搅拌摩擦点焊技术简介

综述 航天制造技术

1 综述 搅拌摩擦点焊技术简介 赵衍华 张丽娜 刘景铎 杜岩锋 王国庆 （首都航天机械公司, 北京100076） 摘要 搅拌摩擦点焊（FSSW）是在搅拌摩擦焊的基础上开发的一种新型固相修补焊接技术，具有接头质量高、缺陷少、变形小等优点。详细阐述了搅拌摩擦点焊焊接原理和技术特点，介绍了国内外研究现状及其在汽车等制造业中的应用，指出搅拌摩擦点焊在运载工具铝合金结构件制造过程中具有重要意义，是未来铝合金连接技术的发展方向之一。 关键词

搅拌摩擦点焊 原理 铝合金结构件

Introduction of Friction Stir Spot Welding Technology Zhao Yanhua Zhang Lina Liu Jingduo Du Yanfeng Wang

Guoqing （Capital Aerospace Machinery Corporation, Beijing 100076） Abstract Friction stir spot welding（FSSW）is a new solid state joining method, which is a variant of friction stir welding. The quality of the FSSW welding joints is perfect, due to its high mechanical property, a little defects and small distortion. The principle and technical characteristics of FSSW are particularly introduced. The investigation status and application of FSSW around the world have been introduced too. FSSW is a promising technology for aluminium alloy connection, and studying the new welding method will be beneficent to manufacturing of delivery technology. Key words friction stir spot welding principle aluminium alloy connection 1 引言 随着全球资源与环境保护问题的日趋严峻，运载工具的轻量化设计成为汽车、航空航天等制造领域的发展方向。一方面采用铝合金代替传统的钢材料，另一方面通过高效的新型工艺技术提高产品的可靠性并降低产品重量。铝合金作为运载工具的主要制造材料，其主要连接方式是焊接和铆接。在欧洲汽车车体生产中，常用的连接技术是YAG激光焊接方法，在日本车体制造中常用电阻点焊方法，运载火箭贮箱的制造过程中要大量应用电阻点焊和铆接技术，而航空飞行器的制造过程更需要广泛采用铆接技术。电阻点焊生产效率高、操作灵活性好，但也存在许多局限性，主要表现在：a.焊接过程需要提供大电流，耗能大；b.铝合金表面氧化膜造成电极寿命明显缩短；c.由于焊接大电流的作用，工件将产生明显的热变形，且焊缝中易出现缺陷和焊点质量不稳定，接头质量差；d.焊接过程中有飞溅，点焊工作环境差。铆接是铝合金构件中一种常用的连接技术，但是采用铆接技术一方面会增加铝合金构件的重量，另一方面在铆接过程中会产生大量的噪音，生产环境恶劣，另外，铆接技术需要在铝合金构件上预开孔，增加了生产成本。因此，研究开发铝合金新的点焊连接技术替代传统的电阻点焊和铆接技术，对扩大铝合金在汽车工业的应用，

作者简介：赵衍华（1977−），博士，高级工程师，材料加工工程专业；研究方向：搅拌摩擦焊、摩擦塞补焊等固相焊。 收稿日期：2009-03-17 综述 2009年4月第2期

2推动汽车轻量化发展以及提高航空、航天运载能力具有十分重要的意义。 搅拌摩擦点焊（Friction Stir Spot Welding，FSSW）是在“线性”搅拌摩擦焊接基础上，新近研究开发的一种创新的焊接技术[1]。FSSW可以形成点焊的搭接接头，其焊缝外观与通常应用于铝合金构件的电阻点焊类似，因而具有很高的应用价值和研究意义。 2 搅拌摩擦点焊的基本原理 目前，已公开的资料中报道了两种不同的FSSW技术。第一种方法是日本Mazda汽车公司于1993年发明的搅拌摩擦点焊[2]，基本原理如图1所示。这种搅拌摩擦点焊又称为“带有退出孔的搅拌摩擦点焊”技术，采用的焊接设备与普通搅拌摩擦焊接设备类似，具体的焊接过程可分为3个阶段： a. 压入过程：搅拌头不断旋转，通过施加顶锻压力插入连接工件中，在压力作用下工件与搅拌头之间产生摩擦热，软化周围材料，搅拌头进一步压入工件； b. 连接过程：搅拌头完全镶嵌在工件中，保持搅拌头压力并使轴肩接触工件表面，继续旋转一定时间； c. 回撤过程：完成连接后搅拌头从工件退出，在点焊缝中心留下典型的退出凹孔。

