产热，其中摩擦热是焊接产热的主体。随着搅拌焊头沿焊缝方向行走，这些热量对焊缝及焊缝附近的母材施以热循环作用，导致材料中沉淀相的溶解、焊缝和热影响区发生较大程度的软化搅拌摩擦焊本质上是以摩擦热作为焊接热源的焊接方法，所以热输入是影响焊接质量的直接、关键因素。焊缝中的温度与接头的力学性能之间有一个最佳范围,超出最佳范围,焊缝的热出入过大接头的力学性能
降低.原因：铝合金在焊接过程中,热循环使焊缝两侧发生组织、性能变化的热效应区(HAZ),是产生软化的主要危险区域.软化区间的宽度直接与热输入成正比,所以要减小软化区间的
宽度热输入.当焊缝中的温度进入铝合金的软化温度时,热影响区会发生强化相的析出和聚集,材料的固溶强化效果减弱,焊件的强度降低.随着温度的升高,强化相甚至发生过时效析
出现象,材料固溶强化效果更差,强度下降越多.
（三）搅拌摩擦焊参数的选择
搅拌摩擦焊接是一个复杂的过程,在搅拌头确定的前提下,搅拌摩擦焊最重要的工艺参
数是搅拌头的旋转速度R、焊接速度v和轴肩的下压量。搅拌摩擦焊焊接接头的成型特点及性能和搅拌摩擦焊过程中单位长度焊缝吸收的能量有密切的关系,而单位长度焊缝吸收的能量同旋转速度与焊接速度的比值R/v有关,R/v值越大,表明搅拌头在单位长度的焊缝上旋转的次数越多,则输入材料内的热量越多,焊区的温度越高。反之,R/v值越小,则焊区的温度越低。
1.搅拌头转速
搅拌摩擦焊工艺试验过程中,在焊接压力及焊接速度不变的情况下(焊接速度为
40mm/min,下压量为0.17mm),搅拌头旋转速度较低时,摩擦产热功率小,焊接区金属不能达到热塑性状态,不足以形成热塑性流动层,使得搅拌摩擦焊过程类似于金属的铣削加工,从而在焊缝表面产生沟槽。图1a为搅拌头转速为1000r/min时在焊缝表面产生沟槽。由于热输入不够,焊缝区金属不能完全塑化,塑性流动不够,使得部分镁合金粘附在搅拌头上,不能形成
闭合的焊缝。此时由于搅拌头的探针上粘附了镁合金,其起搅拌作用的部分尺寸有所增加,
使得焊缝背面出现焊透的现象(图1b);当搅拌头转速提高为1100r/min时,焊接区内摩擦产热量增加,在接近试样表面的搅拌焊针周围,首先形成热塑性流动层,但在焊缝的内部,由于
热塑性层的温度相对较低,还无法完成流动、填充、挤压、扩散过程,焊缝表面的沟槽虽然消失,但如果沿焊缝的横截面将其切开,则焊缝内部可能有孔洞甚至出现隧道型缺陷,不能形成良好的固相连接;如果搅拌头旋转速度继续增加到1200r/min,由于热输入的增加,热塑性层逐渐扩大和流动,使得焊缝中的孔洞和隧道消失,形成致密的焊缝(图1)。当搅拌头转速超过
1500r/min时,由于旋转速度过高造成热输入过大而导致焊缝金属过热,甚至局部产生熔化现象。
2.焊接速度
当搅拌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,甚至会出现隧道型缺陷;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。
在搅拌头旋转速度为1300r/min、下压量定为0.17mm时,焊接速度若高于60mm/min,会看到焊缝的一侧产生未焊合或在搅拌头的后面出现长长的沟槽。图2是焊接速度为70mm/min的焊缝,由于热输入不够,在焊缝表面产生沟槽。当焊接速度低于30mm/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。当焊接速度为30~60mm/min,焊缝的外观成形较好。图3为焊速分别为30mm/min和50mm/min所形成的焊缝正反两面的宏观形貌,可以看出其成形良好。这是由于焊接速度影响单位长度焊缝上的热输入量,搅拌头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,焊接区获得的热量较少,材料达不到塑性流变状态并且不能充分流动,以致形成隧道型缺陷或在表面出现沟槽。对于一个给定的旋转速度,总有一个适当的焊接速度范围与其相对应,降低旋转速度,焊接速度则相应降低。只有搅拌焊头的旋转速度与焊接速度合理匹配时,才能得到外观成形好、内部无缺陷的优质焊缝。
3.搅拌头轴肩下压量
搅拌头轴肩下压量其实是焊接过程中焊接压力的一种表示方法,搅拌摩擦焊接工艺过程中,只有通过施加足够的焊接压力才能在搅拌焊头和焊件之间获得摩擦力进而获得足够的摩擦热能。同时,焊接压力还起到限制塑性流体外溢保证焊缝成型的作用。因此,搅拌头轴肩下压量的大小对焊接质量有重要的影响。
图4搅拌头轴肩不同下压量时的焊缝宏观形貌
