攪拌摩擦焊是指利用高速旋轉(zhuǎn)的焊具與工件摩擦產(chǎn)生的熱量使被焊材料局部塑性化，當(dāng)焊具沿著焊接界面向前移動(dòng)時(shí)，被塑性化的材料在焊具的轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦力作用下由焊具的前部流向后部，并在焊具的擠壓下形成致密的固相焊縫。
發(fā)展歷史
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(kāi)以來(lái)，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(lái)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)行多種接插件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。
原理
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(guò)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 引腳)伸入工件的接縫處，通過(guò)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(lái)完成焊接的。焊接過(guò)程如圖所示。在焊接過(guò)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(guò)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(wèn)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(guò)程中界面原子的運(yùn)動(dòng)仍處于研究階段。
優(yōu)點(diǎn)
攪拌摩擦焊的主要優(yōu)點(diǎn)如下：
(1)焊接接插件熱影響區(qū)顯微組織變化小．殘余應(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(guò)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(wú)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(guò)程安全、無(wú)污染、無(wú)煙塵、無(wú)輻射等。
缺點(diǎn)
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(guò)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。
應(yīng)用
焊接過(guò)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(wú)論是采用無(wú)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(lái)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(guò)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插件，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(guò)程中對(duì)環(huán)境的污染小。焊前工件無(wú)需嚴(yán)格的表面清理準(zhǔn)備要求，焊接過(guò)程中的摩擦和攪拌可以去除焊件表面的氧化膜，焊接過(guò)程中也無(wú)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(guò)程中熱輸入相對(duì)于熔焊過(guò)程較小，接插件部位不存在金屬的熔化，是一種固態(tài)焊接過(guò)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。
發(fā)展現(xiàn)狀
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)備工廠等大公司聯(lián)合，以團(tuán)體贊助或合作的形式開(kāi)發(fā)這種技術(shù)，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。美國(guó)的愛(ài)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)、澳大利亞的阿德萊德大學(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(mén)研究。
攪拌摩擦焊工藝是自激光焊接問(wèn)世以來(lái)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。現(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(shuō)來(lái)，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(guò)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(shuō)來(lái)，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(guò)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(lái)越廣泛，研究也越來(lái)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)鋁合金焊接接插件的腐蝕性能、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%碳化硅等合金。
2002年，在中國(guó)中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)有限公司北京航空有限責(zé)任公司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(kāi)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(kāi)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(wú)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(kāi)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(chē)、汽車(chē)、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(chē)車(chē)體結(jié)構(gòu)、大厚度雷達(dá)面板、汽車(chē)輪轂、集裝箱型材壁板、各種結(jié)構(gòu)散熱器及熱沉器等。
參考資料 >