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1、搅拌摩擦焊摘要 搅拌摩擦焊是由英国焊接研究所（WTI)于1991年发明的一种新型固相连接技术。搅拌摩擦焊具有高效率、高资源、高利用率、无污染等优点。本论文主要从搅拌摩擦焊的基本原理、焊接工艺研究现状和焊接设备等几方面对搅拌摩擦焊展开学习与研究。关键词：搅拌摩擦焊；焊接工艺；焊接性能一.课题研究背景 目前新兴的一种焊接方法搅拌摩擦焊被认为是很有前途的焊接方法。搅拌摩擦焊是由英国焊接研究所于1991年针对焊接性差的轻质有色金属开发的一种新型固相连接技术。焊接过程中焊缝部位不存在金属的熔化，是一种固态塑化焊接过程，焊接时很少出现类似于熔焊的各种缺陷，使得以往通过传统熔焊方法无法实现或难以实现焊接的材
2、料通过FSW技术得以实现连接，因而显示出良好的应用前景，自FSW问世以来，已受到世界上主要工业化国家的重视，被誉为“继激光焊后又一次革命性的焊接技术”。1-2 与传统熔化焊相比，搅拌摩擦焊焊接过程无飞溅、无烟尘、无气孔、无夹渣，不需要填充材料和保护气体，能耗低，对环境无污染，是一种理想的绿色连接技术;焊接接头的疲劳性能、拉伸性能和弯曲性能良好;焊缝部位不存在金属的熔化过程;故不存在熔焊时的各种缺陷，焊缝成形较好;焊缝部位热塑性变化范围较小，故焊后接头的内应力小、变形小，基本可实现板件的低应力无变形焊接。与普通摩擦焊相比，FSW不受轴类零件的限制，可用于板结构的焊接。此外，这种方法对操作者的技能
3、要求不高，极易实现高速、自动化操作。对于同一种铝合金用搅拌摩擦焊与传统的氢弧焊相比，其焊接接头的强度提高15%一20%，延伸率提高1倍，断裂韧度提高30%，接头区为细晶组织。基于搅拌摩擦焊焊接的特点，考虑应用其焊接铝合金。FSW技术一出现，就受到航空界的青睐，瑞典ESAB公司按许可证制造了专用FSW设备。波音公司己将FSW技术应用于Delta运载火箭推进剂贮箱的制造。3-4二.搅拌摩擦焊基本原理及工艺特点传统的摩擦焊是利用两被焊工件相互摩擦，由摩擦产生的热使被焊材料产生塑性软化区，然后快速停止摩擦，立即加压形成固相焊接接头，传统的摩擦焊适用于圆形、近圆形的可旋转或平移运动的端面焊合。图2.1为
4、传统的摩擦焊6。2.1 传统的摩擦焊 搅拌摩擦焊工艺是有英国焊接研究所于1991年提出的一种新型连接方法。与传统的摩擦焊的相同点是，二者都属于固相连接方法，都有摩擦生热作用，但是搅拌摩擦焊是通过专用的搅拌头与被焊件进行摩擦生热，并且对焊缝材料有搅拌作用，这对焊缝的成形起到非常重要的作用，同时两者的应用也不同，搅拌摩擦焊可以设用各种形式的焊缝，如：对焊，叠焊，脚焊等等。搅拌摩擦焊的基本原理，如图2.2所示。焊接时，先在焊机工作台放一块导热率较小的刚性金属垫板，并将工件放在垫板上；然后被焊件的两侧用挡块固定，以防焊接时被焊工件发生纵向移动，因为焊接时的下压加压较大；同时被焊工件的横向和竖向方向应该
5、用夹具固定，防止被焊工件因受力不均而发生横向移动和焊接时受热翘曲而使焊接无法进行。2.2 搅拌摩擦焊原理示意图 2.3 搅拌头的形状 2.4 几种搅拌摩擦焊的焊接接头 一个专门设计的搅拌头以一定速度旋转，同时缓慢地插入焊缝的连接线中。搅拌头的形状如图2.3所示。搅拌头由特殊形状的搅拌针和轴肩组成，轴肩的直径大于特形搅拌针的直径，搅拌针的直径大约是轴肩直径的三分之一，搅拌针的轴向长度略小被焊工件的厚度或所需焊缝的深度，搅拌头与焊缝有一定夹角，以利于焊缝的成形，同时降低搅拌头在焊接过程中的前进阻力，避免搅拌针的折损。搅拌头旋转压入被焊工件直至轴肩与工件表面完全接触，并继续下压一定的下压量，以利于焊
