攪拌摩擦焊

攪拌摩擦焊(FrictionStir Welding簡(jiǎn)稱FSW)是英國(guó)焊接研究所(TWI)于1991年10月提出的發(fā)明專利。攪拌摩擦焊工藝最初主要用于解決鋁合金等低熔點(diǎn)材料的焊接，關(guān)于攪拌摩擦焊工藝的特點(diǎn)和應(yīng)用等，TWI進(jìn)行了較多的研究，并于1993年、1995年分別申請(qǐng)了專利。TWI主要是與航空航天、海洋、道路交通、鋁材廠、焊接設(shè)備制造廠等大公司聯(lián)合，以團(tuán)體贊助或合作的形式開發(fā)這種技術(shù)，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。美國(guó)的愛迪生焊接研究所(Edisonwelding Institute，簡(jiǎn)稱EWI)與TWI密切協(xié)作，也在進(jìn)行FSW工藝的研究。美田的美國(guó)洛克希德·馬丁航空航天公司、馬歇爾航天飛行中心、美國(guó)海軍研究所、Dartmouth大學(xué)、德克薩斯大學(xué)、阿肯色斯大學(xué)、南卡羅利納大學(xué)、德國(guó)的Stuttgart大學(xué)、澳大利亞的Adelaide大學(xué)、澳大利亞焊接研究所等都從不同角度對(duì)攪拌摩擦焊進(jìn)行了專門研究。

攪拌摩擦焊工藝是自激光焊接問世以來最引人注目的焊接方法。它的出現(xiàn)將使鋁合金等有色金屬的連接技術(shù)發(fā)生重大變革。用攪拌摩擦焊方法焊接鋁合金取得了很好的效果?，F(xiàn)如今在英、美等國(guó)正進(jìn)行鋅、銅、鈦、低碳鋼、復(fù)合材料等的攪拌摩擦焊接。攪拌摩擦焊在航空航天工業(yè)領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。

(1)攪拌頭

攪拌頭的成功設(shè)計(jì)是把攪拌摩擦焊應(yīng)用在更大范圍的材料和焊接更寬的厚度范圍的關(guān)鍵。下面主要討論一下攪拌頭的發(fā)展現(xiàn)狀．一般說來，攪拌頭包括兩部分：攪拌探頭和軸肩，而攪拌頭的材料通常都采用硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于被焊材料的材料制成，這樣能夠在焊接過程中將攪拌頭的磨損減至最小。在初期，攪拌頭形狀的合理設(shè)計(jì)是獲得良好機(jī)械性能焊縫的關(guān)鍵。關(guān)于攪拌頭的發(fā)展主要集中在兩個(gè)方面：一個(gè)是帶螺紋的攪拌頭，一個(gè)是帶三個(gè)溝槽的攪拌頭。本質(zhì)上，這兩種攪拌探頭都設(shè)計(jì)成錐體，大大減少了相同半徑圓柱體攪拌探頭的材料卷出量，一般說來，帶三溝槽的攪拌探頭減小了70%，而帶螺紋的攪拌探頭減小了60%。如果使用一個(gè)確定的較小直徑的攪拌探頭，錐形攪拌探頭比圓柱形攪拌探頭更容易進(jìn)入焊件而通過塑性材料，并且減小了攪拌頭的應(yīng)力集中和斷裂可能性。

(2)研究現(xiàn)狀

攪拌摩擦焊在鋁合金上的應(yīng)用越來越廣泛，研究也越來越深入。不僅涉及到各種同種材料的焊接，還研究了大范圍的異種鋁合金的焊接．鋁合金的焊接厚度范圍從lmm到75mm。對(duì)鋁合金焊接接頭的腐蝕性能、力學(xué)性能、組織結(jié)構(gòu)都進(jìn)行了大量的研究。攪拌摩擦焊廣泛應(yīng)用于6061Al/2024Al、2024Al/Ag、2024Al/Cu、6061AI/cu，甚至還適用于6061AI 20%Al2O3/鑄鋁合金A339 10%SiC等合金。

