焊接工艺设计 摩擦焊
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焊接工艺设计与 实例分析
青年你想变酷吗？拉风的墨镜，帅气的皮 手套你想拥有吗？兵锋所指，火花四溅，举手 投足间尽显风流，青年你想吗？你还在等吗？
快点加入吧，这个NB的职业。。。
• 摩擦焊是一种固态热压焊，是利用摩擦热使焊件产生固相结合的焊接方法。 焊接时是利用焊件接触面之间的相对摩擦运动和塑性流动所产生的热量，使 界面及其附近区域达到热塑性状态并在压力作用下产生适当的宏观塑性变形 而形成接头。
二 搅拌摩擦焊工艺原理及过程
• 待焊接的对接或搭接件放置于垫板上，并被夹紧。 搅拌头高速旋转并使搅拌针迅速插入被焊件的待焊位置 上，当轴肩与工件相接触时，搅拌头边旋转，边沿焊接 方向移动，被焊工件在搅拌头的压力和摩擦热作用下变 为塑性状态。搅拌头向前行走时，受到挤压的塑性材料 在摩擦搅拌力的作用下向搅拌头的后侧流动，待搅拌头 移走后，塑性材料冷却，经过原子扩散动态再结晶形成 焊接接头，实现固相连接。
• 搅拌摩擦焊目前主要有以下局限性： （1）焊接速度比某些熔化焊方法的低，如薄板焊接时，虽然 质量比激光焊接的好，但是焊接速度比激光焊接低。
（2）工件必须被刚性固定夹紧，不同的焊缝需要不同的工装 夹具，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，背面必须有刚性 垫板。在封闭的结构中，背面垫板的取出是一个问题。 （4）焊接结束后存在“匙孔”。目前正在开发搅拌摩擦焊 “回抽技术”加以解决。
摩擦头旋转下降 搅拌针压入工件
焊机开启 摩擦头 旋 转 焊机关闭 停冷却水
摩擦头向前 移动焊接开始
摩擦头停止 移动向上提升
三 搅拌摩擦焊特点
与普通的摩擦焊相类似，搅拌摩擦焊是在被焊材料熔点
以下实现固相连接，所以在方法和工艺上具有较多的优越性。 例如搅拌摩擦焊目前可以焊接所有牌号的铝合金其中包括以 前熔焊难以焊接2xxx系列和7xxx系列的铝合金。焊接过程中 没有弧光、烟尘、飞溅等。针对工业制造领域归纳起来搅拌 摩擦焊主要具有如下方面优越性：
图2 搅拌摩擦焊连接的航天飞机助推器筒体及其外观
（2）搅拌摩擦焊在造船行业中的应用
挪威、日本以及澳大利亚已经有多个船舶制造公司利用 搅拌摩擦焊技术来建造大型船舶铝合金结构件。迄今为止挪 威大约有25％的船用铝合金结构采用搅拌摩擦焊制造。
图3 挪威Hydro Marine采用搅拌摩擦焊焊制造船用型材和预制板
（3）搅拌摩擦焊在汽车工业中的应用
目前，搅拌摩擦焊已经用于汽车车体顶棚加强板、车体 地板加强结构件、铝合金发动机框架、发动机壳体内衬、车 门加强结构件等。挪威首先利用搅拌摩擦焊实现了铝合金汽 车轮毂的搅拌摩擦焊制造，如图1.4所示。
图4 中国搅拌摩擦焊中心制作的铝合金轮毂
图5 采用FSW焊接的轨道列车地板
• （1）搅拌摩擦焊可以降低制造成本。搅拌摩擦焊是一种 简单、高效、节能且没有焊接消耗的连接方法。搅拌摩擦 焊可以节约能源，一台简单的适合于搅拌摩擦焊焊接的设 备对于厚度为12.5mm的6xxx系列的铝合金材料的搅拌摩 擦焊单道焊的总功率输入大约为3kW，而且除了搅拌头和 电外没有其他消耗。焊接过程不需要填充焊丝和保护气， 焊前不需要开坡口和对材料表面的氧化层等作特殊的处理。
(a)
来自百度文库(b)
图1 搅拌摩擦焊原理图 (a)施焊过程;(b)搅拌头
搅拌摩擦焊焊缝中的洋葱环
紫铜搅拌摩擦焊接头横剖面形貌图
(a) 前进边洋葱环结构 (b) 后退边洋葱环结构 FSW 紫铜接头中洋葱环结构示意图
镁—钢无匙孔搅拌摩擦点焊
搅拌摩擦焊工艺过程
夹持工件
摩擦头停止下降 保温一定时间
开冷却水
摩擦焊工艺及分类
摩擦焊工艺
焊件绕轴旋转
其他运动
焊件不运动