6、接。由于轴肩与被焊工件上表面进行滑动摩擦而产生大量的摩擦热，使得环绕插入的搅拌头的周围的被焊材料软化，并且这部分发生软化的材料在搅拌头的旋转带动和搅拌针的搅拌作用下发生塑性流动。保持搅拌头在初始焊接点焊接一定的时间，然后使搅拌头以一定的焊接速度沿焊接界面向前移动，在沿焊接界面的狭窄区域内的材料被连续地摩擦、加热、挤压、塑性“搅拌”，前端处于塑性状态的材料被挤压和搅拌到搅拌头前进方向的尾端，形成连续的塑性流动过程;随着焊接过程的不断进行，焊接过程进入稳定状态，此时摩擦发热量与散热量达到动态平衡，搅拌头及其界面处的被焊材料基本保持温度不变;从而在热一机联合作用下，使被焊材料重新结合成可靠、致密的金
7、属间固相焊缝。应该指出，搅拌摩擦焊缝结束时在终端留下个匙孔。该匙孔可以切除掉，也可以用其它焊接方法进行填实或过渡。由搅拌摩擦焊接的基本原理可知，搅拌摩擦焊最基本的工艺设备要求是搅拌头的旋转运动和工件的相对运动，即使一台较小的铣床也可简单地达到小型平板对接焊的要求，但是焊接设备及夹具的刚性是非常重要的。搅拌头一般要用具有良好耐高温力学和物理特性的抗磨损材料制造，如用工具钢制成，搅拌头的长度一般比要求焊接的深度稍短，它依赖于被焊材料和焊接工艺参数。在焊接过程中，轴肩与被焊材料表面紧密接触;一方面可以和工件表面相互摩擦产生焊接所需的搅拌摩擦热，同时可以起到清除和破碎工件表层组织的作用;另一方面可以防
8、止搅拌头在高速旋转时软化的材料从焊缝被挤溢出去，并防止内部软化金属材料的氧化等。由于搅拌摩擦焊过程中热输入相对于熔焊过程较小，接头部位不存在金属的熔化，是一种固态焊接过程，避免了普通熔焊可能产生的缺陷，在合金中较好的保持了母材的冶金性能，可以焊接金属基复合材料、快速凝固材料等采用熔焊会有不良反应或难以焊接的材料，比传统焊接方法有明显的技术优势。FSW还有以下主要优点4-6:(l)温度低(即使是长焊缝也是如此)，固相连接，不产生类似熔焊接头的铸造的组织缺陷;焊接后结构的残余应力或变形很小;(2)焊接过程中也不需要其它焊接消耗材料，无需添加焊丝，一般不需焊前除氧化膜，不需要保护气体;焊接过程安全，
9、对环境的污染极小，无烟尘、无辐射、无飞溅、无弧光，没有有害物质产生，噪音很低;是一种环保型连接方法。(3)焊前、焊后辅助工作很少，生产成本大幅度降低;在对接接头中，由于焊接方法的优越性，搅拌摩擦焊对焊接接头形状、清洁度以及接头装配间隙均要求不太高;如搅拌摩擦焊对焊接时在接头间隙量为工件厚度的10%时，同样可以得到优良的焊接接头。(4)搅拌摩擦焊可以应用于对接、搭接、丁字形接等多种接头形式的焊接，如:对接和搭接复合接头、多片T形对接、双片内角对接等等;大大提高了焊接接头的力学性能，消除了熔焊时容易产生的气孔、夹杂、凝固裂纹等多种缺陷。搅拌摩擦焊作为一种新型的固态连接技术，目前其机理的还不够成熟，
10、处于研究发展阶段，仅有了初步的技术应用，应用范围还不广泛，但搅拌摩擦焊接技术的发展较快。目前，搅拌摩擦焊接也存在一些局限性4-6。(l)对于熔点高的材料焊接困难，因为搅拌摩擦焊接的温度较低;(z)焊接工件必须刚性固定，背面应有底板，这是因为搅拌摩擦焊接需要较大的轴向压力和前进阻力;工装夹具的通用性较差，目前的搅拌摩擦焊接的应用通常都需要专用的工装夹具;(3) 对板材进行单道连接时，目前焊速不是很高，对于高焊速的焊接机理有待进一步研究，对搅拌头材质的要求较高，搅拌头的磨损很快。三.搅拌摩擦焊接工艺试验的研究现状3.1焊接试验的材料 应用FSW成功连接的材料有铝合金、镁合金、铅、锌、铜、不锈钢、低
11、碳钢等同种或异种材料。 从理论上讲，只要能够找到在被焊接材料近似锻压状态下能够有效工作的搅拌头的材料，就可以实现这种材料的搅拌摩擦焊连接。由于铝合金的锻造温度大约在450左右，而搅拌头材料在500左右是具有良好的高温性能。因此，可用搅拌摩擦焊来焊接铝合金及铝基复合材料，尤其对于传统的焊接方法“不可焊接”的、在宇航结构件中经常使用的2x二和7xxx系列热处理沉淀强化和冷作硬化的高强铝合金材料，也能实现可靠的连接3。3.2焊接工艺试验 搅拌摩擦焊是一个复杂的工艺过程，影响搅拌摩擦焊的主要因素为搅拌焊头的材料和结构、搅拌头旋转速度、焊接速度、搅拌头形状特征、焊接条件、被焊材料的种类和组织等等。这些参
