搅拌摩擦焊

不受轴类零件限制
不受轴类零件的限制，可进行平板的对接和搭接，可焊接 直焊缝、角焊缝及环焊缝，可进行大型框架结构及大型筒 体制造、大型平板对接等，扩大了应用范围。
无需高的操作技能和训练
搅拌摩擦焊利用自动化的机械设备进行焊接，避免了对 操作工人技术熟练程度的依赖，质量稳定，重复性高。
不需焊丝和保护气氛
焊接时无需填充材料、保护气体，焊前无需对焊件表面预处 理，焊接过程中无需施加保护措施，厚大焊件边缘不用加工 坡口，简化了焊接工序。·焊接铝合金材料不用去氧化膜，只 需去除油污即可。
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实验结果表明，搅拌摩擦焊对接接头的疲劳性能大都超过相应熔焊 接头的设计推荐值。总之，对于铝合金材料，其FSW接头的抗拉强度 均能达到母材的70％以上。接头性能的具体数值，除了与母材本身的 性能有关外，在很大程度上还取决于FSW的焊接参数。
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（三）搅拌摩擦焊接参数的选择
搅拌摩擦焊接参数主要包括焊接速度（搅拌焊头沿焊缝方向的行进 速度）、搅拌焊头转速、焊接压力、搅拌焊头结构参数（倾角θ）、搅 拌焊头插入速度和保持时间等。
1．焊接速度 图4-24为焊接速度对铝锂合金搅拌摩擦焊 接头抗拉强度的影响。由图可见，接头强度 与焊接速度的关系并非简单的线性比例关系， 而是呈曲线变化。当焊接速度小于 160mm／min时，接头强度随焊接速度的提 高而增大。从焊接热输入计算公式可知，当 转速为定值，焊接速度较低时，搅拌焊头／ 焊件界面的整体摩擦热输入较高。如果焊接 速度过高，热输入不足，热塑性材料填充搅 拌针行走所形成的空腔的能力变弱，热塑 性材料填充空腔能力不足，则焊缝内易形成 疏松孔洞缺陷，严重时焊缝表面形成一条 狭长且平行于焊接方向的隧道沟，导致接头 强度大幅度降低。
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二、搅拌摩擦焊的焊接过程及特点
（一）搅拌摩擦焊焊接过程 搅拌摩擦焊是利用摩擦热作为焊接热源的一 种固相焊接方法，但与常规摩擦焊有所不同。 在进行搅拌摩擦焊接时，首先将焊件牢牢地固 定在工作平台上，然后，搅拌焊头高速旋转并 将搅拌焊针插入焊件的接缝处，直至搅拌焊头 的肩部与焊件表面紧密接触，搅拌焊针高速旋 转与其周围母材摩擦产生的热量和搅拌焊头的 肩部与焊件表面摩擦产生的热量共同作用，使 接缝处材料温度升高且软化，同时，搅拌焊头 边旋转边沿着接缝与焊件作相对运动，搅拌焊 头前面的材料发生强烈的塑性变形。随着搅拌 焊头向前移动，前沿高度塑性变形的材料被挤 压到搅拌焊头的背后。在搅拌焊头与焊件表面 摩擦生热和锻压共同作用下，形成致密牢固的 固相焊接接头。搅拌摩擦焊接过程如动画所示。
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目前，国内外关于搅拌摩擦焊的研究及应用主要集中在铝合金、镁
合金以及纯铜等软质、易于成形的材料上，对于钛合金、不锈钢、铝 基复合材料等的研究和应用也取得了较大的进展。
喷气客机的搅拌摩擦焊
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镁合金的搅拌摩擦焊
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（三）搅拌摩擦焊的特点
优点：
焊缝质量好
焊缝是在塑性状态下受挤压完成的，属于固相焊接，因而其接头 不会产生与冶金凝固有关的一些如裂纹、夹杂、气孔以及合金元 素的烧损等熔焊缺陷和脆化现象，焊缝性能接近母材，力学性能 优异。适于焊接铝、铜、铅、钛、锌、镁等非铁金属及其合金以 及钢铁材料、复合材料等，也可用于异种材料的连接。
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优点：
焊件尺寸精度高
由于搅拌摩擦焊为固相焊接，其加热过程具有能量密度高、热 输入速度快等特点，因而焊接变形小，焊后残余应力小。在保 证焊接设备具有足够大的刚度、焊件装配定位精确以及严格控 制焊接参数的条件下，焊件的尺寸精度高。
绿色焊接方法
搅拌摩擦焊焊接过程不产生弧光辐射、烟尘和飞溅，噪声低，实现 了焊接过程的环保化。因而搅拌摩擦焊被称为“绿色焊接方法”。
