搅拌摩擦焊接技术的新进展

搅拌摩擦焊接技术的新进展

搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding，简称FSW)是一种新型固相连接工艺，是由英国焊接研究所于1991年开发的专利技术。它适于连接同质或异质的多种结构材料，尤其适于连接常规焊接工艺难以焊接的高强铝合金川。搅拌摩擦焊焊接过程在焊接时，两侧焊件在接触并压紧后，焊针在电机的驱动下慢慢旋入两待焊件之间逐渐加速，加速到一定程度开始沿焊缝方向以一定的速度移动，起初焊针侧而与凸台端而和焊件间发生摩擦产生摩擦热，随着速度的提升，摩擦界而处温度也随之上升，此处金属呈高温粘塑性状态，由于焊针与焊件间的相对运动，此粘塑性金属内部也产生相对运动，在热激活作用下，这层粘塑性金属发生动态再结晶。焊合区金属通过相互扩散与再结晶，使两侧金属焊接在一起，从而完成整个焊接过程。

搅拌摩擦焊具有细化的锻造组织，无熔焊缺陷;无需专用动力;适于多种接头形式;残余应力与变形极小;无需焊料;适于自动化焊接。 随着有关搅拌摩擦焊过程中的塑性流动行为的研究，焊接过程热力藕合作用的有限元分析，各种典型材料搅拌摩擦焊工艺参数的优化和接头性能的评定，搅拌头形状的设计与优化，异种金属间的连接等方面研究工作深入地进行，搅拌摩擦焊技术不断得到完善，其应用将更加广泛。

搅拌摩擦焊是一项高效、低耗、低成本、环保的固相连接新技术。搅拌摩擦焊是利用肩台和搅拌头与工件间的摩擦热使接合面处的金属塑性化并在搅拌头和肩台的共同牵引、搅动作用下向后流动、填充

形成固相焊缝的过程。

显然，搅拌头的外形轮廓与转速、焊接压力、工件移动速度是其关键工艺参数。只要搅拌头材料耐磨性足够好，搅拌摩擦焊就可以实现塑性化温度较高的材料间的连接。目前己在实验室实现了Cu, Ti等合金的连接。

搅拌摩擦焊的焊接区由母材、热影响区(HAZ、热力影响区(TMAZ)和焊核(weld-ing nugget)组成，其中热影响区、热力影响区和焊核由搅拌头的搅拌形变作用产生。研究表明，焊核由纤细的经动态再结晶的等轴晶构成，其晶粒尺寸比母材的晶粒尺寸小得多。

作为一种创新的固相连接工艺，搅拌摩擦焊还适于连接同质或异质的宇航结构材料，尤其适于连接常规熔焊工艺难焊的高强铝合金。即使熔焊方法易于焊接的焊缝使用搅拌摩擦焊也可以显著提高接头的性能。由于控制参数少、易于自动化，可将焊接过程中的人为影响因素降到最低，其接头形式也多种多样。

搅拌摩擦焊工艺的出现解决了铝铜合金(2014,2219)熔焊所产生的缺陷，消除了铝合金熔焊时元素的挥发问题，改善了难焊轻合金的焊接性，如2XXX,7XXX系列中的难熔焊铝合金等;焊后均能获得无气孔、裂纹和焊接残余应力以及变形极小的高质量焊缝。该工艺焊接环境良好，不产生烟尘、辐射类的危险物质，是一种原理简单、高效、不消耗焊材、易于自动化，有着巨大应用前景的先进摩擦焊技术，尤其适于航天贮箱、弹头壳体的焊接生产。

由以上分析可知，搅拌摩擦焊设备是一种完全基于机械运动

和机电控制的焊接系统。因而在设备的实现和控制的柔性上没有不可逾越的障碍。其设备主要由搅拌摩擦焊机头、工作台和配套的工装夹具三大部分组成。搅拌摩擦焊机头是其核心部分，其主要功能有夹持搅拌头，集成搅拌头冷却系统，施加适当的焊接压力，实现搅拌头的转动和水平移动。

综上所述，搅拌摩擦焊具有以下优点:(1)细化的锻造组织，无气孔、裂纹和元素烧损等熔焊缺陷且焊缝质量高度一致;(2)利用现有机床、工具技术，无需专用动力，节省能源;(3)适于多种接头形式—对接、搭接及角接，适于变截面焊缝和异质材料间的连接；（4）焊缝表面平整，残余应力与变形极小;（5）一步工序，无需焊料;(6)高效，适于自动化焊接。