相 位 控 制 摩 擦 焊
连 续 驱 动 摩 擦 焊
惯 性 摩 擦 焊
摩 擦 堆 焊
线 性 摩 擦 焊
轨 道 摩 擦 焊
径 向 摩 擦 焊
搅 拌 摩 擦 焊
搅拌摩擦焊
一 搅拌摩擦焊概况
搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding，简称FSW)是英国焊接 研究所（TWI）1991 年发明的新型焊接工艺，起初主要是用 于铝合金的焊接。自问世以来，引起了世人的广泛关注。世 界许多国家和研究机构进行了大量的研究，自1999 年以来， 国际上已经连续举办了5 届专门的搅拌摩擦焊学术研讨会， 从2000 年起FSW 已成为美国“AeroMat”和“Materials Solution”学术会议中重要的内容。
四
搅拌摩擦焊的应用
航空航天工业 建筑材料工业
电子工业 石油工业
轨道交通业 汽车工业
应用领域不断扩大 需求与日剧增
（1）搅拌摩擦焊在飞机制造业中的应用
NASA、波音公司及英国宇航空中客车公司BAA 目前都致力于搅拌摩擦焊研究和应用。其中 NASA很 早就开展了搅拌摩擦焊相关技术研究，目前成功的将 搅拌摩擦焊应用于航天器助推器制造。
图6 采用FSW点焊连接的RX-8后门
（4）搅拌摩擦焊在军事工业上的应用
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。如美国海军将FSW技术用于装甲车用2519板 的焊接。
图7 搅拌摩擦焊接工艺在坦克装甲车上的应用
（5）搅拌摩擦焊在其他领域的应用
在其他领域，FSW也有较多的应用,如民用建筑工业中
的铝合金桥梁、装饰板、门窗框架、管线、铝合金反应器、
热交换器等；电子工业中的发动机壳体、电器连接件、电 器封装等。此外，FSW还应用在冰箱冷却板、厨房电器、 “白色”家用物品和工具、天然气和液化气储箱、家用装 饰等。
国内外焊接电源的研究现状与发展趋势
国内外 研究现状
目前我国针对逆变焊割设备的研究，特别是应用上的研究主要还是在硬开关 逆变焊机的研究；而全桥软开关技术的逆变焊机的研究，在国内除一些高校进行 研究之外，很少有企业进行研究的。至于采用嵌入式系统数字化处理与逆变软开关 技术相结合的方式设计逆变电源方面研究，除本公司外，目前国内未见类似报道。 而在日、美、欧等国和地区，20kHz左右的弧焊逆变器技术已经成熟，产品的 质量较高且产品已系列化。
（2）搅拌摩擦焊为新产品新结构的设计提供了可能。例如以 前熔焊不能连接的热敏感性很强的硬铝、超硬铝及铝基复合 材料材料都可以用搅拌摩擦焊得到可靠连接。搅拌摩擦焊较 小的焊接变形可以实现精密铝合金零部件的制造。用搅拌摩 擦焊实现小尺寸挤压型材的连接，也可以用来制造大尺寸的 船舶夹板、列车壁板、卡车箱体等。
• 国内直到1998年才开始进行搅拌摩擦焊技术研究。近年来， 随着人们对其优越性的不断认识，许多高校、科研院所及企 业都纷纷涉足搅拌摩擦焊领域，这些研究单位包括北京搅拌 摩擦焊中心、南昌航空工业学院、哈尔滨工业大学、西北工 业大学、大连铁道学院、上海交通大学、华东船舶工业学院、 兰州理工大学、清华大学、中南大学、天津大学等。研究的 主要内容涉及接头微观组织、接头力学性能、材料流动行为、 焊接温度场和热循环等。
发展趋势
未来我国焊接产业的发展趋势可以概括为一句话，即“发展高效、自动化、 智能型、节能、环保型的焊接”。
33
• （3）搅拌摩擦焊具有可靠的质量保证。搅拌摩擦焊是一种 完全机械化的连接技术可以实现焊接过程以及焊接能量输入 的精确控制。搅拌摩擦焊的焊接质量完全由搅拌头的形状和 焊接参数决定，所以可以实现精密的过程监控。由于焊接过 程的机械性，所以可以实现焊接参数的数字化输入控制和记 录。 • （4）搅拌摩擦焊是一种安全的焊接方法。搅拌摩擦焊过程 没有飞溅烟尘以及弧光辐射等对人体的危害焊接过程，并且 不需要电流电压的参与，没有高的触电危险等。