试验过程中,在保持旋转速度和焊接速度不变的情况下,通过改变搅拌头轴肩下压量,观察焊接压力对搅拌摩擦焊焊缝成型的影响,结果表明,对于一定结构尺寸的搅拌焊头,存在一个合适的焊接压力范围与其相对应。当转速为1200r/min,焊速为40mm/min时,轴肩下压量在015~0.2mm之间时,可获得表面成型良好的焊缝。当下压量低于0.15mm时,焊缝内部组织疏松或出现孔洞、隧道型缺陷,在焊缝表面出现沟槽,甚至肩部对焊接区起不到封闭作用而使焊缝.金属流外溢。如图4a所示,焊缝左边部分轴肩下压量为0.12mm,此时焊接压力不够,在焊缝表面出现沟槽;焊缝右边部分轴肩下压量为0.15mm,沟槽现象消失,焊缝成型良好。图4b是轴肩下压量为0.19mm时的焊缝,焊缝表面成形良好没有飞边产生。图4c、图4d是下压量分别为0.2mm和0.25mm时,焊缝表面产生飞边。下压量为0.2mm时,只在后退面上产生少量的飞边;当下压量继续增加到0.25mm时,在前进面和后退面上都有飞边产生,而且特别明显。
增加轴肩的下压量即增加了搅拌头对试样表面的压力,使搅拌头和焊件之间获得足够摩擦热,提高了焊缝组织的致密度,使焊缝成型得到改善。但压力过大,会造成摩擦力增大,搅拌头向前移动的阻力增大,且易造成焊缝凹陷,焊缝表面出现飞边、毛刺。
因此,下压量的选择对焊缝飞边的产生有着重要的影响,在搅拌头转速和焊速一定的情况下,选择合适的下压量是得到成形良好焊缝的关键因素。图4e、图4f是下压量为0.15mm时,成形良好的焊缝正面和反面图。
根据以上试验结果,当转速为1200~1500r/min、焊速为30~60mm/min,轴肩下压量为
0.15~0.2mm时,可以得到表面成形良好、剖开后没有孔洞和隧道的焊缝。
结论：
1.镁合金搅拌摩擦焊焊接接头的成形质量影响最大的因素是搅拌头的旋转速度、焊接速度和轴肩的下压量。
2.搅拌头转速过快或者焊接速度过慢时,单位长度焊缝上的热输入量过多,会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,当搅拌头转速不够或者焊接速度过快时,焊接区获得的热量较少,材料达不到塑性流变状态并且不能充分流动,以致形成隧道
型缺陷或在表面出现沟槽。
3.当轴肩下压量过低时,焊缝内部组织疏松或出现孔洞、隧道型缺陷,在焊缝表面出现沟槽,甚至肩部对焊接区起不到封闭作用而使焊缝金属流外溢;下压量过大,会造成摩擦力增大,搅拌焊头向前移动的阻力增大,易使焊缝凹陷,焊缝表面出现飞溅。
四．搅拌摩擦焊的特点
与传统摩擦焊及其他焊接方法相比，搅拌摩擦焊有以下优点：
1. 焊接接头质量高，不易产生缺陷。焊缝是在塑性状态下受挤压完成的，属于固相焊接，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、钛、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．不受轴类零件的限制，可进行平板的对接和搭接，可焊接直焊缝、角焊缝及环焊缝，可进行大型框架结构及大型筒体制造、大型平板对接等，扩大了应用范围。
3．易于实现机械化、自动化，质量比较稳定，重复性高。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。
4．焊接成本较低，效率高。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。厚焊接件边缘不用加工坡口。焊接铝材工件不用去氧化膜，只需去除油污即可。对接时允许留一定间隙，不苛求装配精度。
5．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、热输入速度快等特点，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。
6．绿色焊接。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”。
同时，搅拌摩擦焊也存在一些不足，主要表现在：
1．焊接工具的设计、过程参数及力学性能只对较小范围、一定厚度的合金适用。
2．搅拌焊头的磨损相对较高。
3．目前焊接速度不高。
4．需要特定的夹具，设备的灵活性差。
五．搅拌摩擦焊的应用
1.在航天领域，搅拌摩擦焊已经成功应用在火箭和航天飞机助推燃料筒体的纵向对接焊缝和环向搭接接头的焊接，如图2-33所示。用ESAB公司生产的称为SuperStir的搅拌摩擦焊机焊接了直径
2.4m、板厚22.2mm、型号为2014-T6铝合金δ火箭燃料筒的纵缝，与MIG 焊相比，搅拌摩擦焊缺陷率很低，MIG焊焊缝长832cm出现一个缺陷，而搅拌摩擦焊焊缝长7620cm出现一个缺陷，相当MIG焊的1/10。最近在δⅣ火箭中搅拌摩擦焊焊接的1200m长焊缝中无任何缺陷出现。
图2-33搅拌摩擦焊焊接的运载火箭低温燃料筒
2.在电子工业方面，搅拌摩擦焊已用于大型铝合金散热片的焊接，大型宽幅铝合金散热片是高速列车、城轨等轨道车辆的重要部件。
铜的熔点和热传导率比铝高，铜及铜合金采用一般熔焊方法也是极困难的。在欧洲用搅拌摩擦焊制作了大型铜容器，用来储藏高能放射性物质，将盖和筒体焊接在一起，熔深为58mm，搅拌头的肩部直径为60mm，接头附近的温度高达750℃。与非真空电子束焊相比，非真空电
子束焊的焊速为254mm/min，而搅拌摩擦焊为100.4mm/min，焊速较慢，但没增加热输入，所以能满足要求。
