攪拌摩擦焊技術(shù)

桑洋濤 姜賢峰

摘 要：攪拌摩擦焊（FSW）是近年來(lái)由英國(guó)焊接研究所（TWI）發(fā)明的一種新型固相連接技術(shù)。同傳統(tǒng)的熔化焊相比，其接頭不會(huì)產(chǎn)生與熔化有關(guān)的一些如裂紋、氣孔及合金元素?zé)龘p等焊接缺陷；焊接過(guò)程中無(wú)須填充材料、保護(hù)氣體；焊接前無(wú)須進(jìn)行復(fù)雜的處理工作；焊接時(shí)能量消耗比傳統(tǒng)焊接方法低。此外，焊接過(guò)程中無(wú)弧光輻射、煙塵和飛濺，噪音低，因而攪拌摩擦焊是一種高質(zhì)量、高效率、低成本的"綠色焊接方法"，具有廣闊的應(yīng)用前景。本文對(duì)攪拌摩擦焊技術(shù)進(jìn)行了概述，旨在為攪拌摩擦焊技術(shù)推廣應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：攪拌摩擦焊；固相連接技術(shù)；推廣應(yīng)用

1引言

摩擦焊是一種壓焊方法，它是在外力作用下，利用焊件接觸面之間的相對(duì)摩擦運(yùn)動(dòng)和塑性變形所產(chǎn)生的熱量，使接觸面及附近區(qū)域的材料達(dá)到熱塑性狀態(tài)，并產(chǎn)生適當(dāng)?shù)暮暧^塑性變形，通過(guò)兩側(cè)材料間的相互擴(kuò)散和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶而完成焊接。由于摩擦焊技術(shù)具有優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)使其在航空航天、核能、海洋開(kāi)發(fā)等高技術(shù)領(lǐng)域及傳統(tǒng)制造業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。然而傳統(tǒng)摩擦焊焊接過(guò)程中必須有一個(gè)工件是回轉(zhuǎn)體，主要用于圓形截面盤(pán)軸類(lèi)零件的焊接，因而其應(yīng)用受到了一定的限制。

雖然攪拌摩擦焊技術(shù)開(kāi)發(fā)時(shí)間還不長(zhǎng)，但已受到工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的高度重視。美國(guó)幾家著名的航空公司爭(zhēng)相獲取了使用攪拌摩擦焊的專(zhuān)利許可證，并投入大量資金用于開(kāi)發(fā)、應(yīng)用攪拌摩擦焊技術(shù)。美國(guó)波音公司己將該種新工藝用來(lái)生產(chǎn)航空航天各種鋁合金容器。如火箭運(yùn)載工具、液氧箱、燃料箱等?？罩锌蛙?chē)公司應(yīng)用攪拌摩擦焊技術(shù)成功地焊接了機(jī)翼結(jié)構(gòu)。瑞典ESAB公司按許可證制造了專(zhuān)用焊接設(shè)備——Super-stir攪拌摩擦焊機(jī)，并己獲得實(shí)際應(yīng)用。目前，攪拌摩擦焊技術(shù)已能夠用來(lái)焊接鋁及鋁合金、銅及銅合金、鎂合金、欽合金、鉛、鋅等有色金屬材料，甚至能夠用于焊接黑色金屬。可以相信，隨著對(duì)攪拌摩擦焊技術(shù)研究工作的深入，其應(yīng)用范圍會(huì)越來(lái)越廣。

2攪拌摩擦焊

2.1攪拌摩擦焊工作原理

攪拌摩擦焊也是利用摩擦熱作為焊接熱源的一種固相連接方法，但與常規(guī)摩擦焊有所不同。在進(jìn)行攪拌摩擦焊接時(shí)，首先將工件牢牢地固定在工作平臺(tái)上，然后，攪拌焊頭高速旋轉(zhuǎn)并將攪拌焊針插入工件的接縫處，直至攪拌焊頭的肩部與工件表面緊密接觸，攪拌焊針高速旋轉(zhuǎn)與其周?chē)覆哪Σ廉a(chǎn)生的熱量和攪拌焊頭的肩部與工件表面摩擦產(chǎn)生的熱量共同作用，使接縫處材料溫度升高而軟化，同時(shí)，攪拌焊頭邊旋轉(zhuǎn)邊沿著接縫與工件作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，攪拌焊頭前面的材料發(fā)生強(qiáng)烈的塑性變形。隨著攪拌焊頭向前移動(dòng)，高度塑性變形的材料被擠壓到攪拌焊頭的背后，肩部所施加的鍛造力使接縫處的變形金屬通過(guò)相互擴(kuò)散與再結(jié)晶而牢固地結(jié)合在一起，從而完成攪拌摩擦焊接過(guò)程，如圖1所示。