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• 摩擦焊是一种固态热压焊，是利用摩擦热使焊件产生固相结合的焊接方法。 焊接时是利用焊件接触面之间的相对摩擦运动和塑性流动所产生的热量，使 界面及其附近区域达到热塑性状态并在压力作用下产生适当的宏观塑性变形 而形成接头。
二 搅拌摩擦焊工艺原理及过程
• 待焊接的对接或搭接件放置于垫板上，并被夹紧。 搅拌头高速旋转并使搅拌针迅速插入被焊件的待焊位置 上，当轴肩与工件相接触时，搅拌头边旋转，边沿焊接 方向移动，被焊工件在搅拌头的压力和摩擦热作用下变 为塑性状态。搅拌头向前行走时，受到挤压的塑性材料 在摩擦搅拌力的作用下向搅拌头的后侧流动，待搅拌头 移走后，塑性材料冷却，经过原子扩散动态再结晶形成 焊接接头，实现固相连接。
• 搅拌摩擦焊目前主要有以下局限性： （1）焊接速度比某些熔化焊方法的低，如薄板焊接时，虽然 质量比激光焊接的好，但是焊接速度比激光焊接低。
（2）工件必须被刚性固定夹紧，不同的焊缝需要不同的工装 夹具，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，背面必须有刚性 垫板。在封闭的结构中，背面垫板的取出是一个问题。 （4）焊接结束后存在“匙孔”。目前正在开发搅拌摩擦焊 “回抽技术”加以解决。
摩擦头旋转下降 搅拌针压入工件
焊机开启 摩擦头 旋 转 焊机关闭 停冷却水
摩擦头向前 移动焊接开始
摩擦头停止 移动向上提升
三 搅拌摩擦焊特点
与普通的摩擦焊相类似，搅拌摩擦焊是在被焊材料熔点
以下实现固相连接，所以在方法和工艺上具有较多的优越性。 例如搅拌摩擦焊目前可以焊接所有牌号的铝合金其中包括以 前熔焊难以焊接2xxx系列和7xxx系列的铝合金。焊接过程中 没有弧光、烟尘、飞溅等。针对工业制造领域归纳起来搅拌 摩擦焊主要具有如下方面优越性：
图2 搅拌摩擦焊连接的航天飞机助推器筒体及其外观
（2）搅拌摩擦焊在造船行业中的应用
挪威、日本以及澳大利亚已经有多个船舶制造公司利用 搅拌摩擦焊技术来建造大型船舶铝合金结构件。迄今为止挪 威大约有25％的船用铝合金结构采用搅拌摩擦焊制造。
图3 挪威Hydro Marine采用搅拌摩擦焊焊制造船用型材和预制板
（3）搅拌摩擦焊在汽车工业中的应用
目前，搅拌摩擦焊已经用于汽车车体顶棚加强板、车体 地板加强结构件、铝合金发动机框架、发动机壳体内衬、车 门加强结构件等。挪威首先利用搅拌摩擦焊实现了铝合金汽 车轮毂的搅拌摩擦焊制造，如图1.4所示。
图4 中国搅拌摩擦焊中心制作的铝合金轮毂
图5 采用FSW焊接的轨道列车地板
• （1）搅拌摩擦焊可以降低制造成本。搅拌摩擦焊是一种 简单、高效、节能且没有焊接消耗的连接方法。搅拌摩擦 焊可以节约能源，一台简单的适合于搅拌摩擦焊焊接的设 备对于厚度为12.5mm的6xxx系列的铝合金材料的搅拌摩 擦焊单道焊的总功率输入大约为3kW，而且除了搅拌头和 电外没有其他消耗。焊接过程不需要填充焊丝和保护气， 焊前不需要开坡口和对材料表面的氧化层等作特殊的处理。
(a)
来自百度文库(b)
图1 搅拌摩擦焊原理图 (a)施焊过程;(b)搅拌头
搅拌摩擦焊焊缝中的洋葱环
紫铜搅拌摩擦焊接头横剖面形貌图
(a) 前进边洋葱环结构 (b) 后退边洋葱环结构 FSW 紫铜接头中洋葱环结构示意图
镁—钢无匙孔搅拌摩擦点焊
搅拌摩擦焊工艺过程
夹持工件
摩擦头停止下降 保温一定时间
开冷却水
摩擦焊工艺及分类
摩擦焊工艺
焊件绕轴旋转
其他运动
焊件不运动
相 位 控 制 摩 擦 焊
连 续 驱 动 摩 擦 焊
惯 性 摩 擦 焊
摩 擦 堆 焊
