搅拌摩擦焊接技术在汽车制造中的应用研究
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３．２大型挤压成型件的ＦＳＷ拼接 汽车工业中一般可接受最大直径为２００～３００ ｍｍ
的挤压成型件。随着挤压成型件尺寸的加大，以及单 位质量的成本增加、制造误差增大，直接制造大型的 挤压成型件从成本上及使用上已不能满足要求。
而ＦＳＷ技术为大型铝合金型材的制造提供了 一种可选方案。美国Ｔｏｗｅｒ汽车公司已经采用ＦＳＷ 技术将２块小型的挤压成型件拼接成汽车后桥零件 （图４）Ｈ ３Ｉ。因福特公司发现原林肯轿车上使用的后 桥零件达不到耐久性要求，后桥上层板的轴衬磨损 比较严重，为此Ｔｏｗｅｒ汽车公司提出了采用ＦＳＷ技 术将２块相同的１ ｍ长挤压成型件沿中间对接缝焊 接在一起的方法。该零件从设计到制造仅用了６个 月，且比福特公司要求的耐用性更好。
倒６米用ｆ１ＳＷ技术焊接的泡沫铝板焊缝组织
４搅拌摩擦点焊
搅拌摩擦点焊是为了弥补传统电阻点焊技术的 不足，是由Ｓａｋａｎｏ等人［１７。在ＦＳＷ技术基础上发展 起来的新型焊接技术。目前该技术主要用于汽车领 域，如日本马自达公司已将该技术用于“马自达 ＲＸ一８”型车后门框的焊接”引（图７）。
图５焊接板料中不等厚接头的ＦＳＷ捍接 Ｔｏｗｅｒ汽车公司参加了福特公司组织的采用铝 合金拼焊板料的可行性研究计划，并按要求采用 ＦＳＷ技术生产了ｌ ０００套拼焊板料白车身。
１４ Ｋａｌｌｅｅ Ｓｔｅｐｈａｎ ｅｔ ａ１．Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｓｔｉｒ Ｗｅｌｄｉｎｇ ｉｎ ｔ｝ｌｅ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｂｏｄｙ ｉｎ Ｗｈｉｔｅ Ｐｍｄｕｃｔｉｏｎ．１ ｓｔ Ｉｎｔ．Ｓｙｍ．Ｏｎ ＦＨｃｔｉｏｎ Ｓｔｉｒ Ｗｅｌｄ· ｉｎｇ，Ｔｈｏｕｓａｎｄ ０ａｋｓ，ＣＡ，１４一１６ Ｊｕｎｅ，１９９９．
Ｌ０ｎｄｏｎ．２４（５），２００１．
８ ＣｏＩｅｇｒｏｖｅ Ｐ．Ｓｔｅａｄｙ Ｓｔａｔｅ ａｎｄ ７Ｉｈｎｓｉｅｎｔ Ｔｈｅ珊ａｌ ＭｏｄｅＩｉｎｇ ｏｆ ７Ｉｈｉｃｋ Ｓｅｃｔｉｏｎ Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｓｔｉｒ Ｗｅｌｄｅｄ Ａ１ｕｍｉｎｉｕｍ ａｌｌｏｙｓ．Ａｕｓｔｒａｌ－ ｉａ，２０００（１１）
目前，ＦＳＷ技术在汽车制造业中的应用主要包 括两个方面：一是直接用于某些汽车零件的制造，如 铝合金车轮、铝合金挤压型材、拼焊板料、泡沫铝材 底盘零件等；二是将搅拌摩擦焊接的延伸技术用于 汽车零件的制造，如搅拌摩擦点焊用于汽车车门的 焊接等。
一２ 万６方一数据
图３米用ｆ’ＳＷ技术制造的车轮 澳大利亚的西蒙斯公司利用ＦＳＷ技术发明了一 种制造轧制的６０６１—０车轮辐条的新技术１１］：首先 制造一个预成型圆柱件，把它切成单个辐条形式，然 后采用ＦＳＷ技术焊成所需要的辐条形状，最后按 Ｔ６状态对其进行热处理。 为了制造轻合金车轮辐条，密歇根的Ｈａｙｅｓ Ｌｅｍｍｅｒｚ认为，在采用ＦＳＷ技术焊接前，应将焊缝 根部区域的端面设计为斜面，以获得完全穿透的焊 缝。１２］。另外，平面端部也可以做成一些特殊的形状， 以利于ＦＳＷ焊接中轴肩与工件接触。ＦＳＷ焊接后， 可以对这些轻合金车轮辐条做一些旋转和轧制操 作，以获得等厚度的辐条。