12、数和条件对于搅拌摩擦焊接成形的影响非常大。许多学者在搅拌摩擦焊接的影响因素上作了研究，试验表明:搅拌头的形状对焊缝的成形有重要影响:搅拌摩擦焊接过程中，搅拌头形状特征、搅拌旋转速度和焊接速度是影响热输入量和焊缝金属热塑性流动状态的重要因素，只有选择合适的搅拌旋转速度与焊接速度才能使焊缝质量优良;对于一定的搅拌旋转速度，有t一个临界焊接速度，只有在低于此值时才能够成行良好，而高于此值时焊缝不能构成形;同时，轴肩压入深度和焊接倾角必须相互匹配才能时焊缝成型良好。但是其工艺试验所使用的搅拌头通常没有带螺纹特征，焊接参数的范围很窄，效率低，质量差;其工艺试验均停留于定性分析阶段，需要进一步深入研究，特
13、别是焊接过程中材料的塑性流动规律。对于搅拌摩擦焊的焊接性能的研究，一般对搅拌摩擦焊缝做横向拉伸试验阵。试验表明，搅拌摩擦焊缝的静态拉伸性能受限于焊接工艺。但是实际上，铝合金薄板的搅拌摩擦焊接焊缝的屈服极限有明显的降低。搅拌摩擦焊缝的硬度的分布规律一般是中间部分硬度较高，两侧的过渡区的硬度较低。图3.5为文献7所得的搅拌摩擦焊焊缝区的硬度分布图。3.5 搅拌摩擦焊焊缝的硬度分析 对于搅拌摩擦焊焊缝的微观组织进行研究有助于工艺试验的化研究。搅拌摩擦焊缝横截面的金相照片如图3.6所示图中的左侧为前进侧7。 3.6 典型的焊缝横截面组织 由于焊缝耐腐蚀能力下降的结果，宏观上焊缝区比基体金属更加明亮，尤
14、其是焊核区;整个焊缝横截面的不同区域的组织有明显的不同。因此可将焊缝组织分为四个区域。母材区(BM， basemetai)，受热影响较小，无热变形;热影响区(HAZ， heataffectedzone)，受热循环的影响但无热变形;热机影响区 (TMAZ，thermal一mechanicaia到笼 ctedzone)，产生了显著的弯曲塑性变形，组织发生了回复过程;动态再结晶区(nxz，d邓 amiedlyrecryst沮 lizedzone)，是最接近轴肩和搅拌针的区域，组织结构有较大变化，或称焊核区 (weldnugget)。焊核区是发生了剧烈塑性变形的焊区，由于轴肩端面和搅拌针的搅拌摩擦导致
15、热塑性流动而形成的。3.3 搅拌摩擦焊接的研究趋势和应用自从1991年TWI发明搅拌摩擦焊接以来，该项技术就在全球范围的许多领域得到应用，特别是用于轻合金部件和拼板的制造。北欧斯堪的纳维亚铝合金制造商Trendsetters在1995年首次将该工艺用于空心结构低温冷藏柜体壁板、船甲板及舱壁铝板的制造。搅拌摩擦焊接结构正在改变由轻型部件构成的高速渡轮、气垫船和油轮等制造手段。搅拌摩擦焊使用非损耗的旋转工具，沿着两个部件的连接处移动，形成高质量的对接或者搭接焊缝。在对焊中，搅拌的长度与工件的厚度相近。因此搅拌针会几乎完全穿透焊件。搅拌针沿着待焊面前进，同时，轴肩紧密接触工件上表面，以防金属材料软化。该方法可看作旋转的搅拌针周围的挤压形成连续的固相焊缝的成形方法。 TWI目前的核心研究项目中，有两项是针对铝合金的搅拌摩擦焊技术。 (1)修复技术中的搅拌摩擦焊接工艺:针对用于修复的搅拌摩擦焊接工作正在逐步发展。TWI的CRP项目“修复技术的搅拌摩擦焊接工艺包括便携式搅拌摩擦焊的开发”正在研究中，并为搅拌摩擦焊接修复技术的应用提供很大帮助。该项目阐述了铝合金薄板搅拌摩擦焊便携式设备的技术需求。 (2)搅拌摩擦焊接基本原理:TWI对材料软化反映的轴向旋转速度、外用力和摩擦生热等因素之间的关系，在CRP项目搅拌摩擦焊接基本原理和材的摩擦过程中进行了研究。