线 性 摩 擦 焊
轨 道 摩 擦 焊
径 向 摩 擦 焊
搅 拌 摩 擦 焊
搅拌摩擦焊
一 搅拌摩擦焊概况
搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding，简称FSW)是英国焊接 研究所（TWI）1991 年发明的新型焊接工艺，起初主要是用 于铝合金的焊接。自问世以来，引起了世人的广泛关注。世 界许多国家和研究机构进行了大量的研究，自1999 年以来， 国际上已经连续举办了5 届专门的搅拌摩擦焊学术研讨会， 从2000 年起FSW 已成为美国“AeroMat”和“Materials Solution”学术会议中重要的内容。
四
搅拌摩擦焊的应用
航空航天工业 建筑材料工业
电子工业 石油工业
轨道交通业 汽车工业
应用领域不断扩大 需求与日剧增
（1）搅拌摩擦焊在飞机制造业中的应用
NASA、波音公司及英国宇航空中客车公司BAA 目前都致力于搅拌摩擦焊研究和应用。其中 NASA很 早就开展了搅拌摩擦焊相关技术研究，目前成功的将 搅拌摩擦焊应用于航天器助推器制造。
图6 采用FSW点焊连接的RX-8后门
（4）搅拌摩擦焊在军事工业上的应用
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。如美国海军将FSW技术用于装甲车用2519板 的焊接。
图7 搅拌摩擦焊接工艺在坦克装甲车上的应用
（5）搅拌摩擦焊在其他领域的应用
在其他领域，FSW也有较多的应用,如民用建筑工业中
的铝合金桥梁、装饰板、门窗框架、管线、铝合金反应器、
热交换器等；电子工业中的发动机壳体、电器连接件、电 器封装等。此外，FSW还应用在冰箱冷却板、厨房电器、 “白色”家用物品和工具、天然气和液化气储箱、家用装 饰等。
国内外焊接电源的研究现状与发展趋势
国内外 研究现状
目前我国针对逆变焊割设备的研究，特别是应用上的研究主要还是在硬开关 逆变焊机的研究；而全桥软开关技术的逆变焊机的研究，在国内除一些高校进行 研究之外，很少有企业进行研究的。至于采用嵌入式系统数字化处理与逆变软开关 技术相结合的方式设计逆变电源方面研究，除本公司外，目前国内未见类似报道。 而在日、美、欧等国和地区，20kHz左右的弧焊逆变器技术已经成熟，产品的 质量较高且产品已系列化。
（2）搅拌摩擦焊为新产品新结构的设计提供了可能。例如以 前熔焊不能连接的热敏感性很强的硬铝、超硬铝及铝基复合 材料材料都可以用搅拌摩擦焊得到可靠连接。搅拌摩擦焊较 小的焊接变形可以实现精密铝合金零部件的制造。用搅拌摩 擦焊实现小尺寸挤压型材的连接，也可以用来制造大尺寸的 船舶夹板、列车壁板、卡车箱体等。
• 国内直到1998年才开始进行搅拌摩擦焊技术研究。近年来， 随着人们对其优越性的不断认识，许多高校、科研院所及企 业都纷纷涉足搅拌摩擦焊领域，这些研究单位包括北京搅拌 摩擦焊中心、南昌航空工业学院、哈尔滨工业大学、西北工 业大学、大连铁道学院、上海交通大学、华东船舶工业学院、 兰州理工大学、清华大学、中南大学、天津大学等。研究的 主要内容涉及接头微观组织、接头力学性能、材料流动行为、 焊接温度场和热循环等。
发展趋势
未来我国焊接产业的发展趋势可以概括为一句话，即“发展高效、自动化、 智能型、节能、环保型的焊接”。
33
• （3）搅拌摩擦焊具有可靠的质量保证。搅拌摩擦焊是一种 完全机械化的连接技术可以实现焊接过程以及焊接能量输入 的精确控制。搅拌摩擦焊的焊接质量完全由搅拌头的形状和 焊接参数决定，所以可以实现精密的过程监控。由于焊接过 程的机械性，所以可以实现焊接参数的数字化输入控制和记 录。 • （4）搅拌摩擦焊是一种安全的焊接方法。搅拌摩擦焊过程 没有飞溅烟尘以及弧光辐射等对人体的危害焊接过程，并且 不需要电流电压的参与，没有高的触电危险等。