3.搅拌摩擦焊（FSW）作为一种成熟技术，已被应用于奔驰SL级铝制车身的平板对接和连续小曲率半径曲面件的对接中。
节能环保是汽车制造业的大势所趋，解决汽车高排放最直观的方式是车身轻量化。奔驰SL级车身中98%以上为铝制部件，除了机械连接之外，也采用了TIG熔化焊，在车身主地板上，采用了搅拌摩擦焊的技术，其结构示意图如图8所示。其中，焊缝a和b为平板对接缝，板厚一致，鱼鳞纹分布非常均匀，背部焊接痕非常稳定，即连接过程参数保持一致。但是，在焊缝终端，发现了如图5所示的“匙孔”，即左右的a和b焊缝采用了不可伸缩式搅拌头。但因为结构设计的原因，此“匙孔”无需处理。
焊缝c和d位于传动轴罩板，此处由厚度不一致的三部分组成，从主地板总成来看，并未开坡口，但焊缝成形美观，鱼鳞纹分布均匀，背部焊接痕非常规则稳定。
随着人们对搅拌摩擦焊技术认识的提高，预计在不远的将来，铝合金材料的连接将主要由搅拌摩擦焊来完成，尤其在运载火箭、高速铝合金列车、铝合金高速快艇、全铝合金汽车等项目中搅拌摩擦焊技术将会占到主导地位。
目前最先进的焊接工艺，搅拌摩擦焊，你知道原理吗 搅拌摩擦焊是由英国焊接技术研究所于1991年发明的新型焊接技术，其原理如下图所示。 一根安装在主轴上的形状为蜗杆形式的搅拌针在一定压力下被插入焊缝位置，搅拌针的长度一般要比焊缝深度略浅，以此来保证主轴的轴肩能紧贴被焊接的工件表面。当工件与搅拌针和轴肩摩擦生热，焊缝附近的材料会因受热产生严重的塑性变形，但是，并不是熔化，只是成为一种“半流体”的状态，随着主轴带动搅拌针沿着焊缝的走向进给，搅拌针不断把已经处于“半流体”状态的材料搅拌到身后，当主轴离开后，这些材料将冷却固化，从而形成一条稳定的焊缝。
大家都知道，以铝合金和镁合金为代表的轻质合金是航空航天器的主要结构材料之一。然而这些轻质合金的可焊性都非常差，传统的各种熔焊工艺都无法从根本上杜绝热裂纹、气孔和夹渣等这些焊接缺陷的产生，需要靠操作者具有非常高超的技术和工艺才能保证焊接质量。并且，熔焊的高温会产生大量热量和有毒的烟气，这对操作者的身体健康也造成了很大的威胁。而搅拌摩擦焊的出现从根本上解决了这一系列问题。 其次，相较于传统熔焊工艺在焊缝附近形成重新铸造形态，搅拌摩擦焊由于主轴会给被焊接的工件部位施加一个很大的压力，所以在焊缝附近得到的是锻造形态，这种锻造形态组织比铸造形态组织致密得多，因而焊接后零件的机械性能也比传统熔焊工艺做出来的好得多。 而搅拌摩擦焊最大的优势体现在其本质是把机械能转化成焊接所需要的热能，所以可以用特定的公式相当准确的计算出焊接热及其引发的工件热变形的量，从而为事前的补偿和事后的纠正提供了几乎不依赖操作者经验的定量的依据，这是任何一种传统焊接工艺都望尘莫及的。
第三章搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding 缩写为FSW） 1. 搅拌摩擦焊的基本原理是什么? 它是利用带有特殊形状的硬质搅拌指棒的搅拌头旋转着插入被焊接头，与被焊金属摩擦生热，通过搅拌摩擦，同时结合搅拌头对焊缝金属的挤压，使接头金属处于塑性状态，搅拌指棒边旋转边沿着焊接方向向前移动，在搅拌头的压力作用下,热塑性金属从其前端向后部塑性流动,从而形成致密的金属间结合，实现材料的连接。 简要说法：“非消耗搅拌工具，顶锻挤压连接面形成焊缝” 2. 搅拌头由哪几部分组成？各由什么材料制成？有何作用？ （一）搅拌头由特殊形状的搅拌指棒和轴肩组成。 （二）日本采用了SUS440 （三）搅拌头的轴肩的作用： （1）可以保证搅拌指棒插入的深度； （2）轴肩与被焊材料的表面紧密接触，防止处于塑性状态的母材表面的金属排出而造成的损失和氧化； （3）与母材表面摩擦生热，提供部分焊接所需要的搅拌摩擦热。 3. 搅拌摩擦焊具有哪些特点？ 最主要是固相焊，无熔化缺陷等 4. 搅拌摩擦焊主要焊接哪些金属材料？ 5. 搅拌指棒的尺寸大小根据什么来决定？ 被焊母材厚度 7. 搅拌摩擦焊的热输入是如何定义的？ 即1mm 焊缝长度的搅拌头的转数。 比值越大，说明对母材的热输入越大 8. 在搅拌摩擦焊焊接时，对搅拌头中心与焊缝中心线以及接头精度有何要求？为什么? 接头间隙在0.5mm以下，搅拌头的中心位置大致允许偏差2.0mm。 9. 搅拌摩擦焊焊接接头由哪几个区域组成？它的断口呈何形状组织？为什么？ （1）搅拌摩擦焊焊接接头依据金相组织的不同分为四个区域。即图中A区为母材，B区为热影响区（HAZ），C区为塑性变形和局部再结晶区（TMAZ），D区（焊核）即焊缝中心区为完全再结晶区 （2）圆柱状和焊点状：焊核细小等轴晶；强烈塑性变形特征；洋葱环特征等
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。
