攪拌摩擦焊在汽車工業(yè)中的應(yīng)用

司福建

無(wú)錫威唐新能源科技有限公司 江蘇無(wú)錫 214115

1 序言

1991年，攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding，F(xiàn)SW）由英國(guó)焊接研究所（TWI）發(fā)明，屬于固相連接技術(shù)范疇。攪拌摩擦焊的發(fā)明，最初是希望解決在航天領(lǐng)域中應(yīng)用到的輕質(zhì)金屬材料（鋁、鎂合金等）連接接頭性能弱化的問(wèn)題。該技術(shù)依靠高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭與兩待焊工件接觸產(chǎn)生摩擦熱，使接縫處金屬產(chǎn)生塑性軟化，旋轉(zhuǎn)的攪拌頭周圍塑性軟化金屬受到攪拌擠壓，并隨攪拌針的旋轉(zhuǎn)沿焊縫前進(jìn)方向向后退方流動(dòng)，塑性金屬待攪拌針離開冷卻后形成焊縫，實(shí)現(xiàn)了固相連接（見(jiàn)圖1）[1-3]。因?yàn)閿嚢枘Σ梁羔槍?duì)輕質(zhì)材料焊接所展現(xiàn)出的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，所以它被譽(yù)為“20世紀(jì)焊接領(lǐng)域中繼激光焊之后的又一項(xiàng)革命性焊接技術(shù)”[4]。

在汽車制造領(lǐng)域，傳統(tǒng)燃油汽車車身結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用鋼鐵材料，輕質(zhì)材料應(yīng)用較少，但隨著新能源汽車的發(fā)展，續(xù)航里程成為顧客使用體驗(yàn)的主要影響因素。在目前技術(shù)條件下，提升汽車的輕量化水平是增加新能源汽車?yán)m(xù)航里程的一個(gè)有效可行的方式，因此輕質(zhì)材料獲得了越來(lái)越多的應(yīng)用。針對(duì)傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)車身，電阻點(diǎn)焊、MIG/MAG、激光焊等是主要的連接方式，具有工藝成熟穩(wěn)定、連接成本低、效率高等特點(diǎn)。但隨著新材料的應(yīng)用，尤其是鋁合金材料的大范圍應(yīng)用，傳統(tǒng)的連接工藝存在質(zhì)量不穩(wěn)定，適用性差，電極壽命短，易出現(xiàn)氣孔、裂紋，以及焊接變形大等問(wèn)題，難以適應(yīng)新的發(fā)展需求。因此，開發(fā)新型連接工藝成為新能源汽車車身連接領(lǐng)域的一項(xiàng)重要課題。由于在輕質(zhì)材料及異種材料連接上的天然優(yōu)勢(shì)以及良好的綜合成本，所以攪拌摩擦焊在汽車制造過(guò)程中正發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

圖1 攪拌摩擦焊過(guò)程原理

2 攪拌摩擦焊技術(shù)特點(diǎn)

相較于傳統(tǒng)熔化焊，攪拌摩擦焊技術(shù)具有適用范圍廣、接頭質(zhì)量高、焊接成本低及綠色環(huán)保等特點(diǎn)，在輕質(zhì)材料尤其是鋁合金連接領(lǐng)域具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

2.1 優(yōu)質(zhì)的焊接接頭

由于特殊的理化性能（固/液態(tài)溶氫能力差、線膨脹系數(shù)大等），故輕質(zhì)材料尤其是鋁合金應(yīng)用傳統(tǒng)熔化焊進(jìn)行焊接時(shí)很容易出現(xiàn)氣孔、裂紋等焊接缺陷；并且由于合金元素的燒損及較大的熱輸入，接頭軟化現(xiàn)象較為明顯，所以難以獲得理想的焊接接頭。

