搅拌摩擦焊接

浅析搅拌摩擦焊及其应用

摘要：搅拌摩擦焊接技术自 1991 年发明以来，经过短短十几年的发展，在航空、航天、船舶、核工业、交通运输及汽车制造等领域获得了广泛应用，是制造领域的一项革命性成果，也是目前最引人注目和最具开发潜力的焊接技术之一。文章就搅拌摩擦焊接技术的原理和应用以及特点进行了简单的介绍。

关键词：搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊的应用搅拌摩擦焊的发展。

英国焊接研究所（TWI）于 1991 年发明了一种新颖而有潜力的焊接方法——搅拌摩擦焊接（Friction Stir Welding ,简称 FSW）,搅拌摩擦焊接与传统的摩擦焊接一样，也是一中固相连接技术。但是搅拌摩擦焊接具有接头质量高、焊接变形小和焊接过程绿色、无污染等优点，是铝、镁等合金优选的焊接方法，搅拌摩擦焊接技术自发明以来，已经在航空、航天、铁道车辆、造船和汽车等制造领域显示出强劲的创新活力和广阔的应用前景并得到了广泛的工程应用。目前已有超过170家组织从英国焊接研究所获得了该工艺的非独家使用许可，大部分的使用许可持有者是工业企业，他们在欧洲各国、日本、美国和中国等国家从事搅拌摩擦焊接工艺的生产和发展。

1搅拌摩擦焊接原理

搅拌摩擦焊接是高速旋转的搅拌头扎入工件后沿焊接方向运动，在搅拌头扎入工件后沿焊接方向运动，在搅拌头与工件的接触部位产生摩擦热，使其周围金属形成塑性软化层，软化层金属在搅拌头旋转的作用下填充搅拌针后方形成的空腔，并在搅拌头轴肩与搅拌针的搅拌及挤压作用下实现材料连接的固相焊接方法。

2 搅拌摩擦焊接特点

由于搅拌摩擦焊接过程中产生的热量不能达到金属的熔点而只能使被焊金属达到塑性状态，因此它可以用来焊接一些熔焊方法难以焊接的金属材料，如铝、镁等合金。相对于传统的普通熔焊，搅拌摩擦焊具有以下优点：

1）接头性能良好。这主要是因为它是一种固相连接。

2）焊前无需开坡口进而减少工时。

3）耗材少。焊接过程中无需填丝，不需要保护气，节省能源。

4）焊接过程绿色环保。焊接过程无烟、无光、无飞溅、工人工作环境好。

5）自动化程度高。

6）焊接热输入小，从而导致焊接变形小、接头残余应力小。

随着研究的深入和发展，搅拌摩擦焊接技术的缺点正逐渐得到改善，但目前仍存在不足之处如：

1）设备刚性和精度要求高，企业对设备的一次性投入大。

2）相对于熔焊来说，搅拌摩擦焊接的焊接速度不是很高。

3）对焊接装配要求较高，对接面间隙尤为突出。

3 搅拌摩擦焊接技术的应用

搅拌摩擦焊发明初期主要解决厚度 1.2～6毫米的铝合金板材焊接问题；

1996年，用FSW技术解决了6～12毫米的铝、镁、铜合金的连接。1997年实现了12～25毫米厚铝合金板的搅拌摩擦焊，并且在宇航结构件上得到应用。1999年搅拌摩擦焊可以焊接50毫米厚的铜合金及75毫米厚度的铝合金零件和产品。2004年，英国焊接研究所已经能够单道单面实现100毫米厚铝合金板材的搅拌摩擦焊。迄今，在材料的厚度上，单道焊可以实现厚度为0.8～100mm铝合金材料的焊接；双道焊可以焊接180mm厚的对接板材。最近,又开发了可以连接0.4mm 铝板的微型搅拌摩擦焊技术。

