中科院科技成果——搅拌摩擦焊接与加工技术

搅拌摩擦焊金相检测原理

搅拌摩擦焊，听起来像个高科技的外星武器，其实它就是一种焊接技术，能把金属连接得紧紧的。咱们平常用的焊接，很多时候都要加焊料，或者是用电弧什么的，这里就不同了。这个技术主要靠摩擦生热，再加上搅拌的动作，嘿，像在做一碗美味的杂烩，材料相互融合，最后形成一体。想象一下，把两块金属放在一起，然后不停地搅拌，慢慢地，它们就像打了鸡蛋一样，融合在一起，嘿，就是这么神奇。

说到金相检测，听起来有点复杂，其实就是看焊接的质量和结构。简单来说，就是研究金属的微观结构。金属不是光滑的表面，它们的内部其实有很多小秘密，像小村庄一样，里面住着很多小原子。如果焊接的地方不够好，里面可能会有很多缺陷，这可就不妙了。你想啊，像是做饭，食材如果处理不好，做出来的菜就不香，对吧？所以，金相检测就是要在焊接完后，好好“检查”一下，看看这个“菜”是不是能上桌。

金相检测一般有几个步骤，首先得把焊接的地方切割下来，像是在剪一个小样本。然后，把这个小样本打磨得光滑透亮，像镜子一样。把它放在一个特殊的显微镜下观察，嘿，像是在看显微镜下的细胞，真是大开眼界。通过观察金属的组织结构，科学家们能判断出焊接的质量，发现一些潜在的问题。

这玩意儿虽然听起来简单，实际操作起来可是个技术活。要知道，不同的金属有不同的特性，焊接的参数、环境都得考虑周全。就像煮面条，有的人喜欢煮软的，有的人偏爱硬的，时间和火候都得掌握得当。要是温度太高，金属可能会出现裂纹，温度太低，又焊不牢，真是个难题。

搞金相检测的师傅们可得有一双火眼金睛，他们用肉眼看不见的地方，能找出那些小问题。毕竟，金属的强度和耐用性，直接关系到整件事的安全性。想象一下，如果焊

接的地方出了问题，就像汽车的刹车失灵，后果可不堪设想。安全第一嘛，谁都不想让自己的生命玩游戏。

金相检测还有个好处，就是能让我们更加了解材料的特性。比如，某种金属在高温下会变得脆弱，那在设计的时候，就得多加考虑。想想看，如果用这种金属做航天器，飞到太空里万一出现问题，那可真是“天大地大无处可逃”了。所以，金相检测就像是给金属做了一次全面的体检，帮助我们提前发现隐患，避免不必要的麻烦。

铝合金搅拌摩擦焊

铝合金搅拌摩擦焊是一种新型的焊接技术，采用搅拌摩擦和热成型技术连接铝合金件，具有高强度、高密度、高质量等优点。它是一种非常适用于铝合金焊接的技术，逐渐在航空、船舶、汽车、工程机械等领域中得到广泛的应用。

一、搅拌摩擦焊的基本原理：

搅拌摩擦焊采用的是搅拌摩擦原理，利用搅拌工具在铝合金工件之间产生高温和高压，使铝粉末软化后再强制挤压，形成均匀的金属晶粒和致密的焊缝。在搅拌摩擦焊的过程中，由于摩擦热和加压的作用，使铝合金接头处的温度升高，铝合金达到了塑化状态，再通过搅拌工具的旋转，将金属元素混合形成熔体，然后通过挤压形成均匀的焊缝。

二、铝合金搅拌摩擦焊的优点：

1.高强度：搅拌摩擦焊焊接的铝合金接头具有非常高的强度，其强度甚至可以超过基材强度。

2.高质量：搅拌摩擦焊焊接的铝合金接头中没有焊缝氧化皮，且焊接过程中产生的铈等杂质较少，焊缝的质量比较高。 3.无损：搅拌摩擦焊和传统的焊接不同，它不需要加入任何的填充材料，也不会产生任何的变形和裂纹，无需进行后续的处理和检验。