参考 文献 １ Ｊｏｈｎｎｙ Ｋ Ｉ．ａｒｓｓｏｎ．Ｗｅｌｄｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ Ｗｏｄｄ，４６（１／２），２００２． ２ 陈剑虹．汽车连接新工艺——５４届国际焊接学会年会综
述（１）．焊接，２００２（３） ３ Ｅ．Ｄａｖｅ ｅｔ ａ１．ＩＩＷ Ａｓｉａｎ Ｐａｃｍｃ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｇｒｅｓｓ．Ｓｙｄｎｅｙ，
汽车技术
·材料·工艺·设备·
图４ 米用ｆ’ＳＷ技术焊接的汽车后桥零件
３．３ 拼焊板料（Ｔａｎｏｒｅｄ Ｂｌａｎｌ【ｓ）的ＦＳＷ连接 拼焊板料首先是由一些比较小的平板连接而
成，然后加工成需要的形状。采用拼焊板料主要是为 了满足提高汽车车身局部的强度、减轻整车质量的 要求‘１圳。
由于铝合金拼焊板料既满足强度要求又不增加 整车质量，被汽车设计者广泛采用。由于拼焊板料采 取的是局部加厚方式，所以拼焊板料的焊接存在着 接头不等厚的问题。为了使焊后接头区域不存在尖 锐过渡区，所以采用搅拌摩擦焊焊接此种接头时，应 使搅拌头在垂直于焊接方向倾斜一定的角度，以适 应接头两侧的厚度差，如图５所示。
３…铝…合。金。汽２车…零～件”的一搅”拌１摩＿…擦…焊一接
３．１汽车车轮的搅拌摩擦焊制造 挪威发明了一种采用ＦＳＷ技术制造汽车车轮
的新技术（图３），并被Ｈｙｄｒｏ公司成功用于圆形零 件的制造一＇１０］。为将铸造或锻造的轮毂与锻铝制造的 辐条焊接起来，该公司设计了对接接头和搭接接头 两种接头形式，每个轮子含有２条平行的搅拌摩擦 焊焊缝，并将轮毂设计为分支形式，以获得良好的载 荷传递性能并减轻质量。
ｏｄｕｃｉｎｇ ｓ锄ｅ．Ｉｎｔ Ｐａｔｅｎｔ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｗｏ ９９／３３５９４．
１３ Ｃｈｒｉｓｔｏｐｈｅｒ Ｂ．Ｓｍｉｔｈ ｅｔ ａ１．Ａｌｕｍｉｎｕｍ ２００ｌ—ＰＩＤｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ＴＭＳ ２００１，Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ蚰ｄ Ｊｏｉｎｉｎｇ Ｓｅｓｓｉｏｎｓ． ＴＭＳ．２００１．
３．４泡沫铝材的ＦＳＷ焊接 泡沫铝材具有密度低（约为铝材的１０％）、强度
高、减振性能好以及耐高温等优点，是未来汽车等交 通运输工具良好的材料。德国卡曼汽车公司采用三 明治夹层结构泡沫铝材制造普通级轿车的顶板盖， 其强度比原来的钢质构件提高７倍左右，而质量却 减轻了２５％。
采用熔化焊连接泡沫铝板时容易发生发泡剂烧 失现象，使焊缝区失去泡沫板的性能。德国研究者利 用ＦＳＷ技术焊接２块尚未发泡的ＡｅＳｉ７前驱体板， 其焊缝组织没有发现缺陷，发泡结构明显（图６）。１ ５Ｉ。 这说明采用搅拌摩擦焊技术焊接泡沫铝板，发泡剂 没有烧损，从而保持了泡沫铝板的功能。
虽然ＦＳＷ技术具有无电弧、无飞溅、无烟尘、无 辐射、无需添加焊丝和保护气以及变形小等优点，但 在搅拌摩擦焊接过程中需要较大的焊接锻压力以形 成锻压组织。为此，一方面要求设备具备足够的刚性 或比较完善的控制系统，另一方面对零件的装夹精 度（如装配间隙等）要求也比较高。因此，若采用 ＦＳＷ技术，首先要根据上述特点对零件的原有结构 设计进行必要的改进。
