搅拌摩擦焊

搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding，简称FSW)是英国焊接研究所(The Welding Institute)于1991年发明的专利焊接技术。搅拌摩擦焊除了具有普通摩擦焊技术的优点外，还可以进行多种接头形式和不同焊接位置的连接。挪威已建立了世界上第一个搅拌摩擦焊商业设备，可焊接厚3—15mm、尺寸6×16的Al船板；1998年美国波音公司的空间和防御实验室引进了搅拌摩擦焊技术，用于焊接某些火箭部件；麦道公司也把这种技术用于制造Delta运载火箭的推进剂贮箱。下面主要介绍搅拌摩擦焊的方法、过程、特点以及搅拌摩擦焊在中国的发展现状。

2.搅拌摩擦焊的原理

搅拌摩擦焊方法与常规摩擦焊一样．搅拌摩擦焊也是利用摩擦热作为焊接热源。不同之处在于．搅拌摩擦焊焊接过程是由一个圆柱体形状的焊头(welding pin)伸入工件的接缝处，通过焊头的高速旋转，使其与焊接工件材料摩擦，从而使连接部位的材料温度升高软化．同时对材料进行搅拌摩擦来完成焊接的。焊接过程如图所示。在焊接过程中工件要刚性固定在背垫上，焊头边高速旋转．边沿工件的接缝与工件相对移动。焊头的突出段伸进材料内部进行摩擦和搅拌，焊头的肩部与工件表面摩擦生热，并用于防止塑性状态材料的溢出，同时可以起到清除表面氧化膜的作用。

在焊接过程中，焊头在旋转的同时伸入工件的接缝中，旋转焊头与工件之问的摩擦热，使焊头前面的材料发生强烈塑性变形，然后随着焊头的移动，高度塑性变形的材料流向焊头的背后，从而形成搅拌摩擦焊焊缝。搅拌摩擦焊对设备的要求并不高，最基本的要求是焊头的旋转运动和工件的相对运动，即使一台铣床也可简单地达到小型平板对接焊的要求。但焊接设备及夹具的刚性是极端重要的。焊头一般采用工具钢制成，焊头的长度一般比要求焊接的深度稍短应该指出，搅拌摩擦焊缝结束时在终端留下个匙孔。通常这个匙孔可以切除掉，也可以用其它焊接方法封焊住。

关于在搅拌摩擦过程中界面原子的运动现在仍处于研究阶段。

3.搅拌摩擦焊的特点

焊接过程中也不需要其它焊接消耗材料，如焊条、焊丝、焊剂及保护气体等。唯一消耗的是焊接搅拌头。通常在Al合金焊接时，一个工具钢搅拌头可焊到800m长的焊缝。

同时，由于搅拌摩擦焊接时的温度相对较低，因此焊接后结构的残余应力或变形也较熔化焊小得多。特别是Al合金薄板熔化焊接时，结构的平面外变形是非常明显的，无论是采用无变形焊接技术还是焊后冷、热校形技术，都是很麻烦的，而且增加

了结构的制造成本。

目前搅拌摩擦焊主要是用在熔化温度较低的有色金属，如Al、cu等合金。这和搅拌头的材料选择及搅拌头的工作寿命有关。当然，这也和有色金属熔化焊接相对困难有关，迫使人们在有色金属焊接时寻找非熔化的焊接方法。对于延性好、容易发生塑性变形的黑色材料，

经辅助加热或利用其超塑性，也有可能实现搅拌摩擦焊，但这就要看熔化焊和搅拌摩擦焊哪个技术经济指标更合理来决定。

搅拌摩擦焊在有色金属的连接中已获得成功的应用，但由于焊接方法特点的限制，目前仅限于结构简单的构件，如平直的结构或圆筒形结构的焊接，而且在焊接过程中工件要有良好的支撑或村垫。原则上，搅拌摩擦焊可进行多种位置焊接，如平焊，立焊，仰焊和俯焊；可完成多种形式的焊接接头，如对接、角接和搭接接头，甚至厚度变化的结构和多层材料的连接，也可进行异种金属材料的焊接。

另外，搅拌摩擦焊作为一种固相焊接方法，焊接前及焊接过程中对环境的污染小。焊前工件无需严格的表面清理准备要求，焊接过程中的摩擦和搅拌可以去除焊件表面的氧化膜，焊接过程中也无烟尘和飞溅．同时噪声低。由于搅拌摩擦焊仅仅是靠焊头旋转并移动，逐步实现整条焊缝的焊接，所以比熔化焊甚至常规摩擦焊更节省能源。

