攪拌摩擦焊的現(xiàn)狀與發(fā)展

1、SCRC 冷藏技術(shù)中心精品文檔頁上海中集冷藏箱有限公司第1頁共18攪拌摩擦焊一、攪拌摩擦焊的定義攪拌摩擦焊（FrictionStirWelding-FSW）是英國焊接研究所1991 年的一項杰出的發(fā)明?？梢哉f，是焊接工藝上的一顆明星。1,1攪拌摩擦焊定義攪拌摩擦焊是一種在機械力和摩擦熱作用下的固相連接方法。如圖 1 所示，攪拌摩擦焊過程中， 一個柱形帶特殊軸肩和針凸的攪拌頭旋轉(zhuǎn)著緩慢插入被焊接工件，攪拌頭和被焊接材料之間的摩擦剪切阻力產(chǎn)生了摩擦熱，使攪拌頭鄰近區(qū)域的材料熱塑化（焊接溫度一般不會達到和超過被焊接材料的熔點），當攪拌頭旋轉(zhuǎn)著向前移動時，熱塑化的金屬材料從攪拌頭的前沿向后沿轉(zhuǎn)移，并且

2、在攪拌頭軸肩與工件表層摩擦產(chǎn)熱和鍛壓共同作用下，形成致密固相連接接頭。圖 1 攪拌摩擦焊原理示意圖雖然與攪拌摩擦焊相適應的焊接新裝備和攪拌工具的發(fā)展也非?？?， 為實施攪拌摩擦焊工藝方案 （如消除攪拌匙孔） 及提高各類材料接頭的質(zhì)量， 各種類別的新型攪拌摩擦焊接設(shè)備、自動化裝置及機器人攪拌摩擦焊機等相繼問世， 但這些都是現(xiàn)有裝備技術(shù)的在摩擦攪拌焊接上的移植， 攪拌摩擦焊的核心技術(shù)依舊在于攪拌摩擦頭。二、攪拌摩擦焊的優(yōu)點摩擦攪拌頭結(jié)構(gòu)小巧， 便于控制，使得攪拌摩擦焊能適合于自動化和機器人操作的優(yōu)點；對于有色金屬材料（如鋁、銅、鎂、鋅等）的連接, 在焊接方法、接頭力學性能和生產(chǎn)效率上具有其他焊接方法

3、無可比擬的優(yōu)越性，它是一種高效、 節(jié)能、環(huán)保型的新型連接技術(shù)。另外， 攪拌摩擦焊對于鎂合金、鋅合金、 銅合金、鉛合金以及鋁基復合材料等材料的板狀對接或搭接的連接也是優(yōu)先選擇的焊接方法；采用特殊的方法， 攪拌摩擦焊還可以實現(xiàn)了不銹。1歡迎下載SCRC 冷藏技術(shù)中心精品文檔上海中集冷藏箱有限公司第2頁共18頁鋼、鈦合金甚至高溫合金的優(yōu)質(zhì)連接，不過成本較高。攪拌摩擦焊發(fā)明初期主要解決厚度1.26 毫米的鋁合金板材焊接問題;1996年，用 FSW技術(shù)解決了 6 12 毫米的鋁、鎂、銅合金的連接.1997 年實現(xiàn)了 1225 毫米厚鋁合金板的攪拌摩擦焊，并且在宇航結(jié)構(gòu)件上得到應用.1999年攪拌摩擦焊可

4、以焊接50 毫米厚的銅合金及 75 毫米厚度的鋁合金零件和產(chǎn)品。2004 年，英國焊接研究所已經(jīng)能夠單道單面實現(xiàn)100毫米厚鋁合金板材的攪拌摩擦焊。 迄今，在材料的厚度上， 單道焊可以實現(xiàn)厚度為0.8100mm鋁合金材料的焊接；雙道焊可以焊接180mm厚的對接板材。最近, 又開發(fā)了可以連接0.4mm鋁板的微型攪拌摩擦焊技術(shù)。攪拌摩擦焊可以較容易實現(xiàn)異種材料的連接，例如鋁合金和不銹鋼的攪拌摩擦焊接，利用攪拌摩擦焊可以較方便的實現(xiàn)鋁鋼板材之間的連接和銅鋁復合焊接接頭。與傳統(tǒng)鎢極氬弧焊（TIG）和熔化極氬弧焊（MIG）焊接相比較，攪拌摩擦焊在接頭力學性能上據(jù)有明顯的優(yōu)越性。例如, 對于 6.4mm