2002年，在中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)-北京航空制造工程研究所與英國(guó)焊接研究所共同簽署關(guān)于攪拌摩擦焊專利技術(shù)許可、技術(shù)研發(fā)及市場(chǎng)開拓等領(lǐng)域的合作協(xié)議的基礎(chǔ)上，中國(guó)第一家專業(yè)化的攪拌摩擦焊技術(shù)授權(quán)公司——中國(guó)攪拌摩擦焊中心即北京賽福斯特技術(shù)有限公司成立，標(biāo)志著攪拌摩擦焊技術(shù)在中國(guó)市場(chǎng)的研發(fā)及工程應(yīng)用工作的正式開啟。

攪拌摩擦焊作為一種多學(xué)科交匯的新方法，可以發(fā)展出縱縫焊接、環(huán)縫焊接、無匙孔焊接、變截面焊接、自支撐雙面焊接、空間3D曲線焊接、攪拌摩擦點(diǎn)焊、回填式點(diǎn)焊、攪拌摩擦焊表面改性處理、攪拌摩擦焊超塑性材料加工等多種連接加工方法和技術(shù)。

歷經(jīng)近十年的快速發(fā)展，賽福斯特公司已成功開發(fā)了60余套攪拌摩擦焊設(shè)備，將攪拌摩擦焊技術(shù)應(yīng)用于我國(guó)航空、航天、船舶、列車、汽車、電子、電力等工業(yè)領(lǐng)域中，創(chuàng)造了可觀的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，為鋁、鎂、銅、鈦、鋼等金屬材料提供了更好的技術(shù)解決方法，為國(guó)內(nèi)外用戶提供了不同類型、不同用途的攪拌摩擦焊工業(yè)產(chǎn)品加工，包括：航天筒體結(jié)構(gòu)件、航空薄壁結(jié)構(gòu)件、船舶寬幅帶筋板、高速列車車體結(jié)構(gòu)、大厚度雷達(dá)面板、汽車輪轂、集裝箱型材壁板、各種結(jié)構(gòu)散熱器及熱沉器等。

攪拌摩擦焊方法與常規(guī)摩擦焊一樣。攪拌摩擦焊也是利用摩擦熱與塑性變形熱作為焊接熱源。不同之處在于攪拌摩擦焊焊接過程是由一個(gè)圓柱體或其他形狀（如帶螺紋圓柱體）的攪拌針(welding pin)伸入工件的接縫處，通過焊頭的高速旋轉(zhuǎn)，使其與焊接工件材料摩擦，從而使連接部位的材料溫度升高軟化。同時(shí)對(duì)材料進(jìn)行攪拌摩擦來完成焊接的。焊接過程如圖《攪拌摩擦焊示意圖》所示。在焊接過程中工件要?jiǎng)傂怨潭ㄔ诒硥|上，焊頭邊高速旋轉(zhuǎn)，邊沿工件的接縫與工件相對(duì)移動(dòng)。焊頭的突出段伸進(jìn)材料內(nèi)部進(jìn)行摩擦和攪拌，焊頭的肩部與工件表面摩擦生熱，并用于防止塑性狀態(tài)材料的溢出，同時(shí)可以起到清除表面氧化膜的作用。

在焊接過程中，攪拌針在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)伸入工件的接縫中，旋轉(zhuǎn)攪拌頭（主要是軸肩）與工件之間的摩擦熱，使焊頭前面的材料發(fā)生強(qiáng)烈塑性變形，然后隨著焊頭的移動(dòng)，高度塑性變形的材料逐漸沉積在攪拌頭的背后，從而形成攪拌摩擦焊焊縫。攪拌摩擦焊對(duì)設(shè)備的要求并不高，最基本的要求是焊頭的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，即使一臺(tái)銑床也可簡(jiǎn)單地達(dá)到小型平板對(duì)接焊的要求。但焊接設(shè)備及夾具的剛性是極端重要的。攪拌頭一般采用工具鋼制成，焊頭的長(zhǎng)度一般比要求焊接的深度稍短。應(yīng)該指出，攪拌摩擦焊縫結(jié)束時(shí)在終端留下個(gè)匙孔。通常這個(gè)匙孔可以切除掉，也可以用其它焊接方法封焊住。針對(duì)匙孔問題，已有伸縮式攪拌頭研發(fā)成功，焊后不會(huì)留下焊接匙孔。