１７ Ｎａｉｙｉ Ｌｉ ｅｔ ａ１．Ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｓｔｉｒ Ｗｅｌｄｉｎｇ ｏｆ Ｍａｇｎｅｓｉｕｍ ＡＭ６０ ＡＵ－ ｏｙ．Ｍａｇｎｅｓｉｕｍ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．ＴＭＳ（Ｔｈｅ Ｍｉｎｅｒａｌｓ，Ｍｅｔａｌｓ＆Ｍａ— ｔｅｒｉａｌｓ Ｓｏｃｉｅｔｙ），２００４．
１ ８ Ｒｏｓｓ Ｈａｎｃｏｃｋ．Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｗｅｌｄｉｎｇ ｏｆ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｃｕｔｓ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｓｔｓ ｂｙ ９９％．Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｊｏｕｍａｌ，Ｆｅｂ．，２００４：４０
一２８— 万方数据
９ Ａａｓｅｎ Ｅ Ｊ ｅｔ ａ１．Ｔｗｏ—Ｐｉｅｃｅ Ｗｈｅｅｌ．Ｉｎｔ Ｐａｔｅｎｔ Ａｐｐｌ Ｎｏ ＰＣＴ／ Ｎ０９６／００２５４．
，
１０ Ｍｉｄｌｉｎｇ ０ Ｔ．蹦ｃｔｉｏｎ Ｓｔｉｒ Ｗｅｌｄｉｎｇ＿ａ Ｖａｌｕａｂｌｅ Ｐｍｃｅｓｓｉｎｇ Ｒｏ— ｕｔｅ．Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ’９７ Ｃｏｎｆ’Ｓｅｐｔ １９９７，Ｅｓｓｅｎ，Ｇｅ珊ａｎｙ．
１５ 陈剑虹．汽车连接新工艺——５４届国际焊接学会年会综 述（１）．焊接，２００２（４）
ｌ ６ Ｋａｌｌｅｅ Ｓ Ｗ ｅｔ ａ１．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｓｔｉｒ Ｗｅｌｄｉｎｇ ｔｏ Ａｕｔ· ｏｍｏｔｉｖｅ Ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ Ｓｔｍｃｔｕｒｅｓ．ＩＢＥＣ’９８，Ｄｅｔｍｉｔ，Ｍｉｃｈｉｇａｎ，２９ Ｓｅｐｔ一１ ０ｃｔ １９９８，ＳＡＥ Ｐ一３３４，Ｖｏｌ ５，ｐｐｌ９１一１９８．
对接
搭接
不等厚连接
Ｔ型连接
气Ｐ
角接
匹墨子
［圈 两面焊接
搭角连接
图２典型的搅拌摩擦焊接头形式
表１ ６０８２一Ｔ４铝合金材料搅拌摩擦焊接头力学性能
状态、＼～ 、～～～性能指标 盯０２／ＭＰ８ 盯ｌ／ＭＰａ
６。／％
母材
１４９
２６０
２２．９
ＦＳＷ焊接
１３８
２４４
１８．８
ＦＳＷ焊接＋时效处理
２８５
３１０
９．９
一２７—
·材料·工艺·设备· 身中的薄壁连接件，搅拌摩擦点焊完全可以作为传 统点焊的替插入
（ｂ）连接
’（ｃ）拔出
图８搅拌摩擦点焊焊接过程
图９搅拌摩擦点焊设备及夹具
５ ＦＳＷ技术在中国的发展
目前国内的汽车工业生产采用的多是国外已经 成熟运用的设计和技术，对于产生刚１０多年、工业 化应用才刚刚开始的ＦＳＷ技术的应用尚属空白。但 是无论从汽车性能还是燃油消耗方面考虑，轻量化 是汽车工业发展的必然趋势，而铝合金、镁合金是汽 车轻量化发展中主要采用的两种替代性材料，鉴于 ＦＳＷ技术在焊接铝合金、镁合金及其它新型材料方 面的比较优势，其必将成为国内汽车工业中最主要 的制造手段之一。
