攪拌摩擦焊方法與常規(guī)摩擦焊一樣。攪拌摩擦焊也是利用摩擦熱與塑性變形熱作為焊接熱源。不同之處在于攪拌摩擦焊焊接過程是由一個圓柱體或其他形狀（如帶螺紋圓柱體）的攪拌針(welding pin)伸入工件的接縫處，通過焊頭的高速旋轉(zhuǎn)，使其與焊接工件材料摩擦，從而使連接部位的材料溫度升高軟化。同時對材料進行攪拌摩擦來完成焊接的。焊接過程如圖所示。在焊接過程中工件要剛性固定在背墊上，焊頭邊高速旋轉(zhuǎn)，邊沿工件的接縫與工件相對移動。焊頭的突出段伸進材料內(nèi)部進行摩擦和攪拌，焊頭的肩部與工件表面摩擦生熱，并用于防止塑性狀態(tài)材料的溢出，同時可以起到清除表面氧化膜的作用。

在焊接過程中，攪拌針在旋轉(zhuǎn)的同時伸入工件的接縫中，旋轉(zhuǎn)攪拌頭（主要是軸肩）與工件之間的摩擦熱，使焊頭前面的材料發(fā)生強烈塑性變形，然后隨著焊頭的移動，高度塑性變形的材料逐漸沉積在攪拌頭的背后，從而形成攪拌摩擦焊焊縫。攪拌摩擦焊對設(shè)備的要求并不高，最基本的要求是焊頭的旋轉(zhuǎn)運動和工件的相對運動，即使一臺銑床也可簡單地達到小型平板對接焊的要求。但焊接設(shè)備及夾具的剛性是極端重要的。攪拌頭一般采用工具鋼制成，焊頭的長度一般比要求焊接的深度稍短。應(yīng)該指出，攪拌摩擦焊縫結(jié)束時在終端留下個匙孔。通常這個匙孔可以切除掉，也可以用其它焊接方法封焊住。針對匙孔問題，已有伸縮式攪拌頭研發(fā)成功，焊后不會留下焊接匙孔。

關(guān)于在攪拌摩擦過程中界面原子的運動仍處于研究階段。

3特點

焊接過程中也不需要其它焊接消耗材料，如焊條、焊絲、焊劑及保護氣體等。唯一消耗的是焊接攪拌頭。

同時，由于攪拌摩擦焊接時的溫度相對較低，因此焊接后結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力或變形也較熔化焊小得多。特別是Al合金薄板熔化焊接時，結(jié)構(gòu)的平面外變形是非常明顯的，無論是采用無變形焊接技術(shù)還是焊后冷、熱校形技術(shù)，都是很麻煩的，而且增加了結(jié)構(gòu)的制造成本。

攪拌摩擦焊主要是用在熔化溫度較低的有色金屬，如Al、cu等合金。這和攪拌頭的材料選擇及攪拌頭的工作壽命有關(guān)。當然，這也和有色金屬熔化焊接相對困難有關(guān)，迫使人們在有色金屬焊接時尋找非熔化的焊接方法。對于延性好、容易發(fā)生塑性變形的黑色材料，經(jīng)輔助加熱或利用其超塑性，也有可能實現(xiàn)攪拌摩擦焊，但這就要看熔化焊和攪拌摩擦焊哪個技術(shù)經(jīng)濟指標更合理來決定。

攪拌摩擦焊在有色金屬的連接中已獲得成功的應(yīng)用，但由于焊接方法特點的限制，僅限于結(jié)構(gòu)簡單的構(gòu)件，如平直的結(jié)構(gòu)或圓筒形結(jié)構(gòu)的焊接，而且在焊接過程中工件要有良好的支撐或村墊。原則上，攪拌摩擦焊可進行多種位置焊接，如平焊，立焊，仰焊和俯焊；可完成多種形式的焊接接頭，如對接、角接和搭接接頭，甚至厚度變化的結(jié)構(gòu)和多層材料的連接，也可進行異種金屬材料的焊接。