搅拌摩擦焊也有自身的局限性:（1）主要适于平直焊缝和环焊缝;（2）工装夹具要求较高；（3）焊后留有锁孔，给补焊带来一定困难。

下面是搅拌摩擦焊最新研究成果：

2搅拌摩擦焊微观组织研究进展

微观组织结构与接头力学性能密切相关，一般将接头分为三个部分，即焊核区、机械热影响区和热影响区。Krishnan利用

TEM ,OIM、LM等试验手法，得到不同焊接条件下微观组织结构情况。试验采用A1-Li-Cu合金，焊前平均晶粒直径为87 gym,晶粒是扁长状;焊缝动态再结晶区DRX的平均晶粒直径为9 μm,而且是等轴晶粒。Sutton认为通过改变FSW焊接参数，可改变接头的微观组织结构，

改善接头的一系列性能，包括抗断裂能力。Liu等人用FSW方法连6060-T6铝合金，微观试验结果显示，焊缝区的平均晶粒直径为10 }m，而母材的平均晶粒直径为10μm。Benavides认为表而晶粒尺寸从焊缝底部至顶部是逐渐增加的，但FSW在焊接温度不高的情况下，这差别很小，当旋转速度降低时，晶粒尺寸降低;2024铝合金焊缝晶粒平均为0. 8 μm，而母材焊前为10μm;并提出了晶粒生长公式，分析了不同焊接条件下的微观组织和焊缝中心温度之间的关系。

2搅拌摩擦材料研究

Fsw在开发初期主要是应用于铝及其合金系列的焊接，目前在铝合金的应用已经基本成熟。铝合金是一种比强度高的材料，将其用于飞机、汽车、船舶等结构中，可以减轻这些结构的质量，提高它们的综合性能。但是，由于其熔点、密度较低，热传导系数大，熔焊时易产生气孔、裂纹、变形等缺陷，其连接多用铆接或机械连接，因此，限制了铝合金在飞机、汽车、船舶等结构中的应用。利用FSW技术，可以克服熔焊时的缺陷，且焊接接头的性能不会降低。现已成功焊接了2xxx,5xxx,6xxx,7xxx,8 xxx系等铝合金，可焊接的厚度达75 mm。

英、美等国正在进行锌、铜、钦、低碳钢及复合材料等的FSW研究。实践证明搅拌摩擦焊接技术已经能够用来焊接很多有色金属，如铅、锌、镁合金、铜及铜合金、钦合金和铝基复合材料等，甚至能够用于焊接黑色金属，如钢等。

对于异种材料的连接，FSW也具有很大的优越性，如FSW不仅

可以实现2024/6061以及2024/7075等不同牌号铝合金材料的焊接，还可以实现铜合金和铝合金等不同种材料的焊接。对于不同状态的铝合金材料，FSW也能实现焊接，如锻压板材和挤压型材的焊接、锻压板材和铸铝的焊接等。TWI的研究报告显示，铸造铝合金材料经过FSW，铸造空洞消失，组织细化，接头性能远远优于母材。

3搅拌摩擦焊工具的研究进展

目前搅拌焊头的形状主要有圆柱形、圆锥形、螺旋形。研究表明，螺旋形搅拌焊头在旋转的同时，可产生向下的锻造力，更有利于焊缝金属的焊合及成形。

搅拌摩擦焊接时，热量主要来自于焊针与工件的摩擦。焊针的直径过大时，焊接区断而而积增大，热影响区变宽，同时搅拌焊针向前移动时阻力增大;焊针的尺寸过小时，摩擦产生的热量不足，焊接区热塑性材料的流动性差，搅拌焊针向前移动时所产生的侧向挤压力减小，不利于形成致密的焊缝组织。研究结果表明，搅拌焊针的直径为工件厚度的0. 9~1. 1倍时，焊缝质量较好。实验结果表明，当搅拌焊头的肩部直径与焊针直径之比为3：1时，在适宜的工艺参数下施焊，容易获得较高质量的焊缝。

搅拌摩擦焊的良好应用前景

1、擦焊在航天航空工业的应用

波音公司己将搅拌摩擦焊用于焊接Delta型运载火箭贮箱的纵缝，洛·马公司己经实现了搅拌摩擦焊工艺在各种铝合金上的应用。铝合金包括2195,2014,2219,7075及6061，厚度在2. 3~38 mm。欧洲

航空工业公司己经开展了“飞机框架结构的搅拌摩擦焊(WAFS)”项目，该项目由欧洲13个主要的飞机制造公司和研究机 …… 此处隐藏：2334字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……