１９ Ｍａｚｄａ Ｄｅｖｅｌｏｐｓ Ｗｏｒｌｄ’ｓ Ｆｉｒｓｔ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｊｏｉｎｉｎｇ ７ｒｅｃｈｎｏｌｏ— ｇｙ Ｕｓｉｎｇ Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｈｅａｔ．ｈｔｔｐ：／／、、刑ｗ．ｍａｚｄａ．ｃｏｎ∥ｍｎＬ／２００３０４ ／ｍａｓａｔｓｕ．ｈｔｍｌ
２０００．
４栾国红等．革命性的宇航结构件焊接新技术——搅拌摩擦 焊．航空制造技术，２００２（１２）
５ Ｔｈｏｍａｓ Ｗ．Ｍ ｅｔ ａ１．Ｍａｔｅｒｉａｌｓ＆Ｄｅｓｉｇｎ，１８（４／６），１９９７． ６栾国红等．飞机制造工业中的搅拌摩擦焊研究．航空制造
技术，２００２（１０） ７ Ｓｔｅｐｈａｎ Ｗ Ｋａｌｌｅｅ．Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ Ｎｅｗ Ｒａｉｌ Ｂｕｓｉｎｅｓｓ．ＩＭｅｃｈＥ，
万方数据
·材料·工艺·设备·
璧篓譬皇攀蓼羔紫竺篓皇后鎏纂鍪二。耋烹篓裴篓皇
的作用下受到挤压和锻造，最终得到精细的锻造组 织接头。整个焊接过程中，由于被焊接金属材料没有 经过“熔化一凝固”过程，所以得到的是优异的固相 连接接头。
搅拌摩擦焊缝组织中不存在热裂纹、液化裂纹、 氢气孑Ｌ等在熔化焊接工艺中经常存在的焊接缺陷； 其焊接接头可以采用对接、搭接或丁字接头等多种 形式（图２）；接头强度可以达到或接近母材强度，尤 其是对于２０００系列、６０００系列铝合金，通过焊后时 效处理可以大大提高接头强度。表１为６０８２一Ｔ４铝 合金材料搅拌摩擦焊接头力学性能口’８］。从表１可以 看出，未经过时效处理的搅拌摩擦焊接头已经接近 母材强度；时效处理后，接头强度大大提高，并远远 超过母材强度。
针对汽车工业中的轻量化趋势，ＦＳＷ搅拌摩擦 焊接技术不仅在铝合金零件的焊接领域具有广阔的 应用前景，而且在镁合金零件的制造中也有玳大的
２００５年第２期
万方数据
剧７米用搅拌摩擦点焊焊接的汽车车门 采用传统点焊方法需要消耗大量的电能｝１ ９Ｉ，而采 用搅拌摩擦点焊后，相关能源消耗降低了９９％。 搅拌摩擦点焊焊接过程如图８所示。与ＦＳＷ技 术的区别在于，搅拌摩擦点焊没有沿焊缝纵向的移 动，并且在点焊过程中搅拌头无（焊接方向）倾角。搅 拌摩擦点焊综合了传统点焊过程及ＦＳＷ技术的热 源产生方式，在摩擦热及塑性变形能的作用下，形成 了牢固连接的点接头。在搅拌摩擦点焊过程中，工件 同样需要牢固夹持，但是由于搅拌摩擦点焊过程中 没有纵向移动，所以通常采用局部支撑，即仅支撑点 焊接头的局部即可，如图９所示。 由于搅拌摩擦点焊在焊接过程中需要施加相应 的锻压力以利于接头的牢固接合，所以采用搅拌摩 擦点焊连接的截面厚度受到限制。但是对于汽车车
开发潜力。美国０ａｋ Ｒｉｄｇｅ国家实验室正在为福特 汽车公司研究镁合金零件的搅拌摩擦焊接”６。，尤其 是２００５ Ｆｏｒｄ ＧＴ型跑车中镁合金零件的搅拌摩擦 焊接，并重点研究了ＡＭ６０Ｂ镁合金搅拌摩擦焊接 头的性能。研究表明，ＡＭ６０Ｂ镁合金搅拌摩擦焊接 头可以达到与母材等强度，且延伸率远高于母材。
１ １ Ｓｉｍｍｏｎｓ Ａ Ｇ（Ｓｉｍｍｏｎｓ）“Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｗｈｅｅｌ Ｒｉｍ Ｓｅｃｔｉｏｎ”．Ｉｎｔ． ｅｍａｔｉｏｎａｌ Ｐ毗ｅｎｔ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｗ０ ００／０３８ ｌ８．