另外，攪拌摩擦焊作為一種固相焊接方法，焊接前及焊接過程中對環(huán)境的污染小。焊前工件無需嚴格的表面清理準備要求，焊接過程中的摩擦和攪拌可以去除焊件表面的氧化膜，焊接過程中也無煙塵和飛濺．同時噪聲低。由于攪拌摩擦焊僅僅是靠焊頭旋轉(zhuǎn)并移動，逐步實現(xiàn)整條焊縫的焊接，所以比熔化焊甚至常規(guī)摩擦焊更節(jié)省能源。

由于攪拌摩擦焊過程中熱輸入相對于熔焊過程較小，接頭部位不存在金屬的熔化，是一種固態(tài)焊接過程，在合金中保持母材的冶金性能，可以焊接金屬基復合材料、快速凝固材料等采用熔焊會有不良反應(yīng)的材料。其主要優(yōu)點如下：
　　(1)焊接接頭熱影響區(qū)顯微組織變化�。畾堄鄳�(yīng)力比較低，焊接工件不易變形；

(2)能一次完成較長焊縫、大截面、不同位置的焊接．接頭高：

(3)操作過程方便實現(xiàn)機械化、自動化，設(shè)備簡單，能耗低，功效高，對作業(yè)環(huán)境要求低：

(4)無需添加焊絲，焊鋁合金時不需焊前除氧化膜，不需要保護氣體，成本低；

(5)可焊熱裂紋敏感的材料，適合異種材料焊接：

(6)焊接過程安全、無污染、無煙塵、無輻射等。
　　攪拌摩擦焊也存在一定的缺點：焊接工件必須剛性固定，反面應(yīng)有底板；焊接結(jié)束攪拌探頭提出工件時，焊縫端頭形成一個鍵孔，并且難以對焊縫進行修補：工具設(shè)計、過程參數(shù)和機械性能數(shù)據(jù)只在有限的合金范圍內(nèi)可得：在某種情況下，如特殊領(lǐng)域中要考慮腐蝕性能、殘余應(yīng)力和變形時，性能需進一步提高才可實際應(yīng)用；對板材進行單道連接時，焊速不是很高：攪拌頭的磨損消耗太快等。

4發(fā)展現(xiàn)狀

攪拌摩擦焊(FrictionStir Welding簡稱FSW)是英國焊接研究所(TWI)于1991年10月提出的發(fā)明專利。攪拌摩擦焊工藝最初主要用于解決鋁合金等低熔點材料的焊接，關(guān)于攪拌摩擦焊工藝的特點和應(yīng)用等，TWI進行了較多的研究，并于1993年、1995年分別申請了專利。TWI主要是與航空航天、海洋、道路交通、鋁材廠、焊接設(shè)備制造廠等大公司聯(lián)合，以團體贊助或合作的形式開發(fā)這種技術(shù)，擴大其應(yīng)用范圍。美國的愛迪生焊接研究所(Edisonwelding Institute，簡稱EWI)與TWI密切協(xié)作，也在進行FSW工藝的研究。美田的美國洛克希德·馬丁航空航天公司、馬歇爾航天飛行中心、美國海軍研究所、Dartmouth大學、德克薩斯大學、阿肯色斯大學、南卡羅利納大學、德國的Stuttgart大學、澳大利亞的Adelaide大學、澳大利亞焊接研究所等都從不同角度對攪拌摩擦焊進行了專門研究。
　　攪拌摩擦焊工藝是自激光焊接問世以來最引人注目的焊接方法。它的出現(xiàn)將使鋁合金等有色金屬的連接技術(shù)發(fā)生重大變革。用攪拌摩擦焊方法焊接鋁合金取得了很好的效果�，F(xiàn)如今在英、美等國正進行鋅、銅、鈦、低碳鋼、復合材料等的攪拌摩擦焊接。攪拌摩擦焊在航空航天工業(yè)領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。