關(guān)于在攪拌摩擦過程中界面原子的運(yùn)動(dòng)仍處于研究階段。

焊接過程中也不需要其它焊接消耗材料，如焊條、焊絲、焊劑及保護(hù)氣體等。唯一消耗的是焊接攪拌頭。

同時(shí)，由于攪拌摩擦焊接時(shí)的溫度相對(duì)較低，因此焊接后結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力或變形也較熔化焊小得多。特別是Al合金薄板熔化焊接時(shí)，結(jié)構(gòu)的平面外變形是非常明顯的，無論是采用無變形焊接技術(shù)還是焊后冷、熱校形技術(shù)，都是很麻煩的，而且增加了結(jié)構(gòu)的制造成本。

攪拌摩擦焊主要是用在熔化溫度較低的有色金屬，如Al、cu等合金。這和攪拌頭的材料選擇及攪拌頭的工作壽命有關(guān)。當(dāng)然，這也和有色金屬熔化焊接相對(duì)困難有關(guān)，迫使人們?cè)谟猩饘俸附訒r(shí)尋找非熔化的焊接方法。對(duì)于延性好、容易發(fā)生塑性變形的黑色材料，經(jīng)輔助加熱或利用其超塑性，也有可能實(shí)現(xiàn)攪拌摩擦焊，但這就要看熔化焊和攪拌摩擦焊哪個(gè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)更合理來決定。

攪拌摩擦焊在有色金屬的連接中已獲得成功的應(yīng)用，但由于焊接方法特點(diǎn)的限制，僅限于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的構(gòu)件，如平直的結(jié)構(gòu)或圓筒形結(jié)構(gòu)的焊接，而且在焊接過程中工件要有良好的支撐或襯墊。原則上，攪拌摩擦焊可進(jìn)行多種位置焊接，如平焊，立焊，仰焊和俯焊；可完成多種形式的焊接接頭，如對(duì)接、角接和搭接接頭，甚至厚度變化的結(jié)構(gòu)和多層材料的連接，也可進(jìn)行異種金屬材料的焊接。

另外，攪拌摩擦焊作為一種固相焊接方法，焊接前及焊接過程中對(duì)環(huán)境的污染小。焊前工件無需嚴(yán)格的表面清理準(zhǔn)備要求，焊接過程中的摩擦和攪拌可以去除焊件表面的氧化膜，焊接過程中也無煙塵和飛濺．同時(shí)噪聲低。由于攪拌摩擦焊僅僅是靠焊頭旋轉(zhuǎn)并移動(dòng)，逐步實(shí)現(xiàn)整條焊縫的焊接，所以比熔化焊甚至常規(guī)摩擦焊更節(jié)省能源。

由于攪拌摩擦焊過程中熱輸入相對(duì)于熔焊過程較小，接頭部位不存在金屬的熔化，是一種固態(tài)焊接過程，在合金中保持母材的冶金性能，可以焊接金屬基復(fù)合材料、快速凝固材料等采用熔焊會(huì)有不良反應(yīng)的材料。

攪拌摩擦焊也存在一定的缺點(diǎn)：

（1）焊接工件必須剛性固定，反面應(yīng)有底板；

（2）焊接結(jié)束攪拌探頭提出工件時(shí)，焊縫端頭形成一個(gè)鍵孔，并且難以對(duì)焊縫進(jìn)行修補(bǔ)；

（3）工具設(shè)計(jì)、過程參數(shù)和機(jī)械性能數(shù)據(jù)只在有限的合金范圍內(nèi)可得；

（4）在某種情況下，如特殊領(lǐng)域中要考慮腐蝕性能、殘余應(yīng)力和變形時(shí)，性能需進(jìn)一步提高才可實(shí)際應(yīng)用；