１２ Ｌ｛１ｗＴｅｎｃｅ Ｇ（Ｈａｖｅｓ Ｌｅｍｍｅ疆）．Ｗｈｅｅｌ五ｍ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒＰｒ．
的挤压成型件。随着挤压成型件尺寸的加大，以及单 位质量的成本增加、制造误差增大，直接制造大型的 挤压成型件从成本上及使用上已不能满足要求。
而ＦＳＷ技术为大型铝合金型材的制造提供了 一种可选方案。美国Ｔｏｗｅｒ汽车公司已经采用ＦＳＷ 技术将２块小型的挤压成型件拼接成汽车后桥零件 （图４）Ｈ ３Ｉ。因福特公司发现原林肯轿车上使用的后 桥零件达不到耐久性要求，后桥上层板的轴衬磨损 比较严重，为此Ｔｏｗｅｒ汽车公司提出了采用ＦＳＷ技 术将２块相同的１ ｍ长挤压成型件沿中间对接缝焊 接在一起的方法。该零件从设计到制造仅用了６个 月，且比福特公司要求的耐用性更好。
倒６米用ｆ１ＳＷ技术焊接的泡沫铝板焊缝组织
４搅拌摩擦点焊
搅拌摩擦点焊是为了弥补传统电阻点焊技术的 不足，是由Ｓａｋａｎｏ等人［１７。在ＦＳＷ技术基础上发展 起来的新型焊接技术。目前该技术主要用于汽车领 域，如日本马自达公司已将该技术用于“马自达 ＲＸ一８”型车后门框的焊接”引（图７）。
图５焊接板料中不等厚接头的ＦＳＷ捍接 Ｔｏｗｅｒ汽车公司参加了福特公司组织的采用铝 合金拼焊板料的可行性研究计划，并按要求采用 ＦＳＷ技术生产了ｌ ０００套拼焊板料白车身。
１４ Ｋａｌｌｅｅ Ｓｔｅｐｈａｎ ｅｔ ａ１．Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｓｔｉｒ Ｗｅｌｄｉｎｇ ｉｎ ｔ｝ｌｅ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｂｏｄｙ ｉｎ Ｗｈｉｔｅ Ｐｍｄｕｃｔｉｏｎ．１ ｓｔ Ｉｎｔ．Ｓｙｍ．Ｏｎ ＦＨｃｔｉｏｎ Ｓｔｉｒ Ｗｅｌｄ· ｉｎｇ，Ｔｈｏｕｓａｎｄ ０ａｋｓ，ＣＡ，１４一１６ Ｊｕｎｅ，１９９９．
Ｌ０ｎｄｏｎ．２４（５），２００１．
８ ＣｏＩｅｇｒｏｖｅ Ｐ．Ｓｔｅａｄｙ Ｓｔａｔｅ ａｎｄ ７Ｉｈｎｓｉｅｎｔ Ｔｈｅ珊ａｌ ＭｏｄｅＩｉｎｇ ｏｆ ７Ｉｈｉｃｋ Ｓｅｃｔｉｏｎ Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｓｔｉｒ Ｗｅｌｄｅｄ Ａ１ｕｍｉｎｉｕｍ ａｌｌｏｙｓ．Ａｕｓｔｒａｌ－ ｉａ，２０００（１１）
目前，ＦＳＷ技术在汽车制造业中的应用主要包 括两个方面：一是直接用于某些汽车零件的制造，如 铝合金车轮、铝合金挤压型材、拼焊板料、泡沫铝材 底盘零件等；二是将搅拌摩擦焊接的延伸技术用于 汽车零件的制造，如搅拌摩擦点焊用于汽车车门的 焊接等。
一２ 万６方一数据
图３米用ｆ’ＳＷ技术制造的车轮 澳大利亚的西蒙斯公司利用ＦＳＷ技术发明了一 种制造轧制的６０６１—０车轮辐条的新技术１１］：首先 制造一个预成型圆柱件，把它切成单个辐条形式，然 后采用ＦＳＷ技术焊成所需要的辐条形状，最后按 Ｔ６状态对其进行热处理。 为了制造轻合金车轮辐条，密歇根的Ｈａｙｅｓ Ｌｅｍｍｅｒｚ认为，在采用ＦＳＷ技术焊接前，应将焊缝 根部区域的端面设计为斜面，以获得完全穿透的焊 缝。１２］。另外，平面端部也可以做成一些特殊的形状， 以利于ＦＳＷ焊接中轴肩与工件接触。ＦＳＷ焊接后， 可以对这些轻合金车轮辐条做一些旋转和轧制操 作，以获得等厚度的辐条。
参考 文献 １ Ｊｏｈｎｎｙ Ｋ Ｉ．ａｒｓｓｏｎ．Ｗｅｌｄｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ Ｗｏｄｄ，４６（１／２），２００２． ２ 陈剑虹．汽车连接新工艺——５４届国际焊接学会年会综
