搅拌摩擦焊的原理及其应用

搅拌摩擦焊的原理及其应用

摘要：摩擦焊是利用焊件接触面之间的相对摩擦运动和塑性变形所产生的热量使接触面及附近区域的材料达到热塑性状态，通过两侧材料间的相互扩散和动态再结晶而完成焊接，文章分析了搅拌摩擦焊的工作原理，并论述了其相关的应用。

关键词：搅拌摩擦焊焊接变形焊接工艺

引言

搅拌摩擦焊是英国焊接研究所发明的新型固态塑化焊接技术，是世界焊接技术发展史上自发明到工业应用时间跨度最短并且发展最快的一项连接技术。搅拌摩擦在材料的熔点以下进行，属于固相焊接，因此可以避免熔化焊所产生的气孔、裂纹、变形和氧化等问题。更重要的是焊接加热温度低，使焊接接头软化程度得到减轻，性能得到改善。

搅拌摩擦焊在国外铝合金车体制造方面得到了一定的应用，日本、法国、德国、瑞典等国车辆制造商己经采用搅拌摩擦焊技术制造列车车体，焊接接头性能得到改善，效果良好。国内搅拌摩擦焊在铁道车辆制造方面的应用尚属空白。文章分析了搅拌摩擦焊的工作原理，并论述了其相关的应用。

1 搅拌摩擦焊的工作原理及特点

搅拌摩擦焊接时，搅拌头一边高速旋转，一边沿着焊接方向前进，焊接过程中，搅拌头轴肩与被焊工件表面摩擦产生热量使工件达到塑性状态，塑性状态的金属在搅拌头旋转压力的挤压作用下，沿搅拌针从前进侧被搅拌到后退侧，随着搅拌头的移动，高度塑性变形的金属流向搅拌头的后部，冷却后形成焊缝。在实际工作中，搅拌摩擦焊的焊核由于受到搅拌头的高速旋转挤压作用，该区原始的组织晶粒被搅拌破碎，同时在轴肩与母材摩擦产生的热作用下，发生动态再结晶，由母材轧制状组织变为细小的等轴晶。热机械影响区在搅拌头的高速旋转作用下发生明显塑性变形，受到的摩擦热低于焊核，不足以使组织发生再结晶，因此只发生部分长大。热影响区在热循环作用下，组织晶粒发生二次长大，该区组织明显粗化，甚至比母材还粗大。焊接时搅拌头缓慢插入母材中，摩擦头的轴肩与板材的表面紧密接触并压入一定深度。焊接时摩擦头高速旋转并沿待焊板材的接缝向前运动。摩擦头的轴肩、搅拌针与试件摩擦生热，产生的摩擦热使搅拌针周围金属处于热塑性状态。在摩擦搅拌过程中轴肩一方面提供了大部分的摩擦热，另一方面轴肩的下压作用防止了塑性状态金属的溢出，搅拌针前方塑性状态下的金属在摩擦头的驱动下向后方流动。在搅拌头的摩擦搅拌作用下，搅拌针周围的材料形成塑性层，从而形成了搅拌摩擦焊焊缝，使待焊件焊为一个整体。同时，因为搅拌摩擦焊焊接温度在铝合金熔点以下，使其与普通熔化焊有不同的本质，相应地带来了一系列优点：

（1）多种材料混合焊。搅拌摩擦焊作为一种固相连接方法，几乎能够焊接所有的铝合金材料，包括那些难于用熔化焊方法连接的高强铝合金材料，随着搅拌摩擦焊焊接工具的开发和焊接技术的发展，搅拌摩擦焊技术己能够焊接其它有色金属，如铅、锌、镁及镁合金、铜及铜合金、钦合金，甚至能够用于焊接不锈钢、低碳钢等黑色金属。