（5）對(duì)板材進(jìn)行單道連接時(shí)，焊速不是很高；

（6）攪拌頭的磨損消耗太快等。

攪拌摩擦焊技術(shù)是英國(guó)焊接研究所（The Welding Institute，簡(jiǎn)稱 TWI）于1991年發(fā)明的，并于次年在英國(guó)申請(qǐng)了發(fā)明專利，同時(shí)陸續(xù)在世界各國(guó)申請(qǐng)了專利保護(hù)。得到專利保護(hù)并公開以來，攪拌摩擦焊技術(shù)首先并主要在鋁合金、鎂合金等輕金屬結(jié)構(gòu)領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用，同時(shí)在高熔點(diǎn)材料領(lǐng)域也獲得了一定發(fā)展。

攪拌摩擦焊除了具有普通摩擦焊技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)外，還可以進(jìn)行多種接頭形式和不同焊接位置的連接。挪威已建立了世界上第一個(gè)攪拌摩擦焊商業(yè)設(shè)備，可焊接厚3—15mm、尺寸6×16的Al船板；1998年美國(guó)波音公司的空間和防御實(shí)驗(yàn)室引進(jìn)了攪拌摩擦焊技術(shù)，用于焊接某些火箭部件；麥道公司也把這種技術(shù)用于制造Delta運(yùn)載火箭的推進(jìn)劑貯箱。

攪拌摩擦焊的主要優(yōu)點(diǎn)如下：

(1)焊接接頭熱影響區(qū)顯微組織變化?。畾堄鄳?yīng)力比較低，焊接工件不易變形；

(2)能一次完成較長(zhǎng)焊縫、大截面、不同位置的焊接．接頭高：

(3)操作過程方便實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化，設(shè)備簡(jiǎn)單，能耗低，功效高，對(duì)作業(yè)環(huán)境要求低：

(4)無需添加焊絲，焊鋁合金時(shí)不需焊前除氧化膜，不需要保護(hù)氣體，成本低；

(5)可焊熱裂紋敏感的材料，適合異種材料焊接：

(6)焊接過程安全、無污染、無煙塵、無輻射等。

本教材對(duì)攪拌摩擦焊的設(shè)備、技術(shù)、工藝、檢測(cè)、缺陷修復(fù)等方面進(jìn)行了系統(tǒng)的介紹。本教材共分九章，主要內(nèi)容包括攪拌摩擦焊概述、攪拌摩擦焊設(shè)備、攪拌摩擦焊工藝、鋁合金攪拌摩擦焊焊接接頭組織與性能、攪拌摩擦焊缺陷定義及分類、攪拌摩擦焊檢測(cè)技術(shù)、攪拌摩擦焊接頭缺陷修復(fù)工藝技術(shù)、攪拌摩擦焊工藝評(píng)定及標(biāo)準(zhǔn)以及攪拌摩擦焊技術(shù)的發(fā)展，教材中還配有不少應(yīng)用實(shí)例，來進(jìn)一步介紹攪拌摩擦焊技術(shù)的適應(yīng)性，給初學(xué)者以深入淺出的引導(dǎo)。