特点小结：1)搅拌摩擦焊是一种新型焊接方法，可以焊接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。

2)搅拌摩擦焊的出现扩大了结构设计过程中材料的选择范围，由于焊接问题而避免使用铝合金的场合，现在可以选用比强度高的铝合金等材料。

3)搅拌摩擦焊的工业应用刚刚开始，理论研究更显不足，有必要对其进行深入的研究，以扩大其应用范围，促进科学技术的发展。

4.研究现状

搅拌摩擦焊工艺最初主要用于解决铝合金等低熔点材料的焊接，关于搅拌摩擦焊工艺的特点和应用等，TWI进行了较多的研究，并于1993年、1995年申请了专利。目前，TWI

主要是与航空航天、海洋、道路交通、铝材厂、焊接设备制造厂等大公司联合，以团体赞助或合作的形式开发这种技术，扩大其应用范围。〔3〕他们正在进行的由工业企业赞助的研究项目包括：钢的搅拌摩擦焊、汽车轻型构件的搅拌摩擦焊等。美国的爱迪生焊接研究所(Edison welding Institute,简称EWI)与TWI密切协作，也在进行FSW工艺的研究。〔4〕美国的美国洛克希德*马丁航空航天公司、马歇尔航天飞行中心、美国海军研究所、Dartmouth大学、德克萨斯大学、阿肯色斯大学、南卡罗里纳大学、德国的Stuttgart大学、澳大利亚的Adelaide 大学、澳大利亚焊接研究所等都从不同的角度对搅拌摩擦焊进行了专门研究。

从材料焊接角度，目前研究较多的是铝合金的焊接。铝合金是一种高比强度的材料，将其用于飞机、汽车、船舶等结构中，可以减轻这些结构的重量，提高它们的综合性能。但是，由于其熔点、比重较低，热传导系数大，熔焊时易产生气孔、裂纹、变形等缺陷。同时，由于焊接加热使其性能降低，故铝合金零件的连接多用铆接或机械连接，因此，限制了铝合金在飞机、汽车、船舶等结构中的应用。利用搅拌摩擦焊技术，可以克服熔焊时的缺陷，且焊接接头的性能不会降低。已经可以用该方法焊接厚度达75 mm的铝合金板材，图3为典型的焊接接头，图4为用该方法拼焊的铝合金板。

铝锂合金是一种比强度更高、综合性能更好的轻型结构材料，用搅拌摩擦焊方法焊接铝锂合金也取得了很好的效果。现在英、美等国正进行锌、铜、钛、低碳钢、复合材料等的搅拌摩擦焊接。〔5，6〕

从理论角度，目前对FSW接头形成机理的研究还正在起步阶段。英国剑桥大学的

H.R.Shercliff、美国EWI的Z.Feng等开发了一种模拟搅拌摩擦焊热过程的加热模型，利用该模型，可以更快更精确地计算出焊接工艺参数，更好地了解材料流动的途径和塑性变形的大小，从而可以更好地了解该工艺的加热与接合机理。

从设备角度，英国的TWI已经研制成功可以焊接厚度为3～15 mm，长宽分别为3.4×4米的样机，焊接速度达1.2 m／min.TWI的合作伙伴之一、世界著名的焊机制造商——ESAB，为挪威的Marine Aluminium等生产了搅拌摩擦焊机，焊接了大量焊缝。正因如此，Boeing 公司斥资几百万美元，请ESAB公司为其设计生产焊接大型低温容器的专用搅拌摩擦焊机。

国内北京航空工艺研究所于1998年开始进行了这方面的探索性研究，南昌航空工业学院已用现有设备焊接了铝合金对接接头、丁字接头、搭接接头，取得了较好的效果。

5.应用领域

目前，用FSW技术焊接的结构并不多。在挪威，已用该技术焊接快艇的长为20米的铝合金结构件；美国洛克希德.马丁航空航天公司用该技术焊接了储存液态氧的低温容器，如图5所示。在马歇尔航天飞行中心，也已用该技术焊接了大型圆筒形容器。但是，FSW技术在船舶制造与海洋工业和宇航工业中有广泛的应用前景，在铁路运输、公路运输、建筑工业、电器行业中也有很大的应用潜力。在船舶制造与海洋工业中适于用FSW技术焊接的结构包括：甲板、壁板、隔板等板材的拼焊、铝挤压件的焊接、船体和加强件的焊接、直升机降落平台的焊接等；在航空航天领域适于用FSW技术焊接的结构包括：军用或民用飞机的蒙皮，航天器中的低温燃料箱，航空器油箱、军用机的副油箱，军用或科技探测火箭等；在铁路行业中，已有报道用FSW技术焊接高速火车中的铝制件，油罐、货车、集装箱本体等也可以用FSW方法焊接；在公路运输行业，美国几大汽车制造商已经投资共同研究FSW技术的商业应用，可能的应用领域包括：发动机与底盘的托架，液压成型管道的配件，空间构件、货车本体、吊车、燃料箱、大篷车、摩托车与自行车框架、起重箱及镁及铝镁合金接头等：在建筑行业中，可用FSW技术连接的结构有：铝、铜、钛等制作的面板、门窗框架、发电