搅拌摩擦焊搅拌头研究综述 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 年提出的一种固态连接方法。通过搅拌针和轴肩与工件间的摩擦热, 在搅拌 针的附近形成塑性软化层, 软化层在搅拌头高速旋转的作用下填充入搅拌针后方所形成的空腔内, 从而实现可靠的连接。 与弧焊、激光焊、电子束、钎焊和扩散连接等传统焊接方法相比, 搅拌摩擦焊具有焊接温度低、接头残余应力小、焊接工件变形小，晶粒细小, 疲劳性能、拉伸性能和弯曲性能良好、无尘 烟、无气孔、无飞溅、节能、无需焊丝、焊接时不需使用保护气体、焊接后残余应力和变形小等优点。由于搅拌摩擦焊的焊接温度低 于合金元素的熔点, 从而避免了合金内易挥发性元素和低熔点元素的损失, 接头内不易形成气孔和热裂纹等焊接缺陷。由于搅拌摩擦焊的这些优点, 搅拌摩擦焊接头的力学性能较高, 并且能一次完成较长、较大截面、多方位的焊接, 操作便于机械化、自动化, 所消耗的成本也较低。 搅拌摩擦焊最初用于铝合金, 随着研究的深入, 搅拌摩擦焊不仅可以用于铝合金的焊接, 还可以用于铜、钛等其它金属以及不同金属之间的焊接。 搅拌头是搅拌摩擦焊的关键, 最优搅拌头是搅拌摩擦焊获得高质量接头的前提。搅拌头主要由轴肩和搅拌针两部分构成, 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 焊接过程中搅拌头附近塑性软化材料的流动形式, 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。因而设计合理的搅拌头是提高焊接质量、获得高性能接头的前提和关键。 1 轴肩研究现状 轴肩在焊接过程中主要起两种作用: 1通过与工件表面间的摩擦, 提供焊接热源; o提供一个封闭的焊接环境, 以阻止高塑性软化材料从轴肩溢出。常见的几种轴肩形貌如图1 所示, 它们都是在搅拌针和轴肩的交界处中间凹入。在焊接过程中, 这种设计形式可保证轴肩端部下方的软化材料受到向内方向的力的作用,从而有利于将轴肩端部下方形成的软化材料收集到轴肩端面的中心以添充搅拌针后方所形成的空腔, 同时,可减少焊接过程中搅拌头内部的应力集中而保护搅拌针。对于特定的焊接材料, 为了获得最佳的焊接效果, 必须设计出与之相适应的特殊的轴肩几何形貌。 2 搅拌针研究现状 搅拌针在焊接过程中不仅通过与接合面间的摩擦来提供热输入, 更重要的是起到机械搅拌作用, 因而搅拌针的形貌和几何尺寸影响着塑性软化材料的流动形式和被切削材料的体积, 进而影响接头的力学性能。正是由于搅拌针在焊接过程中所发挥的复杂而重要的作用, 人们对搅拌摩擦焊的研究越来越深入, 设计出了多种形式的搅拌针, 以适应各种焊接状态。（1）、柱形搅拌针 搅拌针为柱形时的搅拌头形貌。在搅拌摩擦焊工艺应用的初始阶段, 柱形搅拌针应用得较为广泛, 然而在焊接过程中, 柱形搅拌针周围的软化材料受到指向焊缝根部的力较弱, 软化材料的流动性较差。 （2）、锥形螺纹搅拌针和三槽锥形螺纹 搅拌针(MX- TrifluteTM)是英国焊接研究所( TWI)淘汰柱形搅拌针后设计出的两种搅拌针形貌。锥形螺纹搅拌针和三槽锥形螺纹搅拌针的共同之处是它们都呈平截头体状( 或玻璃杯状) , 而且都带有螺纹。在搅拌针根部直径相同时, 平截头体状搅拌针切削的材料比柱形的
目前最先进的焊接工艺，搅拌摩擦 焊，你知道原理吗 搅拌摩擦焊是由英国焊接技术研究所于1991年发明的新型焊接技术，其原理如下图所示。 一根安装在主轴上的形状为蜗杆形式的搅拌针在一定压力下被插入焊缝位置，搅拌针的长度一般要比焊缝深度略浅，以此来保证主轴的轴肩能紧贴被焊接的工件表面。当工件与搅拌针和轴肩摩擦生热，焊缝附近的材
料会因受热产生严重的塑性变形，但是，并不是熔化，只是成为一种“半流体”的状态，随着主轴带动搅拌针沿着焊缝的走向进给，搅拌针不断把已经处于“半流体”状态的材料搅拌到身后，当主轴离开后，这些材料将冷却固化，从而形成一条稳定的焊缝。 大家都知道，以铝合金和镁合金为代表的轻质合金是航空航天器的主要结构材料之一。然而这些轻质合金的可焊性都非常差，传统的各种熔焊工艺都无法从根本上杜绝热裂纹、气孔和夹渣等这些焊接缺陷的产生，需要靠操作者具有非常高超的技术和工艺才能保证焊接质量。并且，熔焊的高温会产生大量热量和有毒的烟气，这对操作者的身体健康也造成了很大的威胁。而搅拌摩擦焊的出现从根本上解决了这一系列问题。 其次，相较于传统熔焊工艺在焊缝附近形成重新铸造形态，搅拌摩擦焊由于主轴会给被焊接的工件部位施加一个很大的压力，所以在焊缝附近得到的是锻造形态，这种锻造形态组织比铸造形态组织致密得多，因而焊接后零件的机械性能也比传统熔焊工艺做出来的好得多。 而搅拌摩擦焊最大的优势体现在其本质是把机械能转化成焊接所需要的热能，所以可以用特定的公式相当准确的计算出焊接热及其引发的工件热变形的量，从而为事前的补偿和事后的纠正提供了几乎不依赖操作者经验的定量的依据，这是任何一种传统焊接工艺都望尘莫及的。
ISO 25239-2:2011 搅拌摩擦焊—铝 第2部分：：焊接接头的设计狮子十之八九译 目录 前言 引言 1 范围 2 引用标准（略） 3 名词和术语 4 设计的要求 4.1 文件 4.2 接头的设计 4.3 附加的信息
