搅拌摩擦焊剖析

6.35 6.3 7.6 6.35 4.0 4.0 6.0 6.0 6.0 3.0 1.6 4.0 6.0 6.35 10 6.35
— Cylindrical — Threaded,cylindrical — — Cylindrical — — Threaded, cylindrical — — — — Threaded, cylindrical —
1. 搅拌摩擦焊焊接过程
首先将焊件牢牢地固定在工作 平台上; 搅拌焊头高速旋转并将搅拌焊 针插入焊件的接缝处，直至搅拌 焊头的肩部与焊件表面紧密接触； 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
肩部与焊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。 搅拌摩擦焊接过程示意图
与传统的熔化焊方法相比，搅拌摩擦焊接头不会产生与熔化有关的如 裂纹、气孔及合金元素的烧损等焊接缺陷； 焊接过程中不需要填充材料和保护气体，使得以往通过传统熔焊方法
无法实现焊接的材料通过搅拌摩擦焊技术得以实现连接；
焊接前无须进行复杂的预处理，焊接后残余应力和变形小；
焊接时无弧光辐射、烟尘和飞溅，噪音低。
— 300-1000 — 350, 400 360 1400 400 — — 1250 1000 850 — 350 350 —
127 90-150 — 102, 152 800-2450 400-500 60 — — 60 75 75 80 15 102 —
2-4 10 9 3.8, 7.5 5.9-17.8 10-15 4 6 4 9-10 1.6 5 2-3 1-4 1.5 2.2
出现焊接缺陷时，需要固相焊接方法进行补焊。
4. 搅拌摩擦焊焊缝组织：
（1）基材区（BM）：组织既无机械变形也未经受热作用； （2）热影响区（heat affected zone，HAZ）：受热循环的影响，微观 组织和力学性能发生了变化，但没有发生塑性变形； （3）热机影响区(thermo-mechanically affected zone，简称TMAZ)：经 受了机械变形和热循环的双重作用，微观结构发生了较大的变化；
搅拌摩擦焊是一种经济、高效、高质量的“绿色”焊接技术。
3. 局限性：
需要施加足够大的顶锻力和向前驱动力，同时需要由刚性的装置牢
固地夹持待焊工件。
由于搅拌头的回抽，焊缝末尾会存在“匙孔”，焊接时需要增加 “引焊板”和“出焊板”。
与弧焊相比，FSW缺乏相对的工艺适用性，对工装设备
要求较高，难以应用于复杂焊缝的焊接。
第九章
搅拌摩擦焊
1991年，英国的焊接研究所（The welding institute，简称TWI） 发明搅拌摩擦焊技术（Friction stir welding，简称FSW）。 FSW是一项创新的固态连接技术，最初用于铝合金，现在应用已 经扩展到铜、镁合金、钛合金、钢铁等其他金属以及异种材料之间 的焊接。
显微硬度下降，达到一个极小值后，随着靠近热机影响区至焊核
区，显微硬度又上升至某一极大值。
5. 搅拌摩擦焊接头性能 表1-3 铝合金的搅拌摩擦焊焊接系数比较
Alloy AFX458-T8 2014-T651 (6mm) 2024-T351 (5mm) 2219-T87 2195-T8 5083-O (6-15mm) 6061-T6 (5mm) 7050-T7451 (6.4mm) 7075-T651 Base metal UTS MPa 544.7 479-483 483-493 475.8 593.0 285-298 319-324 545-558 472.3 FSW UTS MPa 362.0 326-338 410-434 310.3 406.8 271-344 217-252 427-441 455.1 Joint efficiency (%) 66 68-70 83-90 65 69 95-119 69-79 77-81 96
前进侧
后退侧
热影响区与热机影响区结合部位
焊核区
铝合金FSW焊核区晶粒尺寸
material Plate thickness (mm) Tool geometry Rotation rate (rpm) Traverse speed (mm/min) Grain size (μm)
7075-T6[45] 6061-T6[46] Al-Li-Cu[40] 7075-T651[47] 6063-T4, T5[48] 6013-T4, T6[41] 1100Al[49] 5454[50] 5083-O[51] 2017-T6 2095[52] Al-Cu-Mg-Ag-T6[53] 2024-T351[54] 7050-T651[55] Al-4Mg-1Zr[56] 7475[57]
同时，搅拌焊头边旋转边沿着接缝与焊件作相对运动，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，前沿高度塑性变形的材料被挤 压到搅拌焊头的背后。在搅拌头轴肩与焊件表层摩擦产热和锻压共同作用下， 形成致密的固相连接接头。
接头形式：多层对接、多层搭接、T形接头、v形接头和角接等
2. 优点：
200 190 180 170
1mm from the top 4mm from the top 2.5mm from the top
维氏硬度/HV
160 150 140 130 120 110 100 -15 -10 -5 0 5 10 15 20
与焊缝中心距离/mm
摩擦搅拌焊缝的硬度分布曲线
接头硬度曲线呈搅拌摩擦焊典型的W型。 大致可区分焊缝横截面的各个典型区域。从基材到热影响区，
6056-T78 (6mm)
Hale Waihona Puke (b)(4) 焊核区（nugget zone，简称NZ）：高温和剧烈的机械变形的双重
作用，这个区域组织一般由细小等轴晶粒构成。
Advancing代表前进侧，此区域搅拌头在焊缝方向的切线速度与搅拌 头行进方向相同；Retreating代表后退侧，此区域搅拌头在焊缝方向的
切线速度与搅拌头行进方向相反。