搅拌摩擦焊搅拌头研究综述

搅拌摩擦焊搅拌头研究综述

搅拌摩擦焊( Friction Stir Welding, 简称FSW) 是由英国焊接研究所( The Welding Institute, 简称TWI) 于1991 年提出的一种固态连接方法。通过搅拌针和轴肩与工件间的摩擦热, 在搅拌

针的附近形成塑性软化层, 软化层在搅拌头高速旋转的作用下填充入搅拌针后方所形成的空腔内, 从而实现可靠的连接。

与弧焊、激光焊、电子束、钎焊和扩散连接等传统焊接方法相比, 搅拌摩擦焊具有焊接温度低、接头残余应力小、焊接工件变形小，晶粒细小, 疲劳性能、拉伸性能和弯曲性能良好、无尘

烟、无气孔、无飞溅、节能、无需焊丝、焊接时不需使用保护气体、焊接后残余应力和变形小等优点。由于搅拌摩擦焊的焊接温度低

于合金元素的熔点, 从而避免了合金内易挥发性元素和低熔点元素的损失, 接头内不易形成气孔和热裂纹等焊接缺陷。由于搅拌摩擦焊的这些优点, 搅拌摩擦焊接头的力学性能较高, 并且能一次完成较长、较大截面、多方位的焊接, 操作便于机械化、自动化, 所消耗的成本也较低。

搅拌摩擦焊最初用于铝合金, 随着研究的深入, 搅拌摩擦焊不仅可以用于铝合金的焊接, 还可以用于铜、钛等其它金属以及不同金属之间的焊接。

搅拌头是搅拌摩擦焊的关键, 最优搅拌头是搅拌摩擦焊获得高质量接头的前提。搅拌头主要由轴肩和搅拌针两部分构成, 其几何形貌和尺寸不仅决定着焊接过程的热输入方式, 还影响

焊接过程中搅拌头附近塑性软化材料的流动形式, 对于给定板厚的材料来说,焊接质量和效率主要取决于搅拌头的形貌和几何设计。因而设计合理的搅拌头是提高焊接质量、获得高性能接头的前提和关键。 1 轴肩研究现状

轴肩在焊接过程中主要起两种作用: ¹通过与工件表面间的摩擦, 提供焊接热源; º提供一个封闭的焊接环境, 以阻止高塑性软化材料从轴肩溢出。常见的几种轴肩形貌如图1 所示, 它们都是在搅拌针和轴肩的交界处中间凹入。在焊接过程中, 这种设计形式可保证轴肩端部下方的软化材料受到向内方向的力的作用,从而有利于将轴肩端部下方形成的软化材料收集到轴肩端面的中心以添充搅拌针后方所形成的空腔, 同时,可减少焊接过程中搅拌头内部的应力集中而保护搅拌针。对于特定的焊接材料, 为了获得最佳的焊接效果, 必须设计出与之相适应的特殊的轴肩几何形貌。

2 搅拌针研究现状

搅拌针在焊接过程中不仅通过与接合面间的摩擦来提供热输入, 更重要的是起到机械搅拌作用, 因而搅拌针的形貌和几何尺寸影响着塑性软化材料的流动形式和被切削材料的体积, 进而影响接头的力学性能。正是由于搅拌针在焊接过程中所发挥的复杂而重要的作用, 人们对搅拌摩擦焊的研究越来越深入, 设计出了多种形式的搅拌针, 以适应各种焊接状态。（1）、柱形搅拌针

搅拌针为柱形时的搅拌头形貌。在搅拌摩擦焊工艺应用的初始阶段, 柱形搅拌针应用得较为广泛, 然而在焊接过程中, 柱形搅拌针周围的软化材料受到指向焊缝根部的力较弱, 软化材料的流动性较差。

（2）、锥形螺纹搅拌针和三槽锥形螺纹

搅拌针(MX- TrifluteTM)是英国焊接研究所( TWI)淘汰柱形搅拌针后设计出的两种搅拌针形貌。锥形螺纹搅拌针和三槽锥形螺纹搅拌针的共同之处是它们都呈平截头体状( 或玻璃杯状) , 而且都带有螺纹。在搅拌针根部直径相同时, 平截头体状搅拌针切削的材料比柱形的

少。据计算, 锥形螺纹搅拌针所切削的材料只有柱形搅拌针的60%, 而三槽锥形螺纹搅拌针所切削的也只有柱形的70%。另外, 平截头体形状搅拌针上的螺纹能促进搅拌头附近的塑性软化材料具有向上运动的趋势。为了改善软化材料的流动路径, 增强其行为,一些研究人员还在搅拌针上设计出平台, 或沟槽。对于三槽锥形螺纹搅拌针, 锥面上开有三个螺旋形的槽, 以减小搅拌针的体积, 增加软化材料的流动性, 同时破坏并分散附着于工件表面上的氧化物（3）、可伸缩式搅拌针

根据针的收缩方式, 可伸缩式搅拌针可分为两种:手动可伸缩式搅拌针和自动伸缩式搅拌针。手动式伸缩搅拌针可以通过调节针长来焊接不同厚度的材料和实现变厚度板材间的连接。自动伸缩式搅拌针不仅具有手动伸缩搅拌针的功能, 还可在焊接即将结束时将搅拌针逐渐缩回到轴肩内, 从而避免形成匙孔缺陷。目前, NASA 宇航局、波音公司以及马歇尔焊接工程中心等部门研制出多种可伸缩式搅拌针, 从而解决了管道和液氧储箱等环缝焊件匙孔消除这一难点。