ISO（国际标准化组织）是一个世界范围内的国家标准学会（ISO成员组织）的联合体。制定国际标准的工作经由ISO技术委员会归口负责。每个成员组织开发一个项目，由此便形成一个技术委员会，此成员组织有权代表该技术委员会。国际组织、政府与非政府机构协同ISO共同参与工作。ISO针对于电工标准化所有事宜和国际电工委员会（IEC）紧密合作。 本文件的起草符合ISO/IEC 指令中第2部分的相关规则。 由技术委员会通过国际标准草案提交成员国投票表决，需要得至少75%参加表决的成员国的同意，才能作为国际标准正式发布。 ISO25239-2是由国际焊接学会制订的，国际焊接学会已被ISO理事会批准为焊接领域的国际标准化机构。 ISO25239（总的的题目：搅拌摩擦焊—铝）系列标准有以下部分组成： ——第1部分：术语 ——第2部分：焊接接头的设计 ——第3部分：焊接操作工的资质 ——第4部分：焊接工艺评定 ——第5部分：质量和检验的要求 对于ISO25239的本部分的任何官方问题，应通过您所在国家标准委员会递交给ISO秘书处。
焊接广泛应用于工程结构制造。在第二十世纪后半叶以来，熔化焊接工艺（其中熔化指母材和通常是填充金属的熔化），主导了大量结构的焊接。在1991年，韦恩托马斯（Wayne Thomas）在TWI发明的摩擦搅拌焊接（FSW），其原理是固相连接技术（不熔化）。 随着FSW应用日益增加，产生了制订国际标准的需求，以确保其能以最有效的方式进行焊接，并在所有的操作方面进行合理的控制。本国际标准着重于铝的搅拌摩擦焊，因为在出版时，搅拌摩擦焊的大多数商业应用与铝有关。例如轨道车辆、消费品、食品加工设备、航空航天结构和船舶。 本系列标准包括以下部分： 第1部分：规定了FWS的术语 第2部分；规定了铝焊接接头的设计要求 第3部分：规定了焊接操作工的资质的要求 第4部分：规定了铝的焊接工艺评定的要求。焊接工艺规程（WPS）提供相关参数，以满足焊接操作和焊接过程中的质量控制。在质量体系标准中，焊接被认为是一个特殊过程。质量体系标准通常要求此特殊过程按照书面的工艺规程进行。冶金偏差是一个特殊的问题。由于在目前的技术水平下不可能对机械性能进行无损检测，因此在WPS投入实际生产之前，建立了一套焊接工艺评定的规则。ISO25239的这一部分定义了这些规则。 第5部分：规定了制造商使用FSW工艺生产特定质量的铝产品的能力的方法。它定义了特定的质量要求，但没有规定特定产品的质量要求。焊接结构在生产和维护过程中应有效的避免严重问题的出现。为了实现这一目标，应从设计阶段开始、从材料的选择、制造和检验各方面进行控制。例如，不合理的设计会造成产品在车间、现场或维护过程中严重的制造困难和昂贵的成本。不正确的材料选择会导致焊接问题，如裂纹。必须编制正确的焊接工艺，以避免缺欠。为了确保制造高质量的产品，管理人员应该了解潜在的问题来源，并建立适当的质量和检验工艺。其过程应进行监督，以确保焊接质量。
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 ：
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/e86171654.html, DOI: 10.1016/S1003-6326(11)61284-3
搅拌摩擦焊接夹具助推工业自动化 宁波友智机械科技有限公司，是专业从事创新型环保节能设备、自动化夹具的高新技术企业；致力于为客户提供优质的机械自动化整体解决方案，特别是搅拌摩擦焊接夹具的技术支持，可根据不同客户的需求，进行自主设计、生产，近日，宁波某上市公司向我司采购搅拌摩擦焊机及夹具三套。 免费的三维实体夹具模型设计，提供工业自动化整体解决方案，将最好的服务带给每位客户。 搅拌摩擦焊接技术在新能源汽车领域的应用。为达到汽车轻量化的目的，汽车中的多个位置需要铝合金，但各个位置所需铝合金的种类不同，对其焊接性及焊接方法的适应性要求比较高。在传统焊接中，焊接后容易出现焊接质量缺陷，变形难控制等问题。搅拌摩擦焊接能够有效地避免这些问题，焊接后的产品性能优异，被广泛认为是焊接铝及其合金的最佳连接方式，在汽车制造工业中有着广泛的应用前景。 目前，搅拌摩擦焊接主要是用于底盘、驱动电机外壳、控制模组、副车架、车门车窗、电池水冷板、散热器、导电杆等部位的焊接，也将在未来新能源汽车制造中占据更大的适用空间。
搅拌摩擦焊接以其绿色焊接的形象走入人们的视野，凭借其强大的焊接能力以及快速便捷的焊接方式，为智能工业的实现，做出了极大的贡献。搅拌摩擦焊接技术的实现，在降低成本方面，具有显著的优势，其焊接本身只需要消耗搅拌焊头，这样一来，大大地减少了焊接过程中所花费的其他费用。而焊头根据质量不同，其本身消耗也不同，但是据了解，平均搅拌焊头能运行的距离大概在1200米左右，而焊头本身的成本是相当低的。 工业自动化工程，推动的是整体的自动化服务，从而更好地解放人力，也能在一定程度上提升加工的精细度，随着搅拌摩擦焊接技术在新能源汽车领域得到广泛应用，而我司，在不断的业务发展过程中，也针对搅拌摩擦焊接技术，融合公司本身成熟的夹具设计技术，研发、设计了搅拌摩擦焊接夹具，为您提供整体的搅拌摩擦焊接解决方案。 以下是友智制造的搅拌摩擦焊接夹具，其满足当代工业自动化的需求。