攪拌摩擦焊屬于固相連接，焊接過(guò)程中母材不發(fā)生熔化和凝固過(guò)程，為此完全避免了鋁合金熔化焊中因材料熔化及凝固過(guò)程而帶來(lái)的氣孔、裂紋及合金元素?zé)龘p等問(wèn)題，從根本上解決了鋁合金焊接難題。同時(shí)，攪拌摩擦焊類似于鍛造的壓力加工過(guò)程，最終形成致密的鍛造組織，不同于熔化焊形成的鑄造組織接頭，接頭力學(xué)性能（強(qiáng)度、塑性、疲勞性能等）明顯優(yōu)于傳統(tǒng)熔化焊（見(jiàn)圖2）。

圖2 攪拌摩擦焊和熔化焊接頭組織對(duì)比

2.2 良好的工藝適用性

相對(duì)于鋁合金焊接中常用的傳統(tǒng)熔化焊（TIG/MIG），攪拌摩擦焊的工藝適用性更廣。在高強(qiáng)鋁合金（2xxx系、7xxx系等）焊接方面，由于材料的焊接性差，故傳統(tǒng)的熔化焊（TIG/MIG）很容易出現(xiàn)焊接裂紋、氣孔等缺陷，并且熔化焊接頭軟化嚴(yán)重，接頭強(qiáng)度僅能達(dá)到母材強(qiáng)度的50%～70%，難以獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭。攪拌摩擦焊由于其固相連接特性，所以從根本上避免了接頭熔化和凝固過(guò)程中形成缺陷的可能，有效解決了高強(qiáng)鋁合金的焊接難題。目前，在航天領(lǐng)域已批量應(yīng)用攪拌摩擦焊進(jìn)行高強(qiáng)鋁合金火箭貯箱的焊接（見(jiàn)圖3）。

此外，在異種材料連接中，由于材料的理化特性差異明顯，性能差異巨大，傳統(tǒng)焊接方法很容易產(chǎn)生裂紋、脆性相及未熔合等焊接缺陷，難以實(shí)行有效連接。攪拌摩擦焊由于其固相連接、低熱輸入屬性，可有效地控制異質(zhì)材料連接時(shí)界面處脆性金屬間化合物的形成，避免接頭過(guò)熱帶來(lái)的明顯軟化現(xiàn)象，因此在異種材料連接方面具有很大的優(yōu)勢(shì)，有望突破異種材料焊接的難題。

圖3 火箭貯箱攪拌摩擦焊

2.3 綠色高效的焊接過(guò)程

同傳統(tǒng)熔化焊相比，攪拌摩擦焊焊接過(guò)程中無(wú)弧光輻射、煙塵、飛濺、噪聲及輻射等污染，是一種綠色環(huán)保的焊接技術(shù)。同時(shí)，也明顯地改善了焊接從業(yè)人員的工作環(huán)境，減少工藝過(guò)程對(duì)焊接人員身體造成的損傷。

攪拌摩擦焊無(wú)需焊絲、保護(hù)氣等耗材，常規(guī)鋁合金焊接用φ3mm攪拌頭使用壽命可長(zhǎng)達(dá)數(shù)千米，焊接速度一般可超過(guò)1000mm/min，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)熔化焊，并且攪拌摩擦焊設(shè)備及工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，對(duì)操作人員的技術(shù)要求遠(yuǎn)低于熔化焊。在厚板焊接場(chǎng)景下，攪拌摩擦焊可實(shí)現(xiàn)單層單道焊接深度最大達(dá)100mm，相比傳統(tǒng)熔化焊需采用的多層多道焊方式，焊接效率大幅提高。因此，攪拌摩擦焊的綜合使用成本明顯低于熔化焊，是一種更為經(jīng)濟(jì)高效的焊接方式。

3 攪拌摩擦焊在汽車工業(yè)中的應(yīng)用

新能源汽車的發(fā)展增加了對(duì)汽車輕量化的需求，以鋁合金為代表的輕質(zhì)材料得到更大范圍應(yīng)用。鋁合金的理化特性與傳統(tǒng)用鋼有很大不同，因此對(duì)新的連接工藝有了更大的需求。目前，攪拌摩擦焊在新能源汽車領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中于三電系統(tǒng)、車身連接及輪轂焊接等。