2.2攪拌摩擦焊特點(diǎn)

1.攪拌摩擦焊接過(guò)程中，被焊材料未經(jīng)歷熔化過(guò)程，仍處于固相狀態(tài)，因而其接頭不會(huì)產(chǎn)生與凝固冶金有關(guān)的一些如裂紋、氣孔以及合金元素的燒損等焊接缺陷和脆化現(xiàn)象，適于焊接鋁、銅、鉛、欽、鋅、鎂等有色金屬及其合金以及鋼鐵材料、復(fù)合材料等，也可用于異種材料的連接。

2由于焊接過(guò)程中攪拌焊頭的攪拌及向下的鍛造力的共同作用，使焊縫區(qū)材料產(chǎn)生了一些力學(xué)冶金效應(yīng)，如動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，從而導(dǎo)致焊縫區(qū)金屬為鍛造組織，晶粒細(xì)化，組織致密，夾雜物彌散分布。此外，攪拌摩擦焊焊接時(shí)間短，熱輸入量小，熱影響區(qū)窄，熱影響區(qū)組織無(wú)明顯變化，因而其接頭綜合性能較好。

3.焊接過(guò)程中無(wú)須填充材料、保護(hù)氣體，焊前無(wú)須對(duì)焊件表面預(yù)處理，焊接過(guò)程中無(wú)須施加保護(hù)措施，焊接時(shí)能量消耗比傳統(tǒng)焊接方式，因而攪拌摩擦焊成本低、效率高。

4.攪拌摩擦焊接時(shí)熱量主要是通過(guò)攪拌焊頭與工件摩擦而產(chǎn)生的，比普通摩擦焊的熱效率高，可焊接較厚的工件，如攪拌摩擦焊焊接鋁合金板件，對(duì)接單面焊厚度約為1.2-50 mm，雙面焊厚度可達(dá)100 mm。

5.由于不是依靠?jī)珊讣鄬?duì)摩擦來(lái)進(jìn)行焊接，根本上改變了傳統(tǒng)的摩擦焊只能焊接簡(jiǎn)單斷面的局限性，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。

6.焊接變形小，焊件尺寸精度較高。由于攪拌摩擦焊為固相焊接，其加熱過(guò)程具有能量密度高、熱輸入速度決等特點(diǎn)因而焊接變形小，焊后殘余應(yīng)力小。在保證焊接設(shè)備具有足夠大的剛度、焊件裝配定位精確以及嚴(yán)格控制焊接參數(shù)的條件下，焊件的尺寸精度高。

7.攪拌摩擦焊工藝參數(shù)少，焊接設(shè)備簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，從而使焊接操作十分簡(jiǎn)便，焊機(jī)運(yùn)行和焊接質(zhì)量的可靠性大大提高。

8.焊接過(guò)程中無(wú)弧光輻射、煙塵和飛濺，噪音低，因而攪拌摩擦焊是一種高質(zhì)量、低成本的“綠色焊接方法”。

結(jié)束語(yǔ)

攪拌摩擦焊與常規(guī)摩擦焊相比，其不受軸類(lèi)零件的限制，可進(jìn)行板材的對(duì)接、搭接、角接及全位置焊接。與傳統(tǒng)的熔化焊方法相比，攪拌摩擦焊接頭不會(huì)產(chǎn)生與熔化有關(guān)的如裂紋、氣孔及合金元素的燒損等焊接缺陷；焊接過(guò)程中不需要填充材料和保護(hù)氣體，焊接前無(wú)須進(jìn)行復(fù)雜的預(yù)處理，焊接后殘余應(yīng)力和變形小；焊接時(shí)無(wú)弧光輻射、煙塵和飛濺，噪音低。因而，攪拌摩擦焊是一種經(jīng)濟(jì)、高效、高質(zhì)量的“綠色焊接工藝”。

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