5、厚的 2014-T6 鋁合金， FSW焊接頭性能比TIG焊高 16 ; 對于 12.7 毫米厚的2014-T6 鋁合金， FSW焊接頭性能比TIG 焊高 22 . 攪拌摩擦焊接頭性能數(shù)據(jù)一致性較好，工藝穩(wěn)定，焊接接頭質(zhì)量容易保證。攪拌摩擦焊是長、直規(guī)則焊縫（平板對接和搭接）的理想焊接方法. 攪拌摩擦焊也已可以實現(xiàn) 2-D 、 3-D 結(jié)構(gòu)的焊接 , 如筒形零件的環(huán)縫和縱縫; 可以實現(xiàn)全位置空間焊接，如水平焊、垂直焊、 仰焊以及任意位置和角度的軌道焊。圖 2 示出了多種典型的攪拌摩擦焊接頭形式，如多層對接、多層搭接、T 形接頭、 V 形接頭、角接等。圖 2攪拌摩擦焊的接頭形式三、攪拌摩擦焊的缺點

6、攪拌摩擦焊也有其局限性。焊縫末尾通常有匙孔存在（目前已可以實現(xiàn)無孔焊接）；焊接時的機械力較大，需要焊接設(shè)備具有很好的剛性；與弧焊相比 , 缺少焊接操作的柔性；不能實現(xiàn)添絲焊接；與普通 MIG 和 TIG 焊接技術(shù)相比較，最大的弱勢是成本較高、加工速度較慢。2歡迎下載SCRC 冷藏技術(shù)中心精品文檔頁上海中集冷藏箱有限公司第3頁共18四、競爭對手關(guān)注攪拌摩擦焊關(guān)鍵詞 ：攪拌摩擦焊鋁合金焊接輕金屬焊接0 前言1991 年 , 英國焊接研究所（The Welding Institute-TWI）發(fā)明了攪拌摩擦焊（FrictionStir Welding-FSW ），這項杰出的焊接技術(shù)發(fā)明正在為世界制造

7、技術(shù)的進步做出貢獻。在國外 , 攪拌摩擦焊已經(jīng)在諸多制造領(lǐng)域達到規(guī)?；?、工業(yè)化的應用水平。如在船舶制造領(lǐng)域，在 1996 年攪拌摩擦焊就在挪威MARINE公司成功地應用在鋁合金快速艦船的甲板、側(cè)板等結(jié)構(gòu)件的流水線制造。在軌道車輛制造領(lǐng)域，日本HITACHI 公司首先于1997 年將攪拌摩擦焊技術(shù)應用于列車車體的快速低成本制造，成功實現(xiàn)了大壁板鋁合金型材的工業(yè)化制造。在世界宇航制造領(lǐng)域， 攪拌摩擦焊已經(jīng)成功代替熔焊實現(xiàn)了大型空間運載工具如運載火箭和航天飛機等的大型高強鋁合金燃料貯箱的制造，波音公司的DELTAII 型和 IV 型火箭已經(jīng)全部實現(xiàn)了攪拌摩擦焊制造，并于1999 年首次成功發(fā)射升空。

8、2000 年世界汽車工業(yè)，如美國 TOWER汽車公司等就利用攪拌摩擦焊實現(xiàn)了汽車懸掛支架、輕合金車輪、防撞緩沖器、發(fā)動機安裝支架以及鋁合金車身的焊接。2002 年 8 月，美國月蝕航空公司利用FSW技術(shù)研制出了全攪拌摩擦焊輕型商用飛機，并且首次試飛成功。截至 2004 年 9 月，全世界約有130 家各個行業(yè)的公司和大學、研究機構(gòu)獲得了英國焊接研究所授權(quán)的攪拌摩擦焊非獨占性專利許可。已經(jīng)有多個國家如：英國、美國、法國、德國、瑞典、日本和中國等,把攪拌摩擦焊技術(shù)擴大應用的同時, 在世界范圍內(nèi)申請了與攪拌摩擦焊相關(guān)技術(shù)的專利. 自 1997 年起平均每年有100 120 項攪拌摩擦焊技術(shù)專利申請;