3.1 在新能源汽車三電系統(tǒng)中的應(yīng)用

新能源汽車三電系統(tǒng)包括電池包、電動(dòng)機(jī)、電控設(shè)備，是新能源汽車的核心零部件。由于輕量化的需求，所以三電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)件大量采用鋁合金進(jìn)行制造，是攪拌摩擦焊技術(shù)應(yīng)用的主要場(chǎng)景。

目前，擠壓鋁合金拼焊結(jié)構(gòu)是電池包下箱體的主流設(shè)計(jì)方案，通過(guò)定制截面的擠壓鋁型材拼焊及加工來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。相對(duì)于傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)及壓鑄鋁合金結(jié)構(gòu)下箱體，具有設(shè)計(jì)靈活、擴(kuò)展性強(qiáng)、易實(shí)現(xiàn)平臺(tái)化設(shè)計(jì)，以及加工工藝成熟等特點(diǎn)，同時(shí)在性能上具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)、剛度高、抗振動(dòng)和擠壓及沖擊性能優(yōu)異等優(yōu)點(diǎn)。

在電池包下箱體中，攪拌摩擦焊的應(yīng)用場(chǎng)景主要有：底板型材拼焊、底板總成和邊框總成拼焊（見(jiàn)圖4）。在底板型材拼焊中，一般采用雙面焊接方式，可減小焊接變形，單面焊接深度3～4mm即可滿足對(duì)接接頭強(qiáng)度要求。但由于焊接量大，拼焊后底板寬幅大，而底板作為電池模組的承載部位，故其對(duì)平面度通常有較高要求，從而使焊接變形的控制成為一個(gè)難題。

圖4 攪拌摩擦焊焊接電池包下箱體

目前，對(duì)于焊接變形的解決方法主要有以下3種。

1）增大單塊型材寬度，從而減少焊縫數(shù)量，減小焊接變形。目前常用底板型材寬度為200～450mm，適當(dāng)增大型材寬度可有效減小底板變形，但型材寬度過(guò)大將導(dǎo)致型材擠壓難度增大，模具及擠壓成本快速上升，綜合成本提高。

2）焊接工藝的調(diào)整。包括焊接工裝控制，在焊接工裝中采用水冷散熱、反變形控制等方法，可有效減少焊接變形；焊接順序的調(diào)整，結(jié)合有限元分析，預(yù)測(cè)不同焊接順序的殘余變形，做出有針對(duì)性的優(yōu)化。

3）采用沖壓鋁板替代型材拼焊，取消底板拼焊工序，這是目前部分箱體中采用的設(shè)計(jì)方案，簡(jiǎn)化了底板平面度控制的問(wèn)題。

整拼底板與邊框背部拼接環(huán)縫一般采用攪拌摩擦焊，焊接效率高，接頭密封性好，且可采用不同規(guī)格的攪拌頭來(lái)滿足不同強(qiáng)度要求。在應(yīng)用中，底板與邊框的裝配對(duì)接間隙、錯(cuò)邊量是需要重點(diǎn)控制的因素，會(huì)對(duì)焊接接頭質(zhì)量的穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。底板型材和總成拼焊如圖5所示。

液冷散熱器件包括液冷板、液冷電動(dòng)機(jī)殼、液冷電控盒等，是攪拌摩擦焊的另一個(gè)主要應(yīng)用場(chǎng)景（見(jiàn)圖6）。鋁合金液冷散熱器件傳統(tǒng)連接密封采用釬焊工藝，但存在接頭強(qiáng)度低、對(duì)零件加工及裝配要求高、適用性差（適用于1xxx系、3xxx系、部分6xxx系合金等）、工藝復(fù)雜及成本高等問(wèn)題。但攪拌摩擦焊完美地解決了釬焊存在的上述問(wèn)題，目前在液冷散熱器件焊接上基本實(shí)現(xiàn)了對(duì)釬焊的替代應(yīng)用。