搅拌摩擦焊接头缺陷检测与修复方法 中图分类号：T341 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）11-0048-01 1 缺陷的检测方法 铝合金搅拌摩擦焊接头缺陷具有紧贴、细微、取向复杂等特点，增加了缺陷无损检测的难度，目前的检测方法主要有：超声检测、射线探伤、涡流探伤、激光干涉等检测方法。 1.1 超声检测法 超声检测技术是基于声波在材料中的传播路径与材料的均匀性有关，当声波的传播路径上出现缺陷时，就会改变原来的传播特性，产生反射、折射和波形转换。超声检测技术是目前应用于搅拌摩擦焊接头缺陷检测的一种理想的无损检测方法，也是应用最广泛的一种方法，具有灵敏度和检出率高、缺陷定位准确等优点。超声波定性检测缺陷的方法主要有波形判别法、回波相位法、频谱分析法、超声C和B 扫描法等[1]。 刘松平[2]等人研究了利用超声反射法检测搅拌摩擦焊缝区不同取向的缺陷。通过计算分析超声波在焊缝区的声波入射角、缺陷取向和缺陷紧贴性对声波反射的影响，确定入射声波的角度变化范围，通过改变入射角获取入射声波在缺
陷处的最佳声学反射方向，提高入射声波对不同取向缺陷的检出能力。检测结果表明，该法可以有效地检出铝合金搅拌摩擦焊缝区不同取向焊接缺陷，是解决搅拌摩擦焊缝区微细和紧贴型缺陷无损检测的一种可行的方法。另外，利用高分辨率超声波在缺陷的反射回波信号波形（即频谱）的不同，还可以区分缺陷的性质或类型。 徐蒋明[3]等人通过超声波检测中的前后扫查和左右扫 查获取缺陷的超声波回波动态波形，分别描述了铝合金搅拌摩擦焊焊缝的包铝陷入缺陷、隧道孔缺陷和未焊透缺陷的动态波形特点，并分析了各缺陷动态波形形成的原因。结果表明三种缺陷左右扫查的动态波形相似；隧道孔缺陷的前后扫查动态波形具有自身特征，而包铝陷入缺陷和未焊透缺陷的前后扫查动态波形具有光滑平面反射体的前后扫查的动态 波形特征，需要辅助以其他手段来区分这两种缺陷并对其定性。 1.2 X射线检测法 X射线检测方法基于射线束穿过缺陷区引起的能量衰减原理，利用合理感光材料或用记录仪器记录这种能量衰减，以灰（黑）度变化来评定缺陷的存在。 刘松平[4]等人利用X射线成功的探测了3mm厚铝合金板内预制的孔洞缺陷，但是相比超声检测的方法，X射线的检测能力有限，特别是针对搅拌摩擦焊缝中的微细和紧贴型
几种新型搅拌摩擦焊技术 搅拌摩擦焊技术自1991年问世以来就倍受业界瞩目，特别是1996年搅拌摩擦焊被成功应用于宇航结构件的焊接以后，在制造业掀起了技术研究、发展和推广应用的热潮[1-3]。 双轴肩自适应搅拌摩擦焊技术 搅拌摩擦焊作为一种先进的固相连接技术，已经在造船、航空航天、轨道交通等领域获得了广泛的应用。但是在一些特殊的加工过程中需要搅拌摩擦焊设备提供较大的焊接力，同时要求在焊接过程中对待焊零件进行严格装夹（包括背部的刚性支撑），这给某些特殊结构形式下实施FSW造成了困难，如大直径火箭贮箱环缝结构的焊接等。而双轴肩自适应搅拌摩擦焊（Self-ReactingPin Tool，SRPT）技术成功地解决了上述问题。 1 原理 双轴肩自适应搅拌摩擦焊是通过上下轴肩夹持作用加紧工件，下轴肩代替了常规搅拌摩擦焊的垫板装置。搅拌针与驱动装置及下轴肩相连，这样既可调节加载载荷又可调整下轴肩的位置。且上轴肩与单独的驱动轴相连，这种上下轴肩单独控制的方式使得自适应系统得以实现，并且使上下轴肩的顶锻力反向相等，整个工件在垂直板件方向所受合力为零。由于SRPT采用了两个轴肩的模式，提高了焊缝背部的热输入，可以预防和降低焊缝背部缺陷。 与常规 FSW 相比，SRPT有两个独立控制的轴肩；常规FSW焊件背面需要配套的刚性支撑垫板，而SRPT焊件背面则不需要；常规FSW被焊工件需要严格的装夹，焊件需要被垂直及侧向压紧，而 SRPT大大简化了装夹机构；常规FSW焊缝背部常常是整个焊件的薄弱环节，SRPT由于下轴肩的产热减小了从焊缝表面到背部的温度梯度，降低了焊缝的热损耗，提高了热效率，因此可以很好地消除焊缝背部未焊透等缺陷。 2 试验验证与工程应用 Edwards 等[4]成功地应用双轴肩自适应搅拌摩擦焊技术对薄板铝合金进行了焊接，试验表明：在薄板焊接领域此技术可以实现1.8mm及更薄的铝合金型材的焊接；焊接速度可以达到1m/min以上；对2mm厚A l6061铝合金的试验表明，焊缝强度系数可达88%，而且强度系数还可以进一步提高。 TWI的研究表明[5]：双轴肩技术可以在较低的轴向顶锻力下焊接25mm厚的铝板；此项技术可以提供完全焊透的焊缝，不会出现未焊透和其他根部缺陷。 复合热源搅拌摩擦焊技术