9、 到2004 年底，全世界已經(jīng)公開的攪拌摩擦焊專利申請達到了1218 項。作為一種新型制造產(chǎn)業(yè), 攪拌摩擦焊技術(shù)正在世界范圍內(nèi)興起！1 攪拌摩擦焊的技術(shù)特點攪拌摩擦焊作為一項新型焊接方法，用很短的時間就完成了從發(fā)明到工業(yè)化應用的歷程。目前 , 在國際上還沒有針對攪拌摩擦焊公布的統(tǒng)一技術(shù)術(shù)語標準，在攪拌摩擦焊專利許可協(xié)會的影響下，業(yè)界已經(jīng)對攪拌摩擦焊方法中所涉及到的通用技術(shù)術(shù)語進行了定義和認可。圖 1 示出了攪拌摩擦焊所用到的主要描述性術(shù)語。圖 1 攪拌摩擦焊原理示意與名詞術(shù)語攪拌摩擦焊技術(shù)所涉及到的主要技術(shù)術(shù)語定義如下：攪拌頭（ Pin tool）攪拌摩擦焊的施焊工具；攪拌頭軸肩（ Tool

10、Shoulder ） 攪拌頭與工件表面接觸的肩臺部分；攪拌針（ Tool Pin ） 攪拌頭插入工件的部分；。3歡迎下載SCRC 冷藏技術(shù)中心精品文檔上海中集冷藏箱有限公司第4頁共18頁前進側(cè)（ Advanced Side）焊接方向與攪拌頭軸肩旋轉(zhuǎn)方向一致的焊縫側(cè)面；回轉(zhuǎn)側(cè)（ Retreating Side）焊接方向與攪拌頭軸肩旋轉(zhuǎn)方向相反的焊縫側(cè)面；軸向壓力（ Down or Axial Force）向攪拌頭施加的使攪拌針插入工件和保持攪拌頭軸肩與工件表面接觸的壓力；攪拌摩擦焊是一種在機械力和摩擦熱作用下的固相連接方法。如圖 1 所示，攪拌摩擦焊過程中， 一個柱形帶特殊軸肩和針凸的攪拌頭旋轉(zhuǎn)

11、著緩慢插入被焊接工件，攪拌頭和被焊接材料之間的摩擦剪切阻力產(chǎn)生了摩擦熱，使攪拌頭鄰近區(qū)域的材料熱塑化（焊接溫度一般不會達到和超過被焊接材料的熔點），當攪拌頭旋轉(zhuǎn)著向前移動時，熱塑化的金屬材料從攪拌頭的前沿向后沿轉(zhuǎn)移， 并且在攪拌頭軸肩與工件表層摩擦產(chǎn)熱和鍛壓共同作用下，形成致密固相連接接頭。攪拌摩擦焊具有適合于自動化和機器人操作的諸多優(yōu)點，對于有色金屬材料 （如鋁、銅、鎂、鋅等）的連接 , 在焊接方法、接頭力學性能和生產(chǎn)效率上具有其他焊接方法無可比擬的優(yōu)越性，它是一種高效、節(jié)能、環(huán)保型的新型連接技術(shù)。但是攪拌摩擦焊也有其局限性，例如： 焊縫末尾通常有匙孔存在（目前已可以實現(xiàn)無孔焊接） ； 焊接

12、時的機械力較大，需要焊接設(shè)備具有很好的剛性；與弧焊相比, 缺少焊接操作的柔性；不能實現(xiàn)添絲焊接。攪拌摩擦焊對材料的適應性很強，幾乎可以焊接所有類型的鋁合金材料，由于攪拌摩擦焊接過程較低的焊接溫度和較小的熱輸入，一般攪拌摩擦焊接頭具有變形小、接頭性能優(yōu)異等特點 ; 可以焊接目前熔焊 “不能焊接” 和所謂 “難焊” 的金屬材料如： Al-Cu(2xxx系列 )、Al-Zn(7xxx 系列 ) 和 Al-Li( 如 8090 、 2090 和 2195 鋁合金 ) 等鋁合金。另外， 攪拌摩擦焊對于鎂合金、鋅合金、 銅合金、鉛合金以及鋁基復合材料等材料的板狀對接或搭接的連接也是優(yōu)先選擇的焊接方法；目前

