攪拌摩擦焊在軍工領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用

李楊鋼 徐元潮

【摘 ?要】攪拌摩擦焊以其獨(dú)特的加工優(yōu)點(diǎn)被應(yīng)用廣泛應(yīng)用于各行業(yè)，不僅成本低、焊接性能好、效率較高、而且綠色環(huán)保。筆者對(duì)攪拌摩擦焊的原理、優(yōu)缺點(diǎn)、焊接程序、研究和運(yùn)用狀況開(kāi)展具體的分析。

【關(guān)鍵詞】攪拌摩擦焊;原理與優(yōu)缺點(diǎn);進(jìn)程;研究現(xiàn)狀與應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TH16 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

攪拌摩擦焊與過(guò)去一般的焊接技術(shù)對(duì)比，其具備成本低、環(huán)保、焊接變形小和高效等特征，被廣泛的應(yīng)用結(jié)構(gòu)制造領(lǐng)域，比如航天航空領(lǐng)域、造船業(yè)以及陸路交通領(lǐng)域。筆者對(duì)攪拌摩擦焊的原理、優(yōu)缺點(diǎn)、焊接程序、研究和運(yùn)用狀況開(kāi)展具體分析。

1 原理與優(yōu)缺點(diǎn)

1.1原理

攪拌摩擦焊（FSW）是采取固相方式連接的一種焊接方法[1]。詳細(xì)進(jìn)程為在攪拌摩擦焊時(shí)，外形為柱形且?guī)п樛古c軸肩的攪拌頭，旋轉(zhuǎn)焊接進(jìn)入被焊接工件中。此時(shí)，攪拌頭與被焊接的工件摩擦迸發(fā)很多熱量，將工件部分熱塑化。而后攪拌工具沿著待焊界面處轉(zhuǎn)移時(shí)，熱塑化的部分被攪拌頭從前部攪動(dòng)到后部，同時(shí)該處材料在攪拌工具的機(jī)械鍛造下，完成工件之間的固相連接。

1.2 優(yōu)點(diǎn)

1.攪拌摩擦焊是經(jīng)過(guò)材料熱塑性完成，焊接一致性較高，焊縫質(zhì)量良好無(wú)熱裂痕、無(wú)雜質(zhì)等缺點(diǎn)而且不存在焊接氣孔等熔焊弊端[2]。2.簡(jiǎn)化工序，焊接時(shí)不需開(kāi)坡口，不需要填充物和焊接使用氣。3.綠色環(huán)保，攪拌摩擦焊接進(jìn)程中只產(chǎn)生低能量，而且不產(chǎn)生輻射、有害煙霧、焊接飛濺，完成了焊接進(jìn)程的綠色環(huán)保。4.焊接性能優(yōu)越，焊縫處產(chǎn)生較低的殘余應(yīng)力，焊縫的強(qiáng)度與韌性高，成分與母體材質(zhì)一致，提高了焊接穩(wěn)定性，節(jié)省了維護(hù)成本。5.異質(zhì)合金焊接，攪拌摩擦焊可完成異質(zhì)合金的焊接，甚至用其他熔焊方法不能實(shí)現(xiàn)的焊接組合制品。

1.3 缺點(diǎn)

攪拌摩擦焊的弊端基本包括以下幾點(diǎn)：1.必須剛性固定待加工工件。2.所成型的焊縫對(duì)于加強(qiáng)焊波形成阻礙，因而不可使用填角焊接方法進(jìn)行焊接;3.攪拌頭是一種耗材，因此經(jīng)常進(jìn)行更換。目前焊接鋁合金的攪拌頭壽命一般為500～1000米。

2 焊接進(jìn)程

軍用時(shí)攪拌摩擦焊進(jìn)程一般包括以下：1.酸洗去除氧化層。2.將焊接物拼裝。3.將焊接物定位、壓緊、限位。4.點(diǎn)焊定位。5.光刀壓焊。6.帶螺紋的刀頭開(kāi)始攪拌摩擦焊。7.摩擦焊完成后，去除表面焊縫處多余物。8.液壓機(jī)加熱、壓平、校直。具體進(jìn)程與原因分析如下：1.鋁合金在空氣中會(huì)被氧化，因而，需要將機(jī)加工后的鋁合金板經(jīng)過(guò)酸洗，去除氧化層后，再進(jìn)行焊接。2.酸洗后，將需要焊接零件進(jìn)行拼裝。3.用夾具定位、限位、壓緊。4.在正式焊接前，先點(diǎn)焊將焊接物初步固定。5.用光刀壓焊。6.用帶螺紋的刀頭進(jìn)行攪拌摩擦焊。7.焊接結(jié)束后焊縫處留有多余焊渣，將焊渣鏟除干凈。8.由于攪拌摩擦焊后，板料產(chǎn)生較大變形，影響后續(xù)機(jī)加工，故用液壓機(jī)加熱，壓平，校直。