圖5 底板型材和總成拼焊

圖6 鋁合金液冷電動(dòng)機(jī)殼和電控盒焊接

在電池包結(jié)構(gòu)件中，銅排（T2純銅）、鋁排（工業(yè)純鋁）有很大的應(yīng)用需求。基于其理化特性，需要將銅排、鋁排進(jìn)行連接，以充分利用銅的優(yōu)異導(dǎo)電性和鋁的低成本優(yōu)勢(shì)。目前，鋁銅模組匯流排主要通過(guò)超聲波焊接方式進(jìn)行連接，但存在接頭連接強(qiáng)度弱，限于薄板搭接接頭，難以進(jìn)行對(duì)接焊，以及容易出現(xiàn)虛焊等問(wèn)題，成為制約鋁銅模組匯流排發(fā)展的主要問(wèn)題。

鋁/銅攪拌摩擦焊可以有效解決目前存在的問(wèn)題，獲得優(yōu)質(zhì)的焊接接頭，現(xiàn)已在銅排/鋁排連接上獲得部分應(yīng)用，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益（見(jiàn)圖7）。

圖7 銅排/鋁排攪拌摩擦焊

3.2 汽車車身連接應(yīng)用

受限于車身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，難以在焊接部位實(shí)現(xiàn)剛性支撐，因而攪拌摩擦焊在車身連接上的應(yīng)用主要表現(xiàn)為攪拌摩擦點(diǎn)焊技術(shù)的應(yīng)用。攪拌摩擦點(diǎn)焊（Friction Stir Spot Welding，F(xiàn)SSW）是在“線性”攪拌摩擦焊基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的一種創(chuàng)新的摩擦焊技術(shù)。攪拌摩擦點(diǎn)焊冶金連接產(chǎn)生在攪拌頭周圍形成的一種圓環(huán)狀攪拌區(qū)域與材料發(fā)生重結(jié)晶的區(qū)域中，這一區(qū)域在攪拌工具旋轉(zhuǎn)、擠壓、粉碎等機(jī)械力作用下，形成致密組織結(jié)構(gòu)，賦予攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭優(yōu)異的力學(xué)性能[5]。相較于傳統(tǒng)的電阻點(diǎn)焊在鋁合金連接上存在的電極壽命短、焊接質(zhì)量不穩(wěn)定、能耗高等問(wèn)題，攪拌摩擦點(diǎn)焊具有焊接工具使用壽命長(zhǎng)、接頭強(qiáng)度高、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)攪拌摩擦點(diǎn)焊可實(shí)現(xiàn)異種材料的連接，在車身連接上具有廣闊的發(fā)展前景。

目前，攪拌摩擦點(diǎn)焊主要有兩種技術(shù)路線：

第一種為日本馬自達(dá)公司發(fā)明的“帶有匙孔攪拌摩擦點(diǎn)焊技術(shù)”，該技術(shù)采用的設(shè)備與普通攪拌摩擦焊設(shè)備相似，焊接過(guò)程分為3個(gè)階段：壓入過(guò)程、連接過(guò)程、回撤過(guò)程。該技術(shù)過(guò)程簡(jiǎn)單，連接效率高，但匙孔的存在造成接頭承載面積下降，影響接頭外觀和力學(xué)性能[6]。該技術(shù)已在馬自達(dá)RX-8車型上進(jìn)行了應(yīng)用，連接鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)罩和后門（見(jiàn)圖8）。

圖8 帶匙孔攪拌摩擦點(diǎn)焊過(guò)程及應(yīng)用

第二種為原德國(guó)GKSS中心發(fā)明的“回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊技術(shù)”，通過(guò)攪拌針與軸套的配合運(yùn)動(dòng)可以有效解決匙孔殘留問(wèn)題，消除焊接匙孔。其主要工藝過(guò)程如下：①摩擦預(yù)熱階段。攪拌工具壓緊于工件表面并通過(guò)軸套與攪拌針的旋轉(zhuǎn)摩擦，對(duì)待焊部位進(jìn)行預(yù)熱。②軸套下壓及攪拌針回抽。軸套的旋轉(zhuǎn)下壓實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程，攪拌針回抽容納擠出的焊接材料。③軸套回抽及攪拌針下壓。實(shí)現(xiàn)焊接材料的進(jìn)一步攪拌熔合，并填充焊接匙孔。④磨平形成焊點(diǎn)。當(dāng)攪拌針和軸套重回壓緊套平面，將焊點(diǎn)磨平，攪拌工具整體從工件表面移走，完成焊接過(guò)程（見(jiàn)圖9）。