4.成本低：由于不需要使用任何填充材料和后续处理工艺，因此搅拌摩擦焊的成本较低，操作简单，效果稳定可靠。

三、铝合金搅拌摩擦焊的应用：

搅拌摩擦焊技术可以应用于多种铝合金材料的连接，如6XXX系列的铝合金、7XXX系列的铝合金等，其应用范围可以覆盖到航空、船舶、汽车、电力、机械制造等多个行业。尤其是在空间航空领域中，铝合金搅拌摩擦焊被广泛应用，因为它可以解决传统焊接工艺在航空器外皮焊接中存在的一系列问题。

四、铝合金搅拌摩擦焊的发展趋势：

在金属焊接行业，铝合金搅拌摩擦焊越来越得到重视，被认为是一种高新技术，与传统的焊接技术相比较，具备多种优点。相信未来，随着更多的应用场景开发出来，这种焊接技术将得到更加广泛的应用。

总结：

铝合金搅拌摩擦焊是一种新型的焊接技术，它具有高强度、高密度、高质量等优点，能够解决传统焊接技术存在的一系列问题，被广泛应用于航空、船舶、汽车、电力、机械制造等领域。虽然铝合金搅拌摩擦焊仍然存在一些问题，但相信未来随着技术的不断改进，将会成为一种更加成熟、优质的焊接技术。

一文了解先进焊接技术之搅拌摩擦焊

01

原理

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。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。

FSW工作原理示意图

搅拌摩擦焊的常用术语及定义

旋转。搅拌头旋转启动后，以一定速度插入待焊零件；

插入。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；

焊接。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；

离开。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。

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。

搅拌摩擦焊的工艺过程示意图

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。

FSW搅拌摩擦焊接的原理和应用

1. 原理介绍

搅拌摩擦焊接（Friction Stir Welding，简称FSW）是一种高效的固态焊接技术，它的原理是利用摩擦热产生塑性变形并将材料连接在一起。相比传统的熔化焊接技术，FSW避免了熔化材料的过程，从而消除了熔渣、气孔和焊缝变质等焊接缺陷。该技术适用于多种材料的焊接，包括铝合金、镁合金、钛合金和铜等。

FSW焊接过程中，焊接头部分被焊接工具（通常是一个非常坚硬的圆柱形肩部和一个细长的针尖部分组成）沿着焊接拼接线旋转前进。焊接工具施加在焊接接头上的轴向压力使接头产生塑性变形。焊接过程伴随着摩擦热的产生，使材料局部发生非等温塑性变形。随着焊接工具的前进，焊接接头在塑性变形的影响下形成连续的焊缝。

2. 搅拌摩擦焊接的优势

FSW具有以下几个优势，使其在各个工业领域中得到广泛应用：

2.1 强度高

由于焊接过程中没有液态的熔池，FSW焊接接头的晶粒不会因为快速冷却而变细，从而保持了较高的强度。热影响区（Heat Affected Zone，HAZ）也较窄，减少了焊接接头的热损害。

2.2 减少焊接缺陷

FSW既避免了熔化过程中可能产生的气孔、熔渣等缺陷，又减少了焊缝区的变质现象。焊接接头的质量得到有效保证。

2.3 适用于不同材料的焊接

FSW广泛适用于铝合金、镁合金、钛合金、铜等多种材料的焊接。无论是相似材料的焊接，还是异种材料的焊接，FSW都能得到良好的焊接质量。

2.4 生产效率高

FSW焊接速度相对较快，通常比传统熔化焊接技术要高，可以大大提高生产效率。同时，焊接过程中无需使用惰性气体保护，避免了气体保护系统的成本和复杂性。 3. 搅拌摩擦焊接的应用领域

FSW技术在众多领域中得到了应用，以下列举了几个典型的应用领域：

3.1 航空航天工业

在航空航天领域，铝合金被广泛应用于制造飞机结构。如机翼、蒙皮和座椅等。FSW技术可以实现这些结构件的焊接，提高了结构的强度和可靠性。