序

前言

第1章　攪拌摩擦焊概述1

1.1　攪拌摩擦焊的原理1

1.2　攪拌摩擦焊的特點(diǎn)2

1.3　攪拌摩擦焊焊接結(jié)構(gòu)的接頭形式2

1.4　攪拌摩擦焊技術(shù)應(yīng)用3

1.4.1　攪拌摩擦焊技術(shù)在航空航天制造業(yè)的應(yīng)用4

1.4.2　攪拌摩擦焊技術(shù)在船舶制造業(yè)的應(yīng)用6

1.4.3　攪拌摩擦焊技術(shù)在軌道交通制造業(yè)中的應(yīng)用7

1.4.4　攪拌摩擦焊技術(shù)在其他制造業(yè)上的應(yīng)用9

1.5　攪拌摩擦焊技術(shù)的基本術(shù)語10

本章知識(shí)點(diǎn)和技能點(diǎn)11

第2章　攪拌摩擦焊設(shè)備12

2.1　攪拌摩擦焊設(shè)備的分類12

2.1.1　按焊縫空間分布的分類12

2.1.2　按設(shè)備結(jié)構(gòu)形式的分類14

2.2　典型攪拌摩擦焊設(shè)備17

2.2.1　ESABSuperStirTM攪拌摩擦焊設(shè)備17

2.2.2　FW22攪拌摩擦焊設(shè)備17

2.2.3　VARIAX系列攪拌摩擦焊設(shè)備17

2.2.4　國(guó)產(chǎn)攪拌摩擦焊設(shè)備18

2.3　攪拌摩擦焊設(shè)備的結(jié)構(gòu)18

2.3.1　攪拌摩擦焊設(shè)備的主機(jī)19

2.3.2　攪拌摩擦焊設(shè)備的焊接工裝22

2.4　攪拌頭的特點(diǎn)與功能25

2.5　攪拌頭的構(gòu)成與作用25

2.6　攪拌頭材料的選擇26

2.6.1　攪拌頭材料的選擇依據(jù)26

2.6.2　常用攪拌頭材料的性能27

2.7　攪拌頭的設(shè)計(jì)30

2.7.1　攪拌頭的設(shè)計(jì)原則30

2.7.2　不斷發(fā)展的攪拌頭形狀32

2.8　工程常用的攪拌頭35

2.9　攪拌頭的開發(fā)改進(jìn)思路36

2.10　攪拌摩擦焊設(shè)備基本操作與數(shù)控編程37

2.10.1　攪拌摩擦焊設(shè)備基本操作37

2.10.2　數(shù)控編程39

本章知識(shí)點(diǎn)和技能點(diǎn)41

第3章　攪拌摩擦焊焊接工藝42

3.1　攪拌摩擦焊焊接參數(shù)42

3.1.1　焊接速度42

3.1.2　攪拌頭轉(zhuǎn)速43

3.1.3　攪拌頭傾角43

3.1.4　軸肩壓力43

3.1.5　接頭表面狀態(tài)44

3.1.6　攪拌頭對(duì)中偏移量44

3.1.7　焊接裝配45

3.2　攪拌摩擦焊典型焊接參數(shù)46

本章知識(shí)點(diǎn)和技能點(diǎn)48

第4章　鋁合金攪拌摩擦焊焊接接頭組織與性能49

4.1　攪拌摩擦焊焊接接頭組織49

4.1.1　焊縫外觀形貌49

4.1.2　攪拌摩擦焊焊接接頭宏觀組織50

4.1.3　攪拌摩擦焊焊接接頭微觀組織50

4.2　鋁合金攪拌摩擦焊焊接接頭力學(xué)性能55

4.2.1　鋁合金攪拌摩擦焊焊接接頭性能優(yōu)勢(shì)55

4.2.2　攪拌摩擦焊焊接接頭力學(xué)性能56

4.2.3　攪拌摩擦焊焊接接頭力學(xué)性能的各層異性現(xiàn)象58

4.3　接頭顯微硬度58

4.3.1　典型鋁合金攪拌摩擦焊焊接接頭顯微硬度58

4.3.2　焊接參數(shù)對(duì)接頭顯微硬度的影響59

4.3.3　攪拌摩擦焊焊接接頭顯微硬度的各層異性59

4.4　接頭斷口分析60

4.5　案例分析62

4.5.1　5083鋁合金攪拌摩擦焊接頭微觀組織62

4.5.2　斷口形貌62

本章知識(shí)點(diǎn)和技能點(diǎn)64

第5章　攪拌摩擦焊缺陷65

5.1　表面缺陷65

5.1.1　飛邊65