圖9 回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊過(guò)程及焊點(diǎn)

相比之下，回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊焊接過(guò)程復(fù)雜，效率較低，對(duì)設(shè)備的剛性及控制要求更高，但可實(shí)現(xiàn)無(wú)匙孔焊接，表面成形美觀，接頭質(zhì)量及強(qiáng)度均明顯優(yōu)于帶有匙孔攪拌摩擦點(diǎn)焊，在車身連接上具有很好的發(fā)展前景。目前，已有企業(yè)研發(fā)出機(jī)器人攪拌摩擦點(diǎn)焊設(shè)備，采用C形焊鉗結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)鋁合金車身薄板搭接焊（見(jiàn)圖10）。

圖10 攪拌摩擦點(diǎn)焊機(jī)器人

3.3 汽車輪轂的攪拌摩擦焊

汽車輪轂焊接是攪拌摩擦焊在汽車工業(yè)應(yīng)用的又一場(chǎng)景。傳統(tǒng)鋁合金汽車輪轂采用整體低壓鑄造或鍛造工藝生產(chǎn)。鑄造具有成本優(yōu)勢(shì)，但產(chǎn)品性能略差；鍛造產(chǎn)品性能好，但生產(chǎn)工藝復(fù)雜，成本較高。攪拌摩擦焊可將這兩種工藝優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)，同時(shí)又具有較好的綜合成本優(yōu)勢(shì)。

鋁合金攪拌摩擦焊焊接輪轂中輪輻采用鑄造工藝加工，輪輞采用旋壓工藝加工，然后通過(guò)攪拌摩擦焊將輪輻和輪輞進(jìn)行連接。該加工方案中，輪輞可以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，可顯著降低生產(chǎn)成本；輪輻采用定制化鑄造生產(chǎn)，但相比整體鑄造，模具成本及產(chǎn)品質(zhì)量控制都有明顯改善，同時(shí)多種工藝的應(yīng)用可滿足不同部位對(duì)材料性能的不同要求，有利于實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)。目前，輪轂攪拌摩擦焊技術(shù)在汽車工業(yè)中已有批量應(yīng)用，北京賽福斯特技術(shù)有限公司和航天工程裝備（蘇州）公司分別已向韓國(guó)和歐洲出口了整條輪轂攪拌摩擦焊生產(chǎn)線（見(jiàn)圖11）。

圖11 賽福斯特輪轂攪拌焊設(shè)備

4 攪拌摩擦焊技術(shù)的發(fā)展方向

近些年，攪拌摩擦焊技術(shù)已經(jīng)獲得了快速發(fā)展，但目前依舊存在一些問(wèn)題需要解決。

（1）更高效的焊接工藝 隨著新能源汽車規(guī)模的快速增大，需要更高效的攪拌摩擦焊技術(shù)以解決汽車工業(yè)大批量生產(chǎn)的需求?；靥钍綌嚢枘Σ咙c(diǎn)焊相對(duì)于電阻點(diǎn)焊有性能優(yōu)勢(shì)，但焊接效率尚無(wú)法達(dá)到電阻點(diǎn)焊水平，是制約其發(fā)展的主要問(wèn)題。

（2）飛邊、變形等工藝問(wèn)題 常規(guī)動(dòng)軸肩攪拌摩擦焊不可避免地會(huì)產(chǎn)生飛邊，嚴(yán)重影響了零件的流轉(zhuǎn)和裝配，需要進(jìn)行打磨，影響生產(chǎn)效率，增加生產(chǎn)成本；攪拌摩擦焊具有相對(duì)較小的變形，但隨著焊接量的增加，變形問(wèn)題已成為制約其發(fā)展的主要問(wèn)題，需要開發(fā)更新的焊接工藝以實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接變形的控制。