（2）不受接头形式的限制。搅拌摩擦焊可以进行多种接头形式的焊接，如对接接头、搭接接头、角接接头及T形接头等。搅拌摩擦焊也适用于环形、圆形、非线性和立体焊缝。由于重力对这种固相焊接方法没有影响，搅拌摩擦焊可以用于全位置焊接，如横焊、立焊、仰焊、环形轨道自动焊等。搅拌摩擦焊已经成功地焊接了星际(宇宙)飞行器铝合金燃料箱的纵向对接焊缝和环形搭接焊缝。

2 搅拌摩擦焊的应用方向

搅拌摩擦焊也是利用摩擦热作为焊接热源的一种固相连接方法，但与常规摩擦焊有所不同。在进行搅拌摩擦焊接时，首先将工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工件的接缝处，直至搅拌焊头的肩部与工件表面紧密接触，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工件表面摩擦产生的热量共同作用，使接缝处材料温度升高而软化，同时，搅拌焊头边旋转边沿着接缝与工件作相对运动，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，高度塑性变形的材料被挤压到搅拌焊头的背后，肩部所施加的锻造力使接缝处的变形金属通过相互扩散与再结晶而牢固地结合在一起，从而完成搅拌摩擦焊接过程。在焊接过程中，搅拌焊头具有与其周围材料摩擦产热、破碎工件表面氧化层、转移塑性流变材料等重要作用。因而，搅拌焊头是搅拌摩擦焊技术的核心，其结构设计决定了整个焊接过程的各个工艺参数和焊缝的质量。英国焊接研究所不断改进搅拌焊头的结构设计，已经开发出多种新型搅拌焊头。改进后的搅拌焊头，其焊针采用特殊的结构形状，并优化搅拌焊头的肩部设计，能够使焊接区内摩擦产生热量提高，更加有利于塑性流变材料在搅拌焊针的周围流动，有利于焊件表面的氧化膜的破碎并使其在焊接区内弥散分布，可以实现在相对较高的焊接速度下焊接较厚的板材。随着搅拌摩擦焊的发展，其应用领域主要可以概括为如下几个方面：

（1）航空工业：目前搅拌摩擦焊技术己用于轻质铝合金飞机的载重梁、地板、机身、机翼、蒙皮等结构件的焊接。与过去常采用的铆接和机械加工相比，搅拌摩擦焊技术降低了制造成本，减轻了飞机的重量，因而搅拌摩擦焊在民用及军用飞机制造业具有很好的应用前景。如美国航空领域正在使用搅拌摩擦焊技术将飞机蒙皮和翼梁、翼肋和纵向加强肋焊接在一起。德国空中客车公司应用搅拌摩擦焊技术成功地焊接了空中客车机体及机翼结构。

（2）船舶工业：英国劳埃德船级社对船用搅拌摩擦焊技术进行了深入研究。斯堪的纳维亚和日本的造船公司在船舶的结构制造过程中采用搅拌摩擦焊技术，也取得较满意的效果，如制造渔船上的冷藏箱板、高速货船的甲板、侧墙及船体的内部结构件。采用搅拌摩擦焊技术拼接的大型中空复合型板材，由于热输入较低，焊缝的扭转变形小、焊接应力低，是熔化焊无法比拟的。

（3）铁路及公路：日本在1992年就开始研究在高速列车及地铁列车的结构制造过程中采用搅拌摩擦焊技术，目前己成功地将搅拌摩擦焊技术应用于制造高速列车的车身，搅拌摩擦焊制造汽车的底盘、大梁、车轮、油箱等结构的报导己屡见不鲜。其它领域建筑桥梁、海岸设施、饮料啤酒罐、电气电机座、导电板、电接插件、电子设备的封装压力容器制造和液化气罐等结构件均有采用搅拌摩擦焊工艺的实例。

3 结语

摩擦焊是在外力作用下，利用焊件接触面之间的相对摩擦运动和塑性变形所产生的热量，使接触面及附近区域的材料达到热塑性状态，并产生适当的宏观塑性变形，通过两侧材料间的相互扩散和动态再结晶而完成焊接。由于搅拌摩擦焊接技术具有的独特优点，自其问世以来，就受到了世界上主要工业化国家焊接界的重视。

参考文献：

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