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焊接压力
焊接压力除了影响搅拌摩擦生热以外，还对搅拌后的塑性金属起到压紧作 用。试验表明，当焊接压力不足时，表面热塑性金属“上浮”，溢出焊缝 表面，焊缝内部由于缺少金属填充而形成孔洞。当焊接压力过大时，轴肩 与焊件表面摩擦力增大，摩擦热将使轴肩平台发生粘附现象，使焊缝两侧 出现飞边和毛刺，焊缝中心下凹量较大，不能形成良好的焊接接头，表面 成形较差。
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（二）搅拌摩擦焊的焊接接头
1.接头的分区
根据塑性变形程度和热作用的不同， 将搅拌摩擦焊接头分为4个区域。
母材区
图中，d区为接头中无热作用也无塑性变形的母材区
热影响区（HAZ)
c区该区域的材料因受焊接热循环的影响，微观组织和力学性能 均发生了改变，但该区域材料没有产生塑性变形，其组织与母村 组织无明显的区别，只是消除了方向性很强的柱状晶结构，热影 响区的宽度比熔焊时窄很多。
• 它可以焊接所有牌号的铝合金以及用熔焊方法难以焊接的材料，并 突破了普通摩擦焊对轴类零件的限制，可进行板材的对接、搭接、角 接及全位置焊接。由于搅拌摩擦焊是固态焊接，所以没有熔化焊时的
气孔、裂纹及合金元素烧损等缺陷。搅拌摩擦焊的接头性能普遍 优于熔化焊的。
• 目前，搅拌摩擦焊技术已在飞机制造、机车车辆和船舶制造等领 域得到广泛的应用，主要用于铝及其合金、铜合金、镁合金、钛合金、 铅、锌等非铁金属材料的焊接，也可用于焊接钢铁金属。
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2.接头力学性能
焊态下，FSW焊缝焊核的强度要大于热影响区的强度。
对于退火状态的铝合金，拉伸实验时首先发生破坏的部位通常在远离 焊缝和热影响区的母材上。对于形变强化和热处理强化的铝合金，FSW 接头的不同区域发生了软化，但可以通过控制热循环，尤其是通过降低 焊缝热机影响区的退火效应和过时效的影响来改善接头的性能，也可以 通过焊后热处理的方式提高热处理强化铝合金FSW接头的性能。
缺点：
焊接时的机械力较大，需要焊接设备具有很好的刚性 与弧焊相比，缺少焊接操作的柔性 搅拌焊头的磨损相对较高 焊缝末端通常有“匙孔”存在（目前已可以实现无孔焊接）等
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三、搅拌摩擦焊工艺
（一）搅拌摩擦焊接头形式
构件形状： 圆形、板状等
接头形式： 对接、搭接、 角接及T形接头。
焊缝形式： 环形、圆形、非线性 和立体焊缝。
焊接位置： 全位置焊接。
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（二）搅拌摩擦焊的热输入与焊接参数
焊接热源主体
搅拌针与接合面间的摩擦热 轴肩与焊件材料上表面的摩擦热
搅拌针附近材料发生塑性变形和流体流动，从而导致形变生热， 这部分热量相对较小。因此，搅拌摩擦焊本质上是以摩擦热作为焊 接热源的焊接方法，所以摩擦生热是影响焊接质量的关键因素。
搅拌焊头倾角
搅拌焊头的倾角影响塑性流体的运动状态，从而对焊核的形成过程产 生影响
搅拌焊头插入速度 搅拌焊头的形状
搅拌焊头的插入速度决定搅拌摩擦焊起始阶段预热温度的高低 及能否产生足够的塑性变形和流体的流动
搅拌焊头的形状决定了搅拌摩擦焊过程的生热及焊缝金属的 塑性流动，最终影响焊缝的成形及焊缝性能。
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成形及质量均较差。
只有当n／v在一定范围内，即焊接速度与搅拌焊头的转速匹配合 理时，才能获得合适的焊接热输入，得到成形美观、性能优良的焊 缝。
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图4-23是Al-5Mg合金采用 搅拌摩擦焊接，旋转速度 n=1000 r／min时，不同n ／v比值对抗拉强度的影响。 从图中可知，随着n／v值 的增加，强度和塑性都增加， 最大抗拉强度达到310 MPa， 与母材的实测值相同，伸长 率为17％，是母材实测值 的 63％。在达到最大强度 值后，继续增加n/v的数值， 强度和塑性反而下降。
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2．搅拌焊头旋转速度 若焊接速度保持一定，即当焊接速度为定