13、，攪拌摩擦焊還成功地實現(xiàn)了不銹鋼、鈦合金甚至高溫合金的優(yōu)質(zhì)連接。攪拌摩擦焊可以較容易實現(xiàn)異種材料的連接，例如鋁合金和不銹鋼的攪拌摩擦焊接，利用攪拌摩擦焊可以較方便的實現(xiàn)鋁鋼板材之間的連接和銅鋁復合焊接接頭。攪拌摩擦焊發(fā)明初期主要解決厚度1.26 毫米的鋁合金板材焊接問題;1996 年，用 FSW技術(shù)解決了 6 12 毫米的鋁、鎂、銅合金的連接.1997 年實現(xiàn)了 1225 毫米厚鋁合金板的攪拌摩擦焊，并且在宇航結(jié)構(gòu)件上得到應用.1999年攪拌摩擦焊可以焊接50 毫米厚的銅合金及 75 毫米厚度的鋁合金零件和產(chǎn)品.2004 年，英國焊接研究所已經(jīng)能夠單道單面實現(xiàn)100毫米厚鋁合金板材的攪拌摩擦焊

14、。迄今，在材料的厚度上， 單道焊可以實現(xiàn)厚度為 0.8100mm鋁合金材料的焊接；雙道焊可以焊接180mm厚的對接板材。最近 , 又開發(fā)了可以連接0.4mm鋁板的微型攪拌摩擦焊技術(shù) .攪拌摩擦焊是長、直規(guī)則焊縫（平板對接和搭接）的理想焊接方法. 攪拌摩擦焊也已可以實現(xiàn) 2-D、 3-D 結(jié)構(gòu)的焊接 , 如筒形零件的環(huán)縫和縱縫 ; 可以實現(xiàn)全位置空間焊接，如水平焊、垂直焊、 仰焊以及任意位置和角度的軌道焊。圖 2 示出了多種典型的攪拌摩擦焊接頭形式，如多層對接、多層搭接、T 形接頭、 V 形接頭、角接等。與傳統(tǒng)鎢極氬弧焊（ TIG）和熔化極氬弧焊（ MIG）焊接相比較，攪拌摩擦焊在接頭力學性能上

15、據(jù)有明顯的優(yōu)越性。例如, 對于 6.4mm厚的 2014-T6鋁合金， FSW焊接頭性能比 TIG焊高 16 ; 對于 12.7 毫米厚的2014-T6 鋁合金， FSW焊接頭性能比TIG 焊高 22 . 攪拌摩擦焊接頭性能數(shù)據(jù)一致性較好，工藝穩(wěn)定，焊接接頭質(zhì)量容易保證。4歡迎下載SCRC 冷藏技術(shù)中心精品文檔頁上海中集冷藏箱有限公司第5頁共18圖 2攪拌摩擦焊的接頭形式攪拌摩擦焊接頭的疲勞性能一般都優(yōu)于熔焊接頭。1996 年英國焊接研究所對6mm厚度的 2014-T6 、 2219-T6 、5083-0 和 7075-T7351 等鋁合金進行了攪拌摩擦焊接頭的疲勞性能研究，結(jié)果表明攪拌摩擦焊