（3）異種材料連接問(wèn)題 多材料混用成為汽車輕量化發(fā)展的趨勢(shì)，目前汽車上異種材料連接主要采用鉚接方案，但存在工藝增重，生產(chǎn)成本高等問(wèn)題。攪拌摩擦焊在異種材料連接中理論上可行，目前也已有部分應(yīng)用，有望解決車身多材料混用連接問(wèn)題。

（4）應(yīng)用空間拓展問(wèn)題 傳統(tǒng)攪拌摩擦焊設(shè)備為采用類似于銑床的專機(jī)，適合焊接二維平面曲線，難以滿足三維空間復(fù)雜結(jié)構(gòu)的焊接。攪拌摩擦焊背部必需安裝剛性支撐，在無(wú)支撐或難以實(shí)現(xiàn)支撐焊縫位置無(wú)法施焊。因此，如何實(shí)現(xiàn)復(fù)雜三維空間焊縫的焊接，拓展焊縫應(yīng)用場(chǎng)景，成為其進(jìn)一步發(fā)展需要解決的問(wèn)題。

4.1 高效攪拌摩擦焊技術(shù)

雖然攪拌摩擦焊生產(chǎn)效率已經(jīng)取得了較大進(jìn)步，但隨著新能源汽車需求量的增大，攪拌摩擦焊焊接速度成為了制約產(chǎn)品生產(chǎn)節(jié)拍的主要因素，因此高速攪拌摩擦焊技術(shù)已成為攪拌摩擦焊發(fā)展的一個(gè)現(xiàn)實(shí)需求。高速攪拌摩擦焊技術(shù)不是簡(jiǎn)單地提升焊接速度，而是需要針對(duì)高速焊條件下對(duì)設(shè)備、控制系統(tǒng)、攪拌工具等進(jìn)行系統(tǒng)性的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定的焊接過(guò)程。無(wú)錫威唐新能源科技有限公司針對(duì)常用的6061-T6鋁合金開展了一系列高速攪拌摩擦焊技術(shù)研究，目前已實(shí)現(xiàn)φ3mm攪拌頭、2500mm/min速度下的穩(wěn)定焊接。高速攪拌摩擦焊下接頭力學(xué)性能如圖12所示。

圖12 高速攪拌摩擦焊下接頭力學(xué)性能

復(fù)合攪拌摩擦焊技術(shù)通過(guò)采用附加能量（電弧、激光、超聲波及電磁感應(yīng)等）作為輔助能量輸入，可解決摩擦熱不足或者難以滿足焊接要求的問(wèn)題，在高熔點(diǎn)、高硬度材料（如鋼、鈦合金）焊接中具有很好的效果，能夠有效減少攪拌頭的磨損，提高使用壽命。同時(shí)，復(fù)合攪拌摩擦焊還可以改善焊縫表面成形，抑制焊接缺陷，提升接頭質(zhì)量。超聲波輔助攪拌摩擦焊工作原理如圖13所示[7]。

圖13 超聲波輔助攪拌摩擦焊工作原理

4.2 特種攪拌摩擦焊技術(shù)

靜軸肩攪拌摩擦焊技術(shù)是在傳統(tǒng)攪拌摩擦焊技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，通過(guò)采用軸肩和攪拌針的分體設(shè)計(jì)及不同驅(qū)動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)了焊接中攪拌針旋轉(zhuǎn)而軸肩不旋轉(zhuǎn)的工藝過(guò)程。相較于傳統(tǒng)動(dòng)軸肩攪拌摩擦焊，靜軸肩焊接的主要技術(shù)優(yōu)勢(shì)：①無(wú)飛邊焊接。由于焊接過(guò)程中軸肩不發(fā)生旋轉(zhuǎn)，不會(huì)有焊接材料溢出，從而避免了飛邊的產(chǎn)生，減少焊后飛邊打磨清理工序，提高了生產(chǎn)效率。②無(wú)減薄焊接。常規(guī)攪拌摩擦焊焊縫會(huì)產(chǎn)生一定的下壓量（一般為0.2～0.3mm）以保證頂鍛力，但在薄板焊接時(shí)焊縫減薄會(huì)明顯減弱接頭的承載面積，甚至?xí)?dǎo)致焊穿。靜軸肩攪拌摩擦焊可實(shí)現(xiàn)無(wú)減薄焊接，適合薄板焊接。③角焊縫焊接。傳統(tǒng)動(dòng)軸肩攪拌摩擦焊僅適用于平面對(duì)接焊縫焊接，不適用于角焊縫焊接，通過(guò)定制特定角度的軸肩，靜軸肩攪拌摩擦焊可實(shí)現(xiàn)角焊縫焊接（見(jiàn)圖14）。目前，靜軸肩攪拌摩擦焊已部分應(yīng)用于電池包下箱體型材拼焊，達(dá)到了較好的應(yīng)用效果。