搅拌摩擦焊-铝合金-第一部分：术语 范围 此部分ISO25239定义了搅拌摩擦焊的术语与定义。在此标准中，术语“铝”涉及铝及其合金。 术语与定义 针对此文件的用途，适用于下列各项术语与定义。 1、焊针可调式搅拌头adjustable probe tool 此搅拌头的针长、旋转速度和旋转方向是可以调节的，焊接过程中旋转速度可能会不同于轴肩的旋转速度。 可调焊针可以修整； 此搅拌头能够在不产生过多的飞边的情况下使起始与尾孔阶段形成完好的焊缝。 1 轴肩 2 非焊接工作区 3 搅拌针 4 搅拌针下移方向 5 焊接工作区 6 搅拌针达到需求深度 7 搅拌针上移方向 a 搅拌针旋转方向 b 轴肩旋转方向 c 焊接方向 图1 焊针可调式搅拌头 2、焊缝前进侧 advancing side of weld 搅拌头旋转的方向与焊接前进方向相同的焊缝一侧，见图1 序号7。 1 工件 2 搅拌头 3 轴肩 4 搅拌针 5 焊缝表面 6 后退侧 7 前进侧 8 尾孔 a 搅拌工具旋转方向 b 搅拌工具向下运动 c 轴向力 d 焊接方向 e 搅拌头向上运动 图2 搅拌摩擦焊的基本原理 3、轴向力 axial force 沿着搅拌头旋转轴作用于工件的作用力，见图1 序号c。 4、双轴肩搅拌头 bobbin tool 搅拌头由固定长度的搅拌针和两个分离的轴肩组成，见图2。 5、结束停留时间 d well time at end of weld 从搅拌针在焊接前进方向停止行走，至搅拌针开始离开焊缝的这段时间。 6、起始停留时间dwell time at start of weld 从搅拌针扎入材料后，至搅拌针开始向焊接方向运动的这段时间。 7、尾孔 exit hoe 在焊接结束部位，搅拌头移走后留下的孔，见图1 序号11。 8、接合面faying surface 一个接头中一个工件与另一个工件的接触面 9、固定搅拌针fixed probe 伸出轴肩固定长度的搅拌针，焊接中旋转方向、速度均与轴肩相同。 10、压力控制force control 焊接过程中使搅拌头维持所需压力的措施。 11、搅拌摩擦焊 friction stir welding 旋转的搅拌头插入被焊材料产生摩擦热，使材料热塑化，实现工件间固相连接的焊接方法。 12、锻压侧heel 搅拌头前进反方向的轴肩部分。 13、压入量heel plunge depth 轴肩后缘压入工件内部的深度。 14、界面畸变 hook
48 航空制造技术·2008 年第21 期 搅拌摩擦焊技术自1991年问世 以来就倍受业界瞩目，特别是1996年搅拌摩擦焊被成功应用于宇航结构件的焊接以后，在制造业掀起了技术研究、发展和推广应用的热潮[1-3]。双轴肩自适应搅拌 摩擦焊技术 搅拌摩擦焊作为一种先进的固几种新型搅拌摩擦焊技术 New Types of Friction Stir Welding Technology 大连交通大学 韩文妥 许鸿吉 北京航空制造工程研究所 李 光 董春林 栾国红 经过多年的发展和实践，新型的搅拌摩擦焊技术层出不穷，涉及领域广泛，其中最具代表性和创新性的新型搅拌摩擦焊技术有：双轴肩自适应搅拌摩擦焊技术、复合热源搅拌摩擦焊接技术、动态控制低应力无变形搅拌摩擦焊技术和双头搅拌摩擦焊技术。 韩文妥 大连交通大学与北京航空制造工 程研究所联合培养硕士研究生。从事 搅拌摩擦焊方面的研究。参与项目：“十一五”重点项目“新型精密焊接技术与装备研究”；航空基金重点项目“搅 拌摩擦焊应力与变形规律研究”、“飞机 整体结构件搅拌摩擦焊综合强度性能 基础研究” 等。相连接技术，已经在造船、航空航天、轨道交通等领域获得了广泛的应用。但是在一些特殊的加工过程中需要搅拌摩擦焊设备提供较大的焊接力，同时要求在焊接过程中对待焊 零件进行严格装夹（包括背部的刚性 支撑），这给某些特殊结构形式下实施F S W 造成了困难，如大直径火箭贮箱环缝结构的焊接等。而双轴肩自适应搅拌摩擦焊（Self-Reacting Pin Tool，SRPT）技术成功地解决了上述问题。 1 原理 双轴肩自适应搅拌摩擦焊是通过上下轴肩夹持作用加紧工件， 下轴肩代替了常规搅拌摩擦焊的垫板装置。搅拌针与驱动装置及下轴肩相 连， 这样既可调节加载载荷又可调整下轴肩的位置。且上轴肩与单独的驱动轴相连，这种上下轴肩单独控制的方式使得自适应系统得以实现，并且使上下轴肩的顶锻力反向相等， 整个工件在垂直板件方向所受合力为 零。由于S R P T 采用了两个轴肩的模式，提高了焊缝背部的热输入，可以预防和降低焊缝背部缺陷。 与常规F S W 相比，S R P T 有两个独立控制的轴肩；常规F S W 焊件背面需要配套的刚性支撑垫板，而S R P T 焊件背面则不需要；常规F S W 被焊工件需要严格的装夹，焊件需要被垂直及侧向压紧，而S R P T 大大简化了装夹机构；常规F S W 焊缝背部常常是整个焊件的薄弱环节，S R P T 由于下轴肩的产热减小了从焊缝表面到背部的温度梯度，降低了焊缝的热损耗，提高了热效率，因此可以很好地消除焊缝背部未焊透等缺陷。 2 试验验证与工程应用 Edwards 等[4]成功地应用双轴肩自适应搅拌摩擦焊技术对薄板铝合金进行了焊接，试验表明：在薄板焊接领域此技术可以实现1.8m m 及