(1)攪拌頭
　　攪拌頭的成功設(shè)計是把攪拌摩擦焊應(yīng)用在更大范圍的材料和焊接更寬的厚度范圍的關(guān)鍵。下面主要討論一下攪拌頭的發(fā)展現(xiàn)狀．一般說來，攪拌頭包括兩部分：攪拌探頭和軸肩，而攪拌頭的材料通常都采用硬度遠遠高于被焊材料的材料制成，這樣能夠在焊接過程中將攪拌頭的磨損減至最小。在初期，攪拌頭形狀的合理設(shè)計是獲得良好機械性能焊縫的關(guān)鍵。關(guān)于攪拌頭的發(fā)展主要集中在兩個方面：一個是帶螺紋的攪拌頭，一個是帶三個溝槽的攪拌頭。本質(zhì)上，這兩種攪拌探頭都設(shè)計成錐體，大大減少了相同半徑圓柱體攪拌探頭的材料卷出量，一般說來，帶三溝槽的攪拌探頭減小了70%，而帶螺紋的攪拌探頭減小了60%。如果使用一個確定的較小直徑的攪拌探頭，錐形攪拌探頭比圓柱形攪拌探頭更容易進入焊件而通過塑性材料，并且減小了攪拌頭的應(yīng)力集中和斷裂可能性。

(2)研究現(xiàn)狀
　　攪拌摩擦焊在鋁合金上的應(yīng)用越來越廣泛，研究也越來越深入。不僅涉及到各種同種材料的焊接，還研究了大范圍的異種鋁合金的焊接．鋁合金的焊接厚度范圍從lmm到75mm。對鋁臺金焊接接頭的腐蝕性能、力學性能、組織結(jié)構(gòu)都進行了大量的研究。攪拌摩擦焊廣泛應(yīng)用于6061A1/2024A1、2024A1/Ag、2024A1/Cu、6061AI/cu，甚至還適用于6061AI+20%A1203/鑄鋁合金A339+10%SiC等合金。

2002年，在中國航空工業(yè)集團-北京航空制造工程研究所與英國焊接研究所共同簽署關(guān)于攪拌摩擦焊專利技術(shù)許可、技術(shù)研發(fā)及市場開拓等領(lǐng)域的合作協(xié)議的基礎(chǔ)上，中國第一家專業(yè)化的攪拌摩擦焊技術(shù)授權(quán)公司——中國攪拌摩擦焊中心即北京賽福斯特技術(shù)有限公司成立，標志著攪拌摩擦焊技術(shù)在中國市場的研發(fā)及工程應(yīng)用工作的正式開啟。

攪拌摩擦焊作為一種多學科交匯的新方法，可以發(fā)展出縱縫焊接、環(huán)縫焊接、無匙孔焊接、變截面焊接、自支撐雙面焊接、空間3D曲線焊接、攪拌摩擦點焊、回填式點焊、攪拌摩擦焊表面改性處理、攪拌摩擦焊超塑性材料加工等多種連接加工方法和技術(shù)。

歷經(jīng)近十年的快速發(fā)展，賽福斯特公司已成功開發(fā)了60余套攪拌摩擦焊設(shè)備，將攪拌摩擦焊技術(shù)應(yīng)用于我國航空、航天、船舶、列車、汽車、電子、電力等工業(yè)領(lǐng)域中，創(chuàng)造了可觀的社會經(jīng)濟效益，為鋁、鎂、銅、鈦、鋼等金屬材料提供了完美的技術(shù)解決方法，為國內(nèi)外用戶提供了不同類型、不同用途的攪拌摩擦焊工業(yè)產(chǎn)品加工，包括：航天筒體結(jié)構(gòu)件、航空薄壁結(jié)構(gòu)件、船舶寬幅帶筋板、高速列車車體結(jié)構(gòu)、大厚度雷達面板、汽車輪轂、集裝箱型材壁板、各種結(jié)構(gòu)散熱器及熱沉器等。

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2015-0514