1）搅拌摩擦焊接技术在飞机制造业的应用

搅拌摩擦焊接技术在飞机制造业具有广阔的应用前景，但是目前在飞机制造领域的开发和应用还处于验证阶段，主要是利用搅拌摩擦焊接技术完成飞机蒙皮与衍梁、筋条和加强件之间的连接，实现框架之间的连接、飞机预成型件的安装、飞机壁板和地板的焊接及飞机结构件和蒙皮的在役维修等。部分军用和民用飞机制造时采用了搅拌摩擦焊接技术，并已取得了飞行验证。

搅拌摩擦焊接技术成功应用于飞机制造的一个典范是美国Eclipse商务飞机的制造。、该型号商务飞机的制造公司斥资3亿美元用于搅拌摩擦焊接技术在飞机制造方面的应用眼界，第一架采用搅拌摩擦焊接技术建造的商用喷气客机（Eclipse 500）于2002 年8 月在美国进行了首飞。飞机的机身蒙皮、翼肋、弦状支撑、飞机地板及构建的装配等铆接工序均采用了搅拌摩擦焊接技术，提高了焊接效率，减轻了机身质量，节约了制造成本。通过这次成功的首飞从而使人们对搅拌摩擦焊接技术在飞机机翼设计和制造方面应用的有效性和优越性得到了充分的认识。

2）搅拌摩擦焊接技术在汽车工业中的应用

为了提高运载能力和速度，汽车制造呈现出材料多样化、轻量化、高强度化的发展趋势，铝合金、镁合金等轻质合金材料所占的比重越来越大，相应的结构以及接头形式都在设法改进。搅拌摩擦焊接技术的发明恰好满足了这种新材料、新结构对新型连接技术的要求。挪威 Hydro 公司采用搅拌摩擦焊接技术制造汽车轮毂，将铸造或锻造的中心零件与锻造铝制造的辐条连接起来，以获得良好载荷传递性能并减轻重量。

目前搅拌摩擦焊在汽车制造工业中的主要应用为：发动机引擎和汽车地盘车身支架；汽车轮毂；液压成型管附件；汽车车门预成型件；卡车车体；载货汽车尾部的升降平台汽车起重机；旅行车车体；铝合金电梯；铝合金汽车的修理。

搅拌摩擦电焊(FSSW)的研究与技术发展，是汽车制造的一个新热点。

3）搅拌摩擦焊在其他工业中的应用

搅拌摩擦焊成功的解决了轻合金的连接难题，在兵器、建筑、能源等工业中的应用也越来越广泛。

如在兵器工业，搅拌摩擦焊成功实现了坦克、装甲车的主体结构和防护装甲板的制造；在建筑行业，搅拌摩擦焊在民用建筑工业的主要应用为：铝合金桥梁、铝合金、铜合金、镁合金的装饰板等。

4 搅拌摩擦焊接技术的发展前景

在基础研究方面，搅拌摩擦焊接技术的机理始终是一项重要的课题，虽然近年来在这一方面有所研究，但距真正透彻的解释和利用这一技术还有一定的距离。

我国在该领域的研究虽然起步比较晚，但是发展很快，至今在基础研究和工程化应用方面取得了一些突破。近年来，搅拌摩擦焊接技术的发展出现了一些信

的趋势，如许多研究机构包括企业进一步拓展了搅拌摩擦焊接技术的研究领域，并将其应用于钢材、钛合金等高熔点材料的焊接。同时，在搅拌摩擦焊接技术的基础上生成了许多衍生技术，如复合热源搅拌摩擦焊接、搅拌摩擦点焊等技术，这些新的研究领域和发展趋势已得到广泛的重视。其中尤其值得一提摩擦点焊，这项技术已被马自达等汽车制造企业所重用，中国搅拌摩擦焊接中心正在全力开发搅拌摩擦点焊技术。新型搅拌摩擦焊接技术必将推动制造业更快、更好地发展。同时这些新技术也必将拥有更广阔的市场前景，在不久的将来必定会得到快速的发展和广泛的应用。

5 小结

本文章简要叙述了搅拌摩擦焊接技术的基本原理和技术特点，介绍了搅拌摩擦焊接技术在飞机制造业和汽车制造业等工业领域开发和应用的情况，并简明扼要的阐述了搅拌摩擦焊接技术的发展前景。

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