万方数据
搅拌摩擦焊接过程中，接头温度峰值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一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 图１ 搅拌摩擦焊基本原理及工艺过程 头的挤压而形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）。与其他焊接方法相比，搅拌摩擦焊具有以下特点： （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，在航空、航天、船舶、列车、汽车以及电力、电子等领域具有非常广阔的应用前景。 ：．搅拌摩擦焊技术应用现状 搅拌摩擦焊作为一种轻合金材料连接的优选焊接 Ｅ口！唑堡笙！塑壁董皇塑型 参磊加工热加工 ｗｗｗ，ｍａｃｈｉｎｉｓｔ．ｃｏｍ，ｃｎ 技术，已经从技术研究迈向高层次的工程化和工业化应用阶段，如在美国的宇航制造工业、北欧的船舶制造工业和日本的高速列车制造等领域，搅拌摩擦焊技术都得到了广泛应用。搅拌摩擦焊技术１９９５年（通过申请专 利）进入中国，但是这项技术在中国真正获得发展却是在２００２年以后——中心成立以来的这几年时间，它是以 中国自主研制的第一台专机搅拌摩擦焊设备的交付使用为标志的。２００２年以来，搅拌摩擦焊技术已被迅速推广到国内的航空、航天、船舶、电力、电子以及汽车等领域，并在几十种产品型号中得到应用。 １．搅拌摩擦焊技术在航天型号产品研制中的应用 由于轻量化的需要，航天领域大量采用了铝合金 结构——最适合采用搅拌摩擦焊技术，从而使搅拌摩擦 焊技术最早在火箭、航天飞机等宇航产品中得到推广。国内则是首先在一些火箭、导弹等新型号武器装备研制中采用了搅拌摩擦焊技术，并配备了中国搅拌摩擦焊中 心自主研制的搅拌摩擦焊专机设备。 出于减重、减少成本和提高性能等方面的考虑， 我国导弹武器舱段的设计拟由原来的防锈铝（女１１５Ａ０６铝合金）改为高强铝合金（女ＩＩＬＹｌ２），但是这些材料采用熔焊的方法很难实现焊接，整体成形的成本又很 高，因此迫切需要像搅拌摩擦焊这样的新型固相焊接技术。 ２００４～２００５年，中国搅拌摩擦焊中心与某航天制 造基地合作开展了这方面的研究，分别对与导弹武器整体舱段制造的纵缝连接，环缝连接等进行了应用开发，试制了多个型号的产品（图２所示为工艺验证模拟结构 件）并成功试飞。目前，搅拌摩擦焊技术已准备用于相 关军工产品的工业化生产。 万方数据
搅拌摩擦焊的原理及其应用 摘要：摩擦焊是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，通过两侧材料间的相互扩散和动态再结晶而完成焊接，文章分析了搅拌摩擦焊的工作原理，并论述了其相关的应用。 关键词：搅拌摩擦焊焊接变形焊接工艺 引言 搅拌摩擦焊是英国焊接研究所发明的新型固态塑化焊接技术，是世界焊接技术发展史上自发明到工业应用时间跨度最短并且发展最快的一项连接技术。搅拌摩擦在材料的熔点以下进行，属于固相焊接，因此可以避免熔化焊所产生的气孔、裂纹、变形和氧化等问题。更重要的是焊接加热温度低，使焊接接头软化程度得到减轻，性能得到改善。 搅拌摩擦焊在国外铝合金车体制造方面得到了一定的应用，日本、法国、德国、瑞典等国车辆制造商己经采用搅拌摩擦焊技术制造列车车体，焊接接头性能得到改善，效果良好。国内搅拌摩擦焊在铁道车辆制造方面的应用尚属空白。文章分析了搅拌摩擦焊的工作原理，并论述了其相关的应用。 1 搅拌摩擦焊的工作原理及特点 搅拌摩擦焊接时，搅拌头一边高速旋转，一边沿着焊接方向前进，焊接过程中，搅拌头轴肩与被焊工件表面摩擦产生热量使工件达到塑性状态，塑性状态的金属在搅拌头旋转压力的挤压作用下，沿搅拌针从前进侧被搅拌到后退侧，随着搅拌头的移动，高度塑性变形的金属流向搅拌头的后部，冷却后形成焊缝。在实际工作中，搅拌摩擦焊的焊核由于受到搅拌头的高速旋转挤压作用，该区原始的组织晶粒被搅拌破碎，同时在轴肩与母材摩擦产生的热作用下，发生动态再结晶，由母材轧制状组织变为细小的等轴晶。热机械影响区在搅拌头的高速旋转作用下发生明显塑性变形，受到的摩擦热低于焊核，不足以使组织发生再结晶，因此只发生部分长大。热影响区在热循环作用下，组织晶粒发生二次长大，该区组织明显粗化，甚至比母材还粗大。焊接时搅拌头缓慢插入母材中，摩擦头的轴肩与板材的表面紧密接触并压入一定深度。焊接时摩擦头高速旋转并沿待焊板材的接缝向前运动。摩擦头的轴肩、搅拌针与试件摩擦生热，产生的摩擦热使搅拌针周围金属处于热塑性状态。在摩擦搅拌过程中轴肩一方面提供了大部分的摩擦热，另一方面轴肩的下压作用防止了塑性状态金属的溢出，搅拌针前方塑性状态下的金属在摩擦头的驱动下向后方流动。在搅拌头的摩擦搅拌作用下，搅拌针周围的材料形成塑性层，从而形成了搅拌摩擦焊焊缝，使待焊件焊为一个整体。同时，因为搅拌摩擦焊焊接温度在铝合金熔点以下，使其与普通熔化焊有不同的本质，相应地带来了一系列优点：