16、接頭的疲勞性能優(yōu)于歐洲弧焊標準（ECCS class B3 ）。2 攪拌摩擦焊在國外的發(fā)展攪拌摩擦焊作為一種輕合金材料連接的優(yōu)選焊接技術(shù)， 已經(jīng)從技術(shù)研究， 邁向高層次的工程化和工業(yè)化應用階段 , 形成了一個新的產(chǎn)業(yè) : 攪拌摩擦焊設(shè)備的制造、攪拌摩擦焊產(chǎn)品的加工 . 如在美國的宇航制造工業(yè)、 北歐的船舶制造工業(yè)、 日本的高速列車制造等制造領(lǐng)域，攪拌摩擦焊得到了廣泛的應用 , 均已形成新興產(chǎn)業(yè)。2.1 攪拌摩擦焊在鋁合金結(jié)構(gòu)制造中取代傳統(tǒng)熔焊攪拌摩擦焊已成功地實現(xiàn)了鋁合金、 鎂合金構(gòu)件制造大規(guī)模的工業(yè)化應用。 下面列舉一些典型的應用實例。攪拌摩擦焊在船舶制造工業(yè)中的應用早在 1995 年，挪威

17、Hydro Marine Aluminium 公司就將FSW技術(shù)應用于船舶結(jié)構(gòu)件的制造（見圖 3），采用攪拌摩擦焊技術(shù)將普通型材拼接，制造用于造船業(yè)的寬幅型材。該焊接設(shè)備以及工藝已經(jīng)獲得 Det Norske Veritas 和 Germanischer Lloyd 的認可。從 1996 到 1999，已經(jīng)成功焊接了 1700 塊船舶面板，焊縫總長度超過 110km。在造船領(lǐng)域 , 攪拌摩擦焊適用面很寬：船甲板、側(cè)板、船頭、殼體、船艙防水壁板和地板, 船舶的上層鋁合金建筑結(jié)構(gòu) , 直升飛機起降平臺 , 離岸水上觀測站 , 船舶碼頭 , 水下工具和海洋運輸工具 , 帆船的桅桿及結(jié)構(gòu)件 , 船上制

18、冷設(shè)備用的中空擠壓鋁板等。圖 3 挪威 Hydro Marine Aluminium采用攪拌摩擦焊技術(shù)制造船用寬幅鋁合金型材攪拌摩擦焊在航空航天工業(yè)中的應用航空航天飛行器鋁合金結(jié)構(gòu)件，如飛機機翼壁板、運載火箭燃料儲箱等，選材多為熔焊焊接性較差的2000 及 7000 系列鋁合金材料， 而攪拌摩擦焊可以實現(xiàn)這些系列鋁合金的優(yōu)質(zhì)連接 , 國外已經(jīng)在飛機、火箭等宇航飛行器上得到應用。采用攪拌摩擦焊提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本， 對航空航天工業(yè)來說有著明顯的經(jīng)濟效益。波音公司首先在加州的HuntingtonBeach工廠將攪拌摩擦焊應用于Delta II運載火箭 4.8 米高的中間艙段的制造（縱縫，

19、厚度22.22 毫米 ， 2014 鋁合金），該運載火箭于1999 年 8 月 17 日成功發(fā)射升空。2001 年 4 月 7 日，“火星探索號”發(fā)射升空，采用攪拌摩。5歡迎下載SCRC 冷藏技術(shù)中心精品文檔上海中集冷藏箱有限公司第6頁共18頁擦焊技術(shù)，壓力貯箱焊縫接頭強度提高了30 , 攪拌摩擦焊制造技術(shù)首次在壓力結(jié)構(gòu)件上得到可靠地應用。波音公司在阿拉巴馬州的Decatur工廠將攪拌摩擦焊技術(shù)用于制造Delta 運載火箭中心助推器。 Delta 運載火箭貯箱直徑為5m,材料改為 2219-T87鋁合金。到 2002 年 4 月為止，攪拌摩擦焊已成功焊接了2100m無缺陷焊縫應用于 Delta II火箭， 1200m無缺陷焊縫應用于 Delta IV火箭。采用攪拌摩擦焊節(jié)約了60的成本，制造周期由23 天降低為6 天。歐洲 Fokker宇航公司將攪拌摩擦焊技術(shù)用于Ariane 5 發(fā)動機主承力框的制造 （圖 4），承力框的材料為7075-T7351 ，主體結(jié)構(gòu)由 12 塊整體加工的帶翼狀加強的平板連接而成，結(jié)構(gòu)制造中用攪拌摩擦焊代替了螺栓連接，為零件之間的連接和裝配提供了較大的裕度，并可減輕結(jié)構(gòu)重量，