搅拌摩擦点焊

新型绿色环保焊接技术——搅拌摩擦点焊

摘要

面对节能减排和环境保护要求，一种新型的绿色环保焊接技术——搅拌摩擦点焊技术应运而生，作为在搅拌摩擦焊基础上发展起来的一种新型固相焊接技术，其接头质量高、变形小、焊接质量稳定，并且具有减轻结构重量、降低制造成本及节省能源等一系列优点。本文介绍了搅拌摩擦点焊的固相连接机理，工艺流程，以及技术特点，并举例说明其在汽车工业和航空工业的发展应用状况。

关键词：搅拌摩擦点焊；电阻点焊；铆接；熔焊；车身；航空铝材

目录

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摘要 ......................................................................................................................................... I 目录 ........................................................................................................................................ I I

1 绪论 (1)

2 搅拌摩擦点焊的固相连接机理 (2)

2.1 搅拌摩擦焊技术简介 (2)

2.2搅拌摩擦点焊技术介绍 (2)

3 搅拌摩擦点焊的工艺流程 (4)

4 搅拌摩擦点焊的技术特点 (4)

4.1 与电阻点焊（RSW）对比的优点 (4)

4.1.1 生产成本与能源消耗 (4)

4.1.2 接头质量 (5)

4.2 与铆接对比的优点 (6)

4.2.1 生产成本与能源消耗 (6)

4.2.2 接头质量 (6)

5搅拌摩擦点焊在汽车工业和航空工业的应用状况 (7)

5.1 搅拌摩擦点焊在汽车工业的应用状况 (7)

5.2 搅拌摩擦点焊在航空工业的应用状况 (8)

6 全文结论 (9)

参考文献 (9)

1 绪论

1 绪论

1.1引言

随着全球资源与环境保护问题的日趋严峻，运载工具的轻量化设计成为汽车、航空航天等制造领域的发展方向。一方面采用铝合金代替传统的钢材料，另一方面通过高效的新型工艺技术提高产品的可靠性并降低产品重量。铝合金作为运载工具的主要制造材料，其主要连接方式是焊接和铆接。在欧洲汽车车体生产中，常用的连接技术是YAG激光焊接方法，在日本车体制造中常用电阻点焊方法，运载火箭贮箱的制造过程中要大量应用电阻点焊和铆接技术，而航空飞行器的制造过程更需要广泛采用铆接技术。电阻点焊生产效率高、操作灵活性好，但也存在许多局限性，主要表现在：a.焊接过程需要提供大电流，耗能大；b.铝合金表面氧化膜造成电极寿命明显缩短；c.由于焊接大电流的作用，工件将产生明显的热变形，且焊缝中易出现缺陷和焊点质量不稳定，接头质量差；d.焊接过程中有飞溅，点焊工作环境差。铆接是铝合金构件中一种常用的连接技术，但是采用铆接技术一方面会增加铝合金构件的重量，另一方面在铆接过程中会产生大量的噪音，生产环境恶劣，另外，铆接技术需要在铝合金构件上预开孔，增加了生产成本。因此，研究开发铝合金新的点焊连接技术替代传统的电阻点焊和铆接技术，对扩大铝合金在汽车工业的应用，推动汽车轻量化发展以及提高航空、航天运载能力具有十分重要的意义。

搅拌摩擦点焊（Friction Stir Spot Welding，FSSW）是在“线性”搅拌摩擦焊接基础上，新近研究开发的一种创新的焊接技术[1]。FSSW可以形成点焊的搭接接头，其焊缝外观与通常应用于铝合金构件的电阻点焊类似，因而具有很高的应用价值和研究意义。

2搅拌摩擦点焊的固相连接机理

2.1 搅拌摩擦焊技术简介

搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding, FSW)是由英国焊接研究所TWI(The Welding Institute)于1991年提出的新型焊接技术，最初该技术主要是针对铝合金的焊接而提出[2]，随后则被迅速而广泛地应用于厚度介于1-50mm之间的钛合金、镁合金、锌合金、铜合金以及钢铁材料的焊接。搅拌摩擦焊的基本原理如图1所示。在焊接过程中，高速旋转的搅拌头压入待焊工件，搅拌头在工件内部进行搅拌和摩擦，使得位于连接部位附近的材料温度迅速升高，发生塑性流动及变形；同时轴肩与工件表面摩擦生热，并防止处于塑性状态的材料溢出。搅拌头相对于被焊工件做直线运动，处于高度塑性变形的材料流向搅拌头背后，在轴肩的压力作用下结合在一起，从而形成搅拌摩擦焊缝。

图1 搅拌摩擦焊示意图

搅拌摩擦缝焊过程中，在摩擦热、塑性变形和粘性耗散的共同作用下，搅拌区内的温度可以达到被焊材料的固相线温度。搅拌摩擦缝焊的接头主要由三部分组成，即搅拌区、热机械影响区和热影响区，其中搅拌区由细小的等轴晶组成；与搅拌区紧邻的是热机械影响区，由被拉长的晶粒和部分动态再结晶的晶粒组成；而热影响区则位于热机械影响区和母材之间，一般而言位于该区域的晶粒比较粗大。由于焊接过程中工艺参数的选择决定了能量输入的大小，因此搅拌头旋转速度和行驶速度对接头的微观组织结构和力学性能具有重要的影响。

2.2 搅拌摩擦点焊技术简介

搅拌摩擦点焊(Friction Stir Spot Welding, FSSW)是在搅拌摩擦缝焊的基

础上新近研究开发的一种创新的焊接技术，其基本原理与缝焊相同，搅拌头高速旋转，与工件之间摩擦生热，使得位于搅拌头附近的材料处于塑性状态并且发生流动，在轴肩轴向力的作用下完成两块工件之间的连接，形成点焊接头。区别在于在搅拌摩擦点焊过程中，搅拌头相对工件不做直线运动，焊接完成后仅在固定位置得到一个点焊接头。由于搅拌摩擦点焊接头，其外观与通常应用于汽车车体组装的电阻点焊相类似，因此能否将搅拌摩擦点焊技术应用于汽车和航空航天领域，引起了研究领域的极大关注。与传统的电阻点焊等连接技术相比，搅拌摩擦点焊技术具有如下优点[3]：

1) 接头质量高。焊接过程中热输入较少，温度低，接头几乎没有热变形，焊接质量稳定；

2) 节省能源、降低成本。Mazda 公司的研究表明，搅拌摩擦点焊所消耗的能量可以降低 99%，从电阻点焊的每焊点 40Wh 降低到每焊点 0.4Wh，即搅拌摩擦点焊每焊点电能消耗仅为电阻点焊的 1%；

3) 工艺过程简单，设备投资降低。搅拌摩擦点焊对工件表面状况要求不高，无需焊前清理即可得到高质量的点焊接头，另外不需要任何辅助设备，如冷却水系统等；

4) 连接工具寿命长。Mazda 公司的铝合金实验结果表明，搅拌头在经历了10 万次点连接后也没有损耗现象出现；

5) 工作环境清洁。无灰尘、无烟雾，无需大电流，无电磁和噪声污染。正是由于搅拌摩擦点焊具有上述优点，尤其是焊接过程中温度相对较低，接头的热变形比较小，因此在镁铝合金材料的焊接中具有独特的优势，可以避免在传统焊接方法中由于材料熔化所引起的各种缺陷。