述（１）．焊接，２００２（３） ３ Ｅ．Ｄａｖｅ ｅｔ ａ１．ＩＩＷ Ａｓｉａｎ Ｐａｃｍｃ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｇｒｅｓｓ．Ｓｙｄｎｅｙ，
汽车技术
·材料·工艺·设备·
图４ 米用ｆ’ＳＷ技术焊接的汽车后桥零件
３．３ 拼焊板料（Ｔａｎｏｒｅｄ Ｂｌａｎｌ【ｓ）的ＦＳＷ连接 拼焊板料首先是由一些比较小的平板连接而
成，然后加工成需要的形状。采用拼焊板料主要是为 了满足提高汽车车身局部的强度、减轻整车质量的 要求‘１圳。
由于铝合金拼焊板料既满足强度要求又不增加 整车质量，被汽车设计者广泛采用。由于拼焊板料采 取的是局部加厚方式，所以拼焊板料的焊接存在着 接头不等厚的问题。为了使焊后接头区域不存在尖 锐过渡区，所以采用搅拌摩擦焊焊接此种接头时，应 使搅拌头在垂直于焊接方向倾斜一定的角度，以适 应接头两侧的厚度差，如图５所示。
３…铝…合。金。汽２车…零～件”的一搅”拌１摩＿…擦…焊一接
３．１汽车车轮的搅拌摩擦焊制造 挪威发明了一种采用ＦＳＷ技术制造汽车车轮
的新技术（图３），并被Ｈｙｄｒｏ公司成功用于圆形零 件的制造一＇１０］。为将铸造或锻造的轮毂与锻铝制造的 辐条焊接起来，该公司设计了对接接头和搭接接头 两种接头形式，每个轮子含有２条平行的搅拌摩擦 焊焊缝，并将轮毂设计为分支形式，以获得良好的载 荷传递性能并减轻质量。
ｏｄｕｃｉｎｇ ｓ锄ｅ．Ｉｎｔ Ｐａｔｅｎｔ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｗｏ ９９／３３５９４．
１３ Ｃｈｒｉｓｔｏｐｈｅｒ Ｂ．Ｓｍｉｔｈ ｅｔ ａ１．Ａｌｕｍｉｎｕｍ ２００ｌ—ＰＩＤｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ＴＭＳ ２００１，Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ蚰ｄ Ｊｏｉｎｉｎｇ Ｓｅｓｓｉｏｎｓ． ＴＭＳ．２００１．
３．４泡沫铝材的ＦＳＷ焊接 泡沫铝材具有密度低（约为铝材的１０％）、强度
高、减振性能好以及耐高温等优点，是未来汽车等交 通运输工具良好的材料。德国卡曼汽车公司采用三 明治夹层结构泡沫铝材制造普通级轿车的顶板盖， 其强度比原来的钢质构件提高７倍左右，而质量却 减轻了２５％。
采用熔化焊连接泡沫铝板时容易发生发泡剂烧 失现象，使焊缝区失去泡沫板的性能。德国研究者利 用ＦＳＷ技术焊接２块尚未发泡的ＡｅＳｉ７前驱体板， 其焊缝组织没有发现缺陷，发泡结构明显（图６）。１ ５Ｉ。 这说明采用搅拌摩擦焊技术焊接泡沫铝板，发泡剂 没有烧损，从而保持了泡沫铝板的功能。
虽然ＦＳＷ技术具有无电弧、无飞溅、无烟尘、无 辐射、无需添加焊丝和保护气以及变形小等优点，但 在搅拌摩擦焊接过程中需要较大的焊接锻压力以形 成锻压组织。为此，一方面要求设备具备足够的刚性 或比较完善的控制系统，另一方面对零件的装夹精 度（如装配间隙等）要求也比较高。因此，若采用 ＦＳＷ技术，首先要根据上述特点对零件的原有结构 设计进行必要的改进。