圖14 靜軸肩角焊縫

雙軸肩/雙機(jī)頭攪拌摩擦焊：雙軸肩攪拌摩擦焊是通過(guò)攪拌工具的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，上下兩個(gè)軸肩夾持焊接工件焊接的過(guò)程，可實(shí)現(xiàn)自支撐焊接，打破了攪拌摩擦焊需要背部剛性支撐的局限性。并可實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形，避免單面焊根部未焊透問(wèn)題，雙面受熱均勻，減小焊接變形；雙機(jī)頭攪拌摩擦焊是通過(guò)焊接設(shè)備的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，上下兩個(gè)機(jī)頭同步夾持工件焊接的過(guò)程，實(shí)現(xiàn)雙面同時(shí)焊接，提高焊接效率，雙面同時(shí)受熱，減小焊接變形。

雙軸肩攪拌摩擦焊可實(shí)現(xiàn)全焊透，設(shè)備通用性好，但攪拌頭受力狀態(tài)復(fù)雜，對(duì)攪拌頭的設(shè)計(jì)及材料要求很高，存在使用壽命問(wèn)題，且不適宜于進(jìn)行厚板焊接；雙機(jī)頭攪拌摩擦焊焊接速度和攪拌頭使用壽命可達(dá)到傳統(tǒng)攪拌摩擦焊水平，且可進(jìn)行厚板焊接，但設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要專用設(shè)備，應(yīng)用成本較高。

4.3 設(shè)備智能化發(fā)展

設(shè)備智能化發(fā)展的主要應(yīng)用形式為機(jī)器人攪拌摩擦焊平臺(tái)，機(jī)器人焊接平臺(tái)具有高的柔性及低的制造成本，是未來(lái)智能化制造的重要技術(shù)平臺(tái)[8]。工業(yè)機(jī)器人由于具有較高的柔性，因此可實(shí)現(xiàn)空間復(fù)雜軌跡的應(yīng)用，使三維空間焊接成為了可能。同時(shí)，機(jī)器人攪拌摩擦焊設(shè)備焊接適用性強(qiáng)，易于實(shí)現(xiàn)空間全位置焊接，自動(dòng)化程度高，易于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線集成，近些年來(lái)得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。目前，國(guó)內(nèi)進(jìn)行機(jī)器人攪拌摩擦焊設(shè)備研制的企業(yè)有昆山萬(wàn)州特種焊接有限公司、上海發(fā)那科機(jī)器人有限公司及廣州瑞松智能科技股份有限公司等。在電池包下箱體制造領(lǐng)域，已經(jīng)開始應(yīng)用機(jī)器人攪拌摩擦焊設(shè)備（見(jiàn)圖15）。

圖15 機(jī)器人攪拌摩擦焊設(shè)備

5 結(jié)束語(yǔ)

伴隨著我國(guó)新能源汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，攪拌摩擦焊由于其技術(shù)優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，將有望獲得更大的發(fā)展空間。同時(shí)也應(yīng)看到，攪拌摩擦焊還存在一些局限和不足，已成為制約其發(fā)展的主要障礙。未來(lái)需要通過(guò)不斷地進(jìn)行技術(shù)研發(fā)，迭代優(yōu)化，去克服技術(shù)缺陷，解決生產(chǎn)中存在的痛點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)降本增效，攪拌摩擦焊技術(shù)將會(huì)獲得更持久的生命力。