a 压入过程

b 连接过程 c 回撤过程 图 1 带退出孔的搅拌摩擦点焊过程示意图[2] 第二种方法是德国GKSS研究中心于

1999年发明的搅拌摩擦点焊[3

，4]，采用特殊的搅拌头，通过精确控制搅拌头各部件的相对运动，在搅拌头回撤的同时

填充搅拌头在焊接过程中形成的退出孔，采用该方法

焊接的点焊缝平整，焊点中心没有凹孔。搅拌摩擦点焊的搅拌头主要由三部分组成，分别为最内部的探针、中间层的袖筒以及最外层的夹套。其中，夹套在焊接时固定，不发生旋转，而中间层的袖筒和最内层的探针在焊接时既发生旋转也发生沿轴向的相对运动。 无退出孔的搅拌摩擦点焊具体焊接过程分为以下几个阶段[4]： a. 开始焊接时，工件放置在一刚性垫板上，搅拌摩擦点焊搅拌头压在工件上，搅拌头的探针和袖筒高速旋转，与工件摩擦产生热量，使材料达到塑性状态。夹套将袖筒、探针以及塑性材料密封在一个封闭空腔，防止塑性材料外溢，夹套不旋转，如图2所示。 图2 焊接开始——摩擦产热—材料塑化 b. 当材料达到足够的塑性状态时，探针和袖筒一边继续旋转一边沿轴向进行相对运动，首先是探针向材料上方运动，袖筒向材料下方运动。探针向上运动为材料的运动提供空间，袖筒向下运动时会推动塑性材料发生相互搅拌与运动，如图3所示。

图3 焊接第二阶段——探针上移，袖筒下移 c. 当探针和袖筒运动到一定程度，即当袖筒下移到下层工件一定深度后，探针和袖筒反方向进行相对运动，探针向下运动，袖筒向上运动。塑性材料进一步进行融合、搅拌。如图4所示。

图4 焊接第三阶段——探针袖筒反方向运动 d. 当探针与袖筒反方向运动达到焊接前的平面时，探针、袖筒和夹套与工件上表面重新回到一个平探针 袖筒 夹套综述 航天制造技术