5.1.2　匙孔66

5.1.3　表面下凹66

5.1.4　毛刺67

5.1.5　起皮68

5.1.6　背部粘連68

5.1.7　表面犁溝69

5.2　內(nèi)部缺陷70

5.2.1　未焊透70

5.2.2　弱結(jié)合71

5.2.3　孔洞型缺陷72

5.2.4　結(jié)合面氧化物殘留74

本章知識(shí)點(diǎn)和技能點(diǎn)75

第6章　攪拌摩擦焊檢測(cè)技術(shù)76

6.1　破壞性檢驗(yàn)76

6.2　超聲波檢測(cè)76

6.2.1　超聲波檢測(cè)的原理及特點(diǎn)76

6.2.2　常規(guī)超聲波檢測(cè)77

6.3　相控陣超聲波檢測(cè)79

6.3.1　相控陣超聲波檢測(cè)的基本原理80

6.3.2　相控陣超聲波聲束掃描模式81

6.3.3　相控陣超聲波檢測(cè)特點(diǎn)81

6.3.4　相控陣超聲波檢測(cè)設(shè)備82

6.4　X射線檢測(cè)83

6.4.1　X射線檢測(cè)的原理83

6.4.2　X射線檢測(cè)的特點(diǎn)84

6.4.3　X射線檢測(cè)的應(yīng)用85

6.5　滲透檢測(cè)86

6.5.1　滲透檢測(cè)的原理86

6.5.2　滲透檢測(cè)的分類87

6.5.3　滲透檢測(cè)的特點(diǎn)88

6.5.4　滲透檢測(cè)的應(yīng)用88

本章知識(shí)點(diǎn)和技能點(diǎn)89

第7章　攪拌摩擦焊接頭缺陷修復(fù)工藝技術(shù)90

7.1　攪拌摩擦焊接頭中常見缺陷的修復(fù)方法90

7.2　匙孔處理工藝技術(shù)90

7.3　飛邊處理工藝91

7.4　補(bǔ)焊工藝91

7.5　摩擦塞焊工藝92

7.5.1　摩擦塞焊原理92

7.5.2　摩擦塞焊分類93

7.5.3　摩擦塞焊工藝93

7.6　孔洞型缺陷處理工藝99

本章知識(shí)點(diǎn)和技能點(diǎn)99

第8章　攪拌摩擦焊工藝評(píng)定及標(biāo)準(zhǔn)100

8.1　工藝評(píng)定100

8.1.1　工藝評(píng)定目的100

8.1.2　工藝評(píng)定流程100

8.2　工藝評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)100

8.2.1　國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)100

8.2.2　國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)113

8.2.3　行業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)113

8.2.4　其他標(biāo)準(zhǔn)122

8.2.5　攪拌摩擦焊常見術(shù)語124

本章知識(shí)點(diǎn)和技能點(diǎn)126

第9章　攪拌摩擦焊技術(shù)的發(fā)展127

9.1　雙軸肩攪拌摩擦焊128

9.1.1　固定式雙軸肩攪拌摩擦焊128

9.1.2　浮動(dòng)式雙軸肩攪拌摩擦焊128

9.2　靜軸肩攪拌摩擦焊129

9.3　雙頭攪拌摩擦焊130

9.4　流動(dòng)攪拌摩擦焊131

9.5　復(fù)合熱源攪拌摩擦焊132

9.6　超聲攪拌摩擦復(fù)合焊134

9.7　攪拌摩擦點(diǎn)焊136

9.8　機(jī)器人攪拌摩擦焊139

9.9　水下攪拌摩擦焊140

9.10　陣列射流沖擊熱沉攪拌摩擦焊141

9.11　高熔點(diǎn)材料的攪拌摩擦焊142

本章知識(shí)點(diǎn)和技能點(diǎn)143

參考文獻(xiàn)144 2100433B