１７ Ｎａｉｙｉ Ｌｉ ｅｔ ａ１．Ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｓｔｉｒ Ｗｅｌｄｉｎｇ ｏｆ Ｍａｇｎｅｓｉｕｍ ＡＭ６０ ＡＵ－ ｏｙ．Ｍａｇｎｅｓｉｕｍ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．ＴＭＳ（Ｔｈｅ Ｍｉｎｅｒａｌｓ，Ｍｅｔａｌｓ＆Ｍａ— ｔｅｒｉａｌｓ Ｓｏｃｉｅｔｙ），２００４．
１ ８ Ｒｏｓｓ Ｈａｎｃｏｃｋ．Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｗｅｌｄｉｎｇ ｏｆ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｃｕｔｓ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｓｔｓ ｂｙ ９９％．Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｊｏｕｍａｌ，Ｆｅｂ．，２００４：４０
一２８— 万方数据
９ Ａａｓｅｎ Ｅ Ｊ ｅｔ ａ１．Ｔｗｏ—Ｐｉｅｃｅ Ｗｈｅｅｌ．Ｉｎｔ Ｐａｔｅｎｔ Ａｐｐｌ Ｎｏ ＰＣＴ／ Ｎ０９６／００２５４．
，
１０ Ｍｉｄｌｉｎｇ ０ Ｔ．蹦ｃｔｉｏｎ Ｓｔｉｒ Ｗｅｌｄｉｎｇ＿ａ Ｖａｌｕａｂｌｅ Ｐｍｃｅｓｓｉｎｇ Ｒｏ— ｕｔｅ．Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ’９７ Ｃｏｎｆ’Ｓｅｐｔ １９９７，Ｅｓｓｅｎ，Ｇｅ珊ａｎｙ．
１５ 陈剑虹．汽车连接新工艺——５４届国际焊接学会年会综 述（１）．焊接，２００２（４）
ｌ ６ Ｋａｌｌｅｅ Ｓ Ｗ ｅｔ ａ１．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｓｔｉｒ Ｗｅｌｄｉｎｇ ｔｏ Ａｕｔ· ｏｍｏｔｉｖｅ Ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ Ｓｔｍｃｔｕｒｅｓ．ＩＢＥＣ’９８，Ｄｅｔｍｉｔ，Ｍｉｃｈｉｇａｎ，２９ Ｓｅｐｔ一１ ０ｃｔ １９９８，ＳＡＥ Ｐ一３３４，Ｖｏｌ ５，ｐｐｌ９１一１９８．
对接
搭接
不等厚连接
Ｔ型连接
气Ｐ
角接
匹墨子
［圈 两面焊接
搭角连接
图２典型的搅拌摩擦焊接头形式
表１ ６０８２一Ｔ４铝合金材料搅拌摩擦焊接头力学性能
状态、＼～ 、～～～性能指标 盯０２／ＭＰ８ 盯ｌ／ＭＰａ
６。／％
母材
１４９
２６０
２２．９
ＦＳＷ焊接
１３８
２４４
１８．８
ＦＳＷ焊接＋时效处理
２８５
３１０
９．９
一２７—
·材料·工艺·设备· 身中的薄壁连接件，搅拌摩擦点焊完全可以作为传 统点焊的替插入
（ｂ）连接
’（ｃ）拔出
图８搅拌摩擦点焊焊接过程
图９搅拌摩擦点焊设备及夹具
５ ＦＳＷ技术在中国的发展
目前国内的汽车工业生产采用的多是国外已经 成熟运用的设计和技术，对于产生刚１０多年、工业 化应用才刚刚开始的ＦＳＷ技术的应用尚属空白。但 是无论从汽车性能还是燃油消耗方面考虑，轻量化 是汽车工业发展的必然趋势，而铝合金、镁合金是汽 车轻量化发展中主要采用的两种替代性材料，鉴于 ＦＳＷ技术在焊接铝合金、镁合金及其它新型材料方 面的比较优势，其必将成为国内汽车工业中最主要 的制造手段之一。
１９ Ｍａｚｄａ Ｄｅｖｅｌｏｐｓ Ｗｏｒｌｄ’ｓ Ｆｉｒｓｔ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｊｏｉｎｉｎｇ ７ｒｅｃｈｎｏｌｏ— ｇｙ Ｕｓｉｎｇ Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｈｅａｔ．ｈｔｔｐ：／／、、刑ｗ．ｍａｚｄａ．ｃｏｎ∥ｍｎＬ／２００３０４ ／ｍａｓａｔｓｕ．ｈｔｍｌ