3 攪拌摩擦焊的研究狀況

現(xiàn)有的攪拌摩擦焊鋁合金焊接方面包含的接頭種類諸多[3]，類型具體有對(duì)接、搭接、型接、角接等，而且完成了鎂合金、銅、鋁合金等諸多材質(zhì)的焊接;而且有限元分析也廣泛應(yīng)用于攪拌摩擦焊，借助有限元仿真，計(jì)算出高溫鋼在攪拌摩擦焊加工時(shí)的溫度情況，而且改進(jìn)了相應(yīng)的熱場(chǎng)力學(xué)的三維模型;另外對(duì)焊接后的產(chǎn)品進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)的研究技術(shù)也日漸成熟;關(guān)于鋁合金和鎂合金相接之間的混成物的形成研究也逐步增多;為了更加優(yōu)化設(shè)計(jì)攪拌頭，對(duì)攪拌頭的直徑尺寸進(jìn)行了相應(yīng)的研究;在設(shè)計(jì)優(yōu)化工藝參數(shù)時(shí)，相干文獻(xiàn)分析了兩種不同型號(hào)鋁合金在攪拌摩擦焊時(shí)的設(shè)置參數(shù)，優(yōu)化了攪拌摩擦焊的焊接性能。

4 攪拌摩擦焊的運(yùn)用

攪拌摩擦焊運(yùn)用以來(lái)，就是綠色焊接技術(shù)的標(biāo)桿，憑借明顯的特點(diǎn)，在以下諸多領(lǐng)域被大量的運(yùn)用和研究[4]。

（1）航天航空中方面：借助攪拌摩擦焊，美國(guó)航空部門(mén)完成了鋁質(zhì)燃料箱的拼焊，然后發(fā)現(xiàn)借助該焊接技術(shù)的鋁合金具備很好的抗腐蝕功能。另外應(yīng)用于火箭的中心助推器和低溫燃料筒、中間艙段和壓力貯箱、飛機(jī)蒙皮和衍樑、筋條和加強(qiáng)件之間的連接，框架、飛機(jī)內(nèi)壁板和下部地板的連接、飛機(jī)燃料箱、油箱、熔焊結(jié)構(gòu)件的修葺等范疇。

（2）造船業(yè)方面：適用于船體外殼、壁板、側(cè)板拼板、甲板以及飛機(jī)升降場(chǎng)地等結(jié)構(gòu)中。并且攪拌摩擦焊基本替代了以往的船舶增強(qiáng)件的制作形式，在船舶輕質(zhì)合金制作成型的構(gòu)件中得到運(yùn)用，時(shí)間成本降低、質(zhì)量與可靠性得到保障。

（3）陸路交通方面：主要運(yùn)用于集裝箱、軌道和高速列車(chē)等。而汽車(chē)領(lǐng)域的攪拌摩擦焊的運(yùn)用范圍主要包括：車(chē)體的支架盤(pán)、引擎結(jié)構(gòu)等零部件上。如Alstom、DanStir兩家歐洲企業(yè)對(duì)汽車(chē)結(jié)構(gòu)件的攪拌焊接技術(shù)展開(kāi)分析。日立公司借助該焊接技術(shù)完成了在單、雙層的擠壓焊接連接上。列車(chē)制造方面，長(zhǎng)春客車(chē)集團(tuán)公司通過(guò)采購(gòu)靜龍門(mén)式摩擦焊接設(shè)施，完成了車(chē)鉤座的批量焊接任務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]廖艷.攪拌摩擦焊的研究現(xiàn)狀及前景展望[J].山東工業(yè)技術(shù)，2018（05）：9.

[2]蔡云.材料性能對(duì)鋁合金攪拌摩擦焊焊縫成形的影響[J].時(shí)代農(nóng)機(jī)，2018，45（05）：56-57.

[3]徐安蓮.淺析輕量化產(chǎn)品的綠色焊接技術(shù)——攪拌摩擦焊[J].中國(guó)戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)，2018（24）：167.

[4]張?chǎng)?，韓冬，吳軍，等.攪拌摩擦焊設(shè)備和控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀[J].熱加工工藝，2018，47（05）：10-14.

（作者單位：江蘇自動(dòng)化研究所）