搅拌摩擦焊技术及应用现状..doc

搅拌摩擦焊技术及应用现状 ? 摘要 搅拌摩擦焊技术是一种新型的固态连接技术，主要用于的熔点金属和合金的焊接。较传统的连接技术具有焊接接头平整、性能优良、残余应力和变形小，焊接过程中无烟尘、飞溅，可适用于水下作业等优良特点。本文主要介绍了搅拌摩擦焊的焊接原理、工艺特点、工艺设备及应用领域，并对该项技术现阶段的研究状况和发展趋势进行了简要论述。 关键词： 搅拌摩擦焊 搅拌头 铝合金 ? ? 1 引言 搅拌摩擦焊（FSW）是英国焊接研究所（TWI）1991年发明的一种新型的固态连接技术。与传统熔化焊相比，由于摩擦焊属于固相连接，其接头不会产生与熔化有关的一些如裂纹、气孔及合金元素烧损等焊接缺陷。焊接过程中无需填充材料、保护气体，焊接前无需进行复杂的前处理工作。焊接过程中无弧光辐射、尘埃和飞溅、噪音低，因而是一种高质量、低成本的“绿色焊接方法”。该项技术自发眀以来得到了广泛的关注和深入的研究，特别是对铝合金材料，世界范围内的研究机构和学者进行了深入细致的研究和工程应用，并且在诸多工业制造领域得到了成功应用。 2?? 搅拌摩擦焊的焊接原理及特点 搅拌摩擦焊是一种利用是一种利用特殊搅拌头旋转前进，利用搅拌头和焊件之间摩擦产生的热量使材料达到塑形状态，并在搅拌头的压力作用下完成焊接的过程。搅拌摩擦焊继承了传统摩擦焊高效、节能、绿色生产的特点，同时克服了传统摩擦焊仅适用于圆截面零件的局限。搅拌摩擦焊的原[1]理如图 1：特殊形式的搅拌头旋转前进，与焊件高速摩擦产生热量使材料达到塑形状态并搅拌头压力作用下从前部向后部发生塑形流动，从而使焊件压焊为一个整体。图2 为焊接过程中搅拌头与焊件的相互作用。显然，搅拌头起着碎化、摩擦、搅拌作用。 ? ? ? 作为一种固相连接，焊接温度低（即使是长焊缝也是如此），因而可以有效改善焊接接头的力学性能。接头疲劳、弯曲、拉伸等各项机械性能良好。搅拌摩擦焊除了可以焊接传统焊接方法不能焊接的材料之外，还具有以下特点[2]： (1)无氧化、气孔等焊接缺陷。由于搅拌摩擦焊属于固相连接因而焊接时不会产生熔化焊过程中产生的缺陷。 (2)焊前焊后辅助工序少，且焊接过程中无需添加焊料和保护气体，因此生产成本大大降低。焊接过程中，搅拌头的搅拌和摩擦可以有效破碎和去除焊件表面氧化膜及附着杂质。 (3)能够进行全位置焊接。 (4)适应性好、效率高、操作简单、易于实现自动化生产。 (5)无尘埃、辐射、飞溅、噪音及弧光等公害污染，是一种环保清洁的生产方法。 (6)可进行异种材料焊接和水下作业等恶劣工作环境。 (7)搅拌摩擦焊和熔焊的组织有本质上的差异，搅拌摩擦焊的组织比熔化焊组织细小，没有结晶和析出组织，这也是搅拌摩擦焊接头组织性能较熔化焊好的原因之一。 搅拌摩擦焊目前主要存在以下缺陷： (1)????? 搅拌摩擦焊焊接速度较传统的熔化焊速度低，焊接速度也远不如激光焊。 (2)????? 焊件必须被刚性固定，且不同的焊缝所需的夹具不同，焊接设备的灵活性差。 (3)????? 需要背面垫板，由于有较大的轴向力，故背面必须有刚性垫板。在封闭的结构中，刚性垫板的取出是一个难题。 (4)????? 焊接结束后存在匙孔。“必威体育精装版的研究成果已经可以使搅拌头边焊边回抽，最终达到无匙孔”[3]。 ? ? 图 3 搅拌摩擦焊的典型焊缝 ? 3搅拌摩擦焊设备 搅拌摩擦焊技术的发展和成熟，促进搅拌摩擦焊设备的设计与制造以及在工业制造领域的生产应用。“针对不同的零部件和应用对象，世界范围内的搅拌摩擦焊技术设备制造商如：ESAB、FSWLI、GEMCOR、GCT、HITAAHI、KAWASAKI、FSL、MTS等，开发了系列化的搅拌摩擦焊专用设备，并且在航空航天，船舶、汽车等领域得到了应用”[4]。 在中国市场（包括港、奥、台），北京航空制造工程研究所于2002年4月18日与英国焊接研究所正式签署协议，并且双方决定在专利许可和全面技术合作基础上建立“中国搅拌摩擦焊技术研究中心”，这是目前中国地区唯一被授予搅拌摩擦焊设备制造许可的单位。 搅拌头是搅拌摩擦焊技术的关键，它的好坏直接决定了搅拌摩擦焊能否扩大待焊材料的种类和提高板厚范围。“最早使用的搅拌头是5651系列，主要为焊接板厚为1.2~12mm的铝合金所研制的。为了焊接板厚大于12mm的铝合金，必须改变搅拌头原有的设计”[4]。研究表明，改变搅拌头的外观形式来提高焊接板厚是更好的方法。近年来，TWI研制了两种新型搅拌头——WhorlTM和MXTriflunteTM ，两种形式的搅拌头如图3、图4所示。 这两种形式的搅拌头较5651系列有了很大的提高。其中WhorlTM 系列主要是为了焊接更厚的板6082-T6铝合金所研制的。系列可以获取更好的效果，当单面焊时，MX Triflun