值时，若搅拌焊头的旋转速度较低时，焊接 热输入较低，搅拌焊头前方不能形成足够的 热塑性材料填充搅拌针后方所形成的空腔， 焊缝内易形成孔洞、沟槽等缺陷，从而弱化 接头强度。随着旋转速度的增加，沟槽的宽 度减小，当旋转速度提高到一定数值时，焊 缝外观良好，内部的孔洞也逐渐消失。在适 宜的旋转速度下接头才可获得最佳强度值。
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四、搅拌摩擦焊设备
搅拌摩擦焊接工具 搅拌焊头
按设备功能结构不同 搅拌摩擦焊机
机械转动部分 行走部分 控制部分 工件夹紧机构 刚性机架
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（一）搅拌摩擦焊接工具
搅拌焊头是搅拌摩擦焊的关键和核心部件，其主要 由轴肩和搅拌针两部分构成。
搅拌焊头一般需要具有如下特性： 热强性、耐磨性、抗蠕变性、耐冲 击性、材料惰性、易加工性、良好 的摩擦效果和合理的热传导性能。
n/wenku.baidu.com降低
当转速过低或焊速过高，导致n／v降低，即焊接热输入较小，热量不足 以使焊接区金属达到热塑性状态，因而焊缝中会出现孔洞、未焊透等缺 陷，焊缝成形不良。
n/v过大
随着转速的提高或焊速的降低，n/v逐渐增加，焊接热输入趋于合理，焊 缝成形较好。当转速过高或焊速过小时，n/v则过大，单位长度焊缝上的 热输入量过高，焊接区金属过热而导致焊缝表面下凹、焊穿等缺陷，
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焊接过程中，搅拌焊头与被焊材料摩擦生热，使被焊 材料热塑化，粉碎和弥散接头表面的氧化层，使热塑化 的材料产生良好的塑性流动和转移，对焊接区金属施加 锻压力，使被焊材料在压力作用下形成固相接头。搅拌 焊头的结构设计是搅拌摩擦焊的核心技术之一，其形状 决定加热、塑性流体的形成形态；其尺寸决定焊缝尺寸、 焊接速度及工具强度；其材料决定摩擦加热速率、工具 强度、工作温度及被焊材料的种类。因此，只有当合适 的搅拌焊头和优化的焊接参数相配合，才能获得高质量 的焊缝。
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搅拌摩擦焊的热功率可表示为：
由于搅拌摩擦焊稳态焊接时，摩擦因数和焊接压力均为定值，因此可将其与 形状因子结合为新的常量系数Km，则搅拌摩擦焊热输入的大小可以用n/v表征。
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对于给定的搅拌焊头和焊接压力，其热输入主要取决于n／v。
搅拌焊头的旋转速度通过改变热输入和热
塑性材料流动来影响接头微观组织，进而影 响接头力学性能。对于高强度铝锂合金，在 焊接速度n＝160mln／min，搅拌焊头倾角 θ＝2°的条件下，搅拌焊头转速对接头强度 的影响如图4-25所示。由该图可见，当n ≤800r/min时，接头强度随着转速的提高而 增加，并于n＝ 800r/min 时达到最大值；当 n＞ 800r/min 时，接头强度随着转速的提高 而迅速降低。
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• 第一节 搅拌摩擦焊的基本原理 • 第二节 搅拌摩擦焊的焊接过程及特点 • 第三节 搅拌摩擦焊工艺 • 第四节 搅拌摩擦焊设备 • 第五节 搅拌摩擦焊的应用
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一、搅拌摩擦焊原理
搅拌摩擦焊（Frictim Stir Welding，简称FSW）-利用一种特殊形式的搅拌头边旋转边前进，通过搅拌头 与工件的摩擦产生热量，摩擦热使该部位金属处于热塑 性状态，并在搅拌头的压力作用下从其前端向后部塑性 流动，从而使待焊件压焊为一个整体。
热机影响区
b区该区域是一个过渡区域，材料已产生了一定程度的塑性变形，同 时又受到了焊接温度场的影响。
焊核区
a区为“焊核区”（WNZ），该区域位于焊缝中心靠近搅拌针插入的位置，经历了高温、 应变后，焊核的中心发生了强烈的变形。应变导致焊核区在焊接过程中发生了动态再 结晶，并导致该区出现高密度的沉淀相，从而有利于抑制焊接过程中晶粒的长大。焊 核区一般由细小的等轴再结晶组织构成。在焊接过程中，材料与搅拌针之间的相互作 用导致焊核区出现同心环（洋葱环组织）。