3面上。探针和袖筒停止旋转。搅拌头整体从工件上移走，焊接完成。如图5所示。

图5 焊接第四阶段——焊接完成—焊接头脱离工件 相比之下，第二种方法要完成复杂的相对运动，填充退出孔将需要相对长的焊接时间，对设备的刚性和控制精度要求严格，需要专门的焊接设备进行焊接，前期投入成本较大；但优点是焊接后无退出孔，接头强度高、质量好。而第一种“带有退出孔的搅拌摩擦点焊”方法的优点是焊接速度较快，并且焊接设备和控制系统比较简单，容易集成到大批量的汽车组装生产线中，目前已在Mazda公司等多家汽车生产企业中获得应用。 3 搅拌摩擦点焊优点 电阻点焊、冲压铆接、铆接和自钻孔紧固是迄今为止所采用的单点连接的主要方法，在实际应用中都存在一定局限性。与传统电阻点焊等连接技术比较，FSSW方法焊接铝合金具有以下优点[5，6]： a. 质量高、缺陷少、变形小，焊接质量稳定； b. 节省能源、降低成本。Mazda公司的研究表明，所消耗的能量可以降低99％，从电阻点焊的每焊点40W·h降低到新工艺的每焊点0.4W·h（即采用新工艺每焊点电能消耗仅为电阻焊的1％）； c. 工艺过程简单； d. 无须特殊的结构改变，采用搅拌摩擦点焊焊接时，原来的点焊、铆接结构可以继续采用，不需要更改结构； e. 连接工具寿命长。Mazda公司的生产使用表明，搅拌摩擦头在经历了10万次点连接后也没有损耗现象； f. 工作环境清洁。搅拌摩擦点焊工作环境没有灰尘和烟雾，不需要大电流，生产过程是清洁的，不会产生任何电磁和噪声污染，属于绿色无污染工艺。 4 搅拌摩擦点焊的工艺技术研究 搅拌摩擦点焊的连接机理是搅拌头周围高温摩擦热和材料塑性流动相互作用的结果，冶金连接产生在搅拌头周围形成的一种圆环状搅拌区域与材料发生重结晶的区域中。搅拌头的旋转作用和特殊形状，不仅在搅拌头轴向、也在周围使材料产生塑性流动，这一区域在搅拌头旋转、挤压、粉碎等机械力作用下，形成致密组织结构，赋予点焊接头优异的力学性能。不同的搅拌摩擦点焊其焊接工艺参数不同，带有退出孔的搅拌摩擦点焊其重要工艺参数为：搅拌头材料、搅拌头形状、搅拌头旋转速度、搅拌头扎入速度、搅拌头停留时间以及焊接压力等；无退出孔的搅拌摩擦点焊工艺参数主要有：搅拌头尺寸、焊接时间、搅拌头各部件的相对运动速度、旋转速度、焊接压力等。 4.1 带有退出孔的搅拌摩擦点焊 Mazda公司通过大量试验研究证明，铝合金搅拌摩擦点焊工艺参数之间具有良好的相关性，在最佳工艺条件获得的搅拌摩擦点焊接头强度（包括剪切拉伸强度、剥离强度、剪切拉伸疲劳强度）等于或超过传统电阻点焊接头的性能。带有退出孔的搅拌摩擦点焊接头中心部位有一个退出孔，该孔是搅拌头拨出时形成的物理孔洞。孔周围的区域为轴肩对材料旋转挤压的作用区。 搅拌摩擦点焊（FSSW）的接头分区可以分为四个区域：塑性区、动态静止层、热影响区（HAZ）和母材，如图6所示。塑性区是指“匙孔”两侧直接受轴肩及搅拌针作用的区域，此区域在轴肩及搅拌针热、力作用下发生较大的塑性挤压变形；动态静止层是指匙孔底部材料受搅拌针挤压时运动速度很慢的区域，此区域内材料运动速度较慢，但也受到搅拌针的挤压作用，经历的塑性变形较大；热影响区是指塑性区与母材的过渡区，此区域在轴肩及搅拌针热作用下发生较大的塑性挤压变形。其中，塑性区和动态静止层是塑性材料受搅拌针和轴肩的旋转而流动形成的动态再结晶区，该区域晶粒细小，硬度高。

图 6 带退出孔的搅拌摩擦点焊接头横截面[7] 综述 2009年4月第2期

44.2 无退出孔的搅拌摩擦点焊 无退出孔搅拌摩擦点焊接头外观光滑，基本与母材齐平，焊接后不需要进行特殊的焊后处理和加工，其典型接头横截面如图7所示。从图中可以看出，焊缝从上板材直接贯穿到下板材中，焊缝整体呈现“碗状”。经金相腐蚀后，焊缝组织与母材组织有明显的区别。焊缝中心区域的搅拌区域晶粒细小，焊缝与母材之间有明显的流线分界，但这个流线分界并不是实际的分界线，焊缝与母材之间晶粒组织过渡缓慢、圆滑，未出现晶粒的急剧变化。 图7 接头金相宏观[4] 无退出孔的搅拌摩擦点焊接头常见的缺陷主要是孔洞，孔洞缺陷的形成主要是由于焊接过程中热输入量不足以及材料流动不充分造成的。孔洞缺陷常发生在接头与母材的交界处，接头焊缝上部和下部均有可能产生孔洞缺陷。孔洞缺陷的发生部位和形态如图8所示。 图8 无退出孔的搅拌摩擦点焊接头缺陷 5 搅拌摩擦点焊焊接设备 带有退出孔的搅拌摩擦点焊焊接设备与搅拌摩擦焊接设备一样，仅仅是用途不同。为了方便使用，可以将搅拌摩擦焊接设备的背部垫板进行改造，更换为一小型的垫板，增加焊接的开敞性。图9所示为典型的FSSW机器人[8]。这种形式类似传统的电阻点焊枪。优势是降低对固定夹具的需要，因为不需要任何支撑载荷的构件。 典型的无退出孔搅拌摩擦点焊焊接设备如图10所示。该设备由搅拌头、固定机构、控制系统等组成。体积小，重量轻，可以安装在小车上，方便移动和搬运。