２０００．
４栾国红等．革命性的宇航结构件焊接新技术——搅拌摩擦 焊．航空制造技术，２００２（１２）
５ Ｔｈｏｍａｓ Ｗ．Ｍ ｅｔ ａ１．Ｍａｔｅｒｉａｌｓ＆Ｄｅｓｉｇｎ，１８（４／６），１９９７． ６栾国红等．飞机制造工业中的搅拌摩擦焊研究．航空制造
技术，２００２（１０） ７ Ｓｔｅｐｈａｎ Ｗ Ｋａｌｌｅｅ．Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ Ｎｅｗ Ｒａｉｌ Ｂｕｓｉｎｅｓｓ．ＩＭｅｃｈＥ，
万方数据
·材料·工艺·设备·
璧篓譬皇攀蓼羔紫竺篓皇后鎏纂鍪二。耋烹篓裴篓皇
的作用下受到挤压和锻造，最终得到精细的锻造组 织接头。整个焊接过程中，由于被焊接金属材料没有 经过“熔化一凝固”过程，所以得到的是优异的固相 连接接头。
搅拌摩擦焊缝组织中不存在热裂纹、液化裂纹、 氢气孑Ｌ等在熔化焊接工艺中经常存在的焊接缺陷； 其焊接接头可以采用对接、搭接或丁字接头等多种 形式（图２）；接头强度可以达到或接近母材强度，尤 其是对于２０００系列、６０００系列铝合金，通过焊后时 效处理可以大大提高接头强度。表１为６０８２一Ｔ４铝 合金材料搅拌摩擦焊接头力学性能口’８］。从表１可以 看出，未经过时效处理的搅拌摩擦焊接头已经接近 母材强度；时效处理后，接头强度大大提高，并远远 超过母材强度。
针对汽车工业中的轻量化趋势，ＦＳＷ搅拌摩擦 焊接技术不仅在铝合金零件的焊接领域具有广阔的 应用前景，而且在镁合金零件的制造中也有玳大的
２００５年第２期
万方数据
剧７米用搅拌摩擦点焊焊接的汽车车门 采用传统点焊方法需要消耗大量的电能｝１ ９Ｉ，而采 用搅拌摩擦点焊后，相关能源消耗降低了９９％。 搅拌摩擦点焊焊接过程如图８所示。与ＦＳＷ技 术的区别在于，搅拌摩擦点焊没有沿焊缝纵向的移 动，并且在点焊过程中搅拌头无（焊接方向）倾角。搅 拌摩擦点焊综合了传统点焊过程及ＦＳＷ技术的热 源产生方式，在摩擦热及塑性变形能的作用下，形成 了牢固连接的点接头。在搅拌摩擦点焊过程中，工件 同样需要牢固夹持，但是由于搅拌摩擦点焊过程中 没有纵向移动，所以通常采用局部支撑，即仅支撑点 焊接头的局部即可，如图９所示。 由于搅拌摩擦点焊在焊接过程中需要施加相应 的锻压力以利于接头的牢固接合，所以采用搅拌摩 擦点焊连接的截面厚度受到限制。但是对于汽车车
开发潜力。美国０ａｋ Ｒｉｄｇｅ国家实验室正在为福特 汽车公司研究镁合金零件的搅拌摩擦焊接”６。，尤其 是２００５ Ｆｏｒｄ ＧＴ型跑车中镁合金零件的搅拌摩擦 焊接，并重点研究了ＡＭ６０Ｂ镁合金搅拌摩擦焊接 头的性能。研究表明，ＡＭ６０Ｂ镁合金搅拌摩擦焊接 头可以达到与母材等强度，且延伸率远高于母材。
１ １ Ｓｉｍｍｏｎｓ Ａ Ｇ（Ｓｉｍｍｏｎｓ）“Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｗｈｅｅｌ Ｒｉｍ Ｓｅｃｔｉｏｎ”．Ｉｎｔ． ｅｍａｔｉｏｎａｌ Ｐ毗ｅｎｔ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｗ０ ００／０３８ ｌ８．
１２ Ｌ｛１ｗＴｅｎｃｅ Ｇ（Ｈａｖｅｓ Ｌｅｍｍｅ疆）．Ｗｈｅｅｌ五ｍ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒＰｒ．