攪拌摩擦焊的現(xiàn)狀與發(fā)展.doc

上海中集冷藏箱有限公司SCRC冷藏技術(shù)中心第 16 頁 共 16 頁攪拌摩擦焊一、攪拌摩擦焊的定義攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding-FSW）是英國焊接研究所1991年的一項杰出的發(fā)明。可以說，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(dāng)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。圖1攪拌摩擦焊原理示意圖雖然與攪拌摩擦焊相適應(yīng)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(xué)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)。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(fù)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612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(yīng)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。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(fù)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(xué)性能上據(jù)有明顯的優(yōu)越性。例如,對于6.4mm厚的2014-T6鋁合金，F(xiàn)SW焊接頭性能比TIG焊高16;對于12.7毫米厚的2014-T6鋁合金，F(xiàn)SW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。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（Friction Stir Welding-FSW），這項杰出的焊接技術(shù)發(fā)明正在為世界制造技術(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)模化、工業(yè)化的應(yīng)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(yīng)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(yīng)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DELTA II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。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(xué)、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(yīng)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100120項攪拌摩擦焊技術(shù)專利申請;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(yīng)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 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；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)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(dāng)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(xué)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(yīng)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(fù)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，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(fù)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612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(yīng)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。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(xué)性能上據(jù)有明顯的優(yōu)越性。例如,對于6.4mm厚的2014-T6鋁合金，F(xiàn)SW焊接頭性能比TIG焊高16;對于12.7毫米厚的2014-T6鋁合金，F(xiàn)SW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。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(yīng)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(yīng)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(yīng)用。下面列舉一些典型的應(yīng)用實例。2.1.1 攪拌摩擦焊在船舶制造工業(yè)中的應(yīng)用早在1995年，挪威Hydro Marine Aluminium公司就將FSW技術(shù)應(yīng)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2.1.2 攪拌摩擦焊在航空航天工業(yè)中的應(yīng)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(yīng)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(yīng)用于Delta II運載火箭4.8米高的中間艙段的制造（縱縫，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(yīng)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(yīng)用于Delta II火箭，1200m無缺陷焊縫應(yīng)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，提高生產(chǎn)效率。 圖4 歐洲Fokker Space公司采用FSW制造Ariane 5發(fā)動機主承力框目前，攪拌摩擦焊在飛機制造領(lǐng)域的開發(fā)和應(yīng)用還處于驗證階段，主要利用FSW實現(xiàn)飛機蒙皮和衍樑、筋條、加強件之間的連接，框架之間的連接、飛機預(yù)成型件的安裝、飛機壁板和地板的焊接、飛機結(jié)構(gòu)件和蒙皮的在役修理等，這些方面的攪拌摩擦焊制造已經(jīng)在軍用和民用飛機上得到驗證飛行和部分應(yīng)用。另外波音公司還成功地實現(xiàn)了飛機起落架艙門復(fù)雜曲線的攪拌摩擦焊焊接。美國Eclipse飛機制造公司斥資3億美元用于攪拌摩擦焊的飛機制造計劃，其制造的第一架攪拌摩擦焊商用噴氣客機（Eclipse500）（圖5）于2002年8月在美國進行了首飛測試。其機身蒙皮、翼肋、弦狀支撐、飛機地板以及結(jié)構(gòu)件的裝配等鉚接工序均由攪拌摩擦焊替代，提高了生產(chǎn)效率、節(jié)約了制造成本并且減輕了機身重量。圖5 Eclipse 500型商用噴氣客機的攪拌摩擦焊焊接構(gòu)件之一攪拌摩擦焊在航空航天業(yè)的應(yīng)用主要在以下幾個方面：機翼、機身、尾翼；飛機油箱；飛機外掛燃料箱；運載火箭、航天飛機的低溫燃料筒；軍用和科學(xué)研究火箭和導(dǎo)彈；熔焊結(jié)構(gòu)件的修理等。2.1.3 攪拌摩擦焊在軌道交通及陸路交通工業(yè)中應(yīng)用在軌道交通行業(yè)，隨著列車速度的不斷提高，對列車減輕自重,提高接頭強度及結(jié)構(gòu)安全性要求越來越高。高速列車用鋁合金擠壓型材的連接方式，成為了制約發(fā)展的主導(dǎo)因素。由于攪拌摩擦焊焊接接頭強度優(yōu)于MIG焊焊接接頭，并且缺陷率低，節(jié)約成本，所以目前高速列車的制造,采用攪拌摩擦焊技術(shù)，已成為主流趨勢。在該領(lǐng)域,比較典型的為日本日立公司，在做單層和雙層擠壓型材件連接時都采用了攪拌摩擦焊技術(shù)，用于市郊列車和快速列車車輛的制造。日本輕金屬公司已將FSW工藝用于地鐵車輛，采用這種工藝制造的工件長度已經(jīng)超過了3km，接頭質(zhì)量良好。由住友輕金屬公司生產(chǎn)的擠壓型材FSW焊接拼板,用于日本新干線車輛的制造（圖6左），車輛時速可達285 km/h。法國的Alstom公司將攪拌摩擦焊應(yīng)用于列車頂板的連接（圖6右）。 圖6 左：日本住友輕金屬公司FSW生產(chǎn)的新干線列車壁板；右：法國阿爾斯通FSW制造的列車車頂目前,與軌道車輛相關(guān)方面的攪拌摩擦焊應(yīng)用包括：高速列車箱體型材連接；油罐車及貨物列車箱體連接；集裝箱箱體；鐵軌以及地下滾動托盤。2.1.4 攪拌摩擦焊在汽車工業(yè)中應(yīng)用為了提高運載能力和速度，汽車制造呈現(xiàn)出材料多樣化、輕量化、高強度化的發(fā)展趨勢，鋁合金、鎂合金等輕質(zhì)合金材料所占的比重越來越大，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)以及接頭形式都在設(shè)法改進。攪拌摩擦焊技術(shù)的發(fā)明恰好滿足了這種新材料、新結(jié)構(gòu)對新型連接技術(shù)的需求。挪威Hydro公司采用攪拌摩擦焊技術(shù)制造汽車輪轂，將鑄造或鍛造的中心零件與鍛鋁制造的輻條連接起來，以獲得良好的載荷傳遞性能并減輕重量。美國Tower汽車公司采用攪拌摩擦焊制造汽車用懸掛連接臂,取得了很大經(jīng)濟效益。攪拌摩擦焊。另外，該公司還將攪拌摩擦焊技術(shù)用于縫合不等厚板坯料(Tailored welded blanks)的制造;采用縫合坯料,在優(yōu)化結(jié)構(gòu)強度和剛度設(shè)計的同時,既大大減少了汽車制造中模具的數(shù)量,又縮短了工藝流程。目前攪拌摩擦焊在汽車制造工業(yè)中的應(yīng)用主要為：發(fā)動機引擎和汽車底盤車身支架；汽車輪轂；液壓成型管附件；汽車車門預(yù)成型件；轎車車體空間框架；卡車車體；載貨車的尾部升降平臺汽車起重器；汽車燃料箱；旅行車車體；公共汽車和機場運輸車；摩托車和自行車框架；鋁合金電梯；逃生交通工具；鋁合金汽車修理；鎂合金和鋁合金的連接。攪拌摩擦點焊(FSSW)的研究與技術(shù)開發(fā),是汽車制造工業(yè)中的一個新熱點.2.1.5攪拌摩擦焊在其他工業(yè)中的應(yīng)用攪拌摩擦焊成功地解決了輕合金金屬的連接難題，在兵器、建筑、電力、能源、家電等工業(yè)中的應(yīng)用也越來越廣泛。如在兵器工業(yè)，攪拌摩擦焊成功實現(xiàn)了坦克、裝甲車的主體結(jié)構(gòu)和防護裝甲板的制造;在建筑行業(yè),攪拌摩擦焊在民用建筑工業(yè)的應(yīng)用主要為：鋁合金橋梁,鋁合金、銅合金、鎂合金裝飾板,門窗框架,鋁合金管線,電廠和化學(xué)工廠的鋁合金反應(yīng)器,熱交換器,中央空調(diào),管狀結(jié)構(gòu)件制造等。在電力行業(yè),攪拌摩擦焊的應(yīng)用主要為：發(fā)動機殼體,電器連接件,電器封裝等。在家電行業(yè),主要應(yīng)用為：冰箱散熱板,廚房電器和設(shè)備,“白色”家用物品和工具,天然氣、液化氣儲箱和容器,金屬家具等。2.2 在非鋁合金金屬結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用迄今，攪拌摩擦焊的大部分研究開發(fā)和應(yīng)用都集中在鋁合金材料;對于非鋁合金材料如銅合金、鈦合金、鋼材、熱塑材料等，也已開展了攪拌摩擦焊研究和開發(fā)，開始在某些場合應(yīng)用。在1997年瑞典SKB公司和英國焊接研究所一起對50毫米厚銅合金核燃料貯箱的攪拌摩擦焊制造進行了開發(fā)，2001年開發(fā)銅合金攪拌摩擦焊專用設(shè)備，并且對電子束和攪拌摩擦焊工藝進行了比較和完善，2004年已經(jīng)小批量生產(chǎn)。美國MEGASTIR公司一直致力于高熔點材料的攪拌摩擦焊應(yīng)用開發(fā)，從304不銹鋼到普通中碳鋼和高溫合金材料，甚至鈦合金材料等都可以實現(xiàn)攪拌摩擦焊連接;2003年已經(jīng)把攪拌摩擦焊應(yīng)用于野外鋼合金天然氣管道的攪拌摩擦焊。高熔點材料: 鈦,鋼FSW的難點主要是攪拌頭材料的優(yōu)選(如選用多晶立方氮化硼PCBN)與其攪拌針型體設(shè)計、加工以及在工程應(yīng)用中的壽命.日本日立公司利用攪拌摩擦焊實現(xiàn)強度大于800Mpa的超精細高強鋼(UFG)的連接，這種材料在未來有可能用于飛機起落架的制造等。2.3攪拌頭的發(fā)展帶來新型攪拌摩擦焊工藝攪拌頭材料、攪拌頭軸肩和攪拌針的型體是攪拌頭優(yōu)劣的3個主要決定性因素,關(guān)系到連接接頭的性能與生產(chǎn)成本和效率。攪拌頭的主要功能如下：l l 加熱和軟化被焊接材料（工件材料）；l l 破碎和彌散接頭表面的氧化層；l l 驅(qū)使攪拌針前部的材料向后部轉(zhuǎn)移；l l 驅(qū)使接頭上部的材料向下部轉(zhuǎn)移；l l 使轉(zhuǎn)移后的熱塑化的材料形成固相接頭。攪拌頭的形狀與熱塑化材料的流變密切相關(guān)，并且直接影響到接頭的質(zhì)量，在攪拌摩擦焊發(fā)展初期，TWI開發(fā)成功了柱形攪拌頭，這種攪拌頭在攪拌摩擦焊初期開發(fā)研究中得到了廣泛應(yīng)用。隨著攪拌摩擦焊技術(shù)的發(fā)展，針對不同的焊接材料和結(jié)構(gòu)，目前已有系列化的攪拌頭。英國焊接研究所研制的 WhorlTM和 MX TrifluteTM（圖7左）攪拌頭，可以在提高焊接速度的條件下,得到焊縫成形良好、性能更加優(yōu)良的焊縫。 圖7 TWI開發(fā)的MX TrifluteTM（左）和Skem-StirTM（右）攪拌頭英國焊接研究所在2002年成功開發(fā)了如圖7右所示的“Skem-StirTM”型攪拌頭，它的主要功能為,主軸和攪拌頭的旋轉(zhuǎn)中心線不同軸;當(dāng)主軸選轉(zhuǎn)時，攪拌針的旋轉(zhuǎn)空間遠大于攪拌針自身的體積.這樣的設(shè)計有助于熱塑化金屬材料的遷移，可得到焊縫寬、深比大的接頭，尤其適用于搭接攪拌摩擦焊。對于薄壁筒形結(jié)構(gòu)件，由于零件的剛性差，筒形件的攪拌摩擦焊需要有剛性好的工藝裝備支撐，承受較大的焊接壓力和摩擦驅(qū)動力,以保持被焊接零件的尺寸完整性。TWI、BOEING、MTS等公司開發(fā)出了如圖8所示的“Bobbin” 雙軸肩攪拌頭，它的主要功能是利用攪拌頭的雙軸肩，使攪拌摩擦焊過程中產(chǎn)生的作用力相互抵消，從而解除了薄壁筒形件焊接時對剛性裝備的依賴。用這種攪拌頭施焊的缺點是,焊接前需要在啟焊處預(yù)制一個導(dǎo)引孔，以便插入攪拌針;焊后, 需將一側(cè)軸肩拆卸, 抽出攪拌針;使焊接過程操作復(fù)雜化。圖8 “Bobbin” 雙軸肩攪拌頭克服環(huán)形焊縫攪拌摩擦焊遇到的另外一個難題,就是焊縫尾端“匙孔”的消除.通常,長直焊縫可以用“引焊板”來消除焊接尾端“匙孔”，但是環(huán)形焊縫“匙孔”的消除就不容易用引焊的方法來消除。美國NASA開發(fā)成功了可回抽式攪拌頭，該型攪拌頭的攪拌針伸出長度可以在焊接過程中改變，在環(huán)縫攪拌摩擦焊的末尾,使攪拌針逐漸回抽，實現(xiàn)環(huán)縫“無匙孔”攪拌摩擦焊接。2.4 攪拌摩擦焊設(shè)備的發(fā)展及工藝過程的數(shù)值模擬與參數(shù)控制的自動化早期的攪拌摩擦焊設(shè)備是利用傳統(tǒng)銑床改裝而成。隨著攪拌摩擦焊技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的日趨擴大,以及被焊接材料厚度的增加和被焊接零件焊縫形式的復(fù)雜多樣化，普通銑床的剛性以及操作控制都難以滿足對攪拌摩擦焊更高的技術(shù)需求，攪拌摩擦焊設(shè)備逐漸從試驗型設(shè)備向商用專機化方向發(fā)展。1996年瑞典伊薩(ESAB)公司，在英國焊接研究所的專利許可基礎(chǔ)上,為挪威Marine Aluminum公司制造了世界上第一臺工業(yè)用攪拌摩擦焊機,用于鋁合金型材的攪拌摩擦焊.此后,世界上有諸多的焊接設(shè)備制造公司,在取得英國焊接研究所專利許可的基礎(chǔ)上，生產(chǎn)和制造了多種形式的專業(yè)化的攪拌摩擦焊設(shè)備。2004年,英國SMART公司為英國焊接研究所設(shè)計生產(chǎn)世界上焊接能力最大的攪拌摩擦焊設(shè)備，該設(shè)備能力可以實現(xiàn)單道焊接厚度為100mm鋁合金材料的焊接。在世界范圍內(nèi),已經(jīng)有多個廠家得到英國焊接研究所（TWI）的授權(quán)，成為專業(yè)化的攪拌摩擦焊設(shè)備制造商，如： ESAB、FSWLI、GEMCOR、GTC、HITAHI、KAWASAKI、MTS、Danstir、FSL、MTS、CTC、Stirtec和北京賽福斯特技術(shù)有限公司（中國攪拌摩擦焊中心）等.其中,北京賽福斯特技術(shù)有限公司是中國地區(qū)（包括香港、澳門和臺灣）唯一得到英國焊接研究所（TWI）授權(quán)的專業(yè)化攪拌摩擦焊技術(shù)開發(fā)與設(shè)備制造企業(yè)。攪拌摩擦焊工藝參數(shù)主要有攪拌頭的傾角、攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度、攪拌頭的插入深度、插入速度、插入停留時間、焊接速度、焊接壓力、回抽停留時間、攪拌頭的回抽速度。采用數(shù)值模擬方法,對攪拌摩擦焊工藝過程與接頭形成和質(zhì)量進行建模描述及預(yù)測,正在各國學(xué)術(shù)界掀起熱潮,主要研究工作內(nèi)容包括有:1) 1) 攪拌頭與工件摩擦產(chǎn)熱模型;2) 2) 攪拌摩擦焊熱過程模擬及預(yù)測;3) 3) 焊縫形成與熱塑金屬的遷移;4) 4) 諸多工藝參數(shù)的耦合效應(yīng);5) 5) 焊縫中缺陷形成的機制;6) 6) 攪拌摩擦焊引發(fā)的殘余應(yīng)力與變形.數(shù)值模擬及預(yù)測中的關(guān)鍵,是正確地描述物理現(xiàn)象;即在建立有效物理模型(實驗)的基礎(chǔ)上,才能運用數(shù)學(xué)建模和有限元方法進行分析,獲得反映實際的結(jié)果,用以指導(dǎo)實踐.更重要的是用物理實驗對數(shù)值模擬結(jié)果進行驗證,二者相輔相成. 只有正確的模擬及預(yù)測才能有工程實用價值,避免反復(fù)實驗.圖9所示為一組典型的攪拌摩擦焊過程主要工藝參數(shù)實時檢測記錄曲線. 被焊材料為厚6mm低合金鋼，焊縫長度75cm。為了這些數(shù)據(jù)的采集,在攪拌頭的相應(yīng)部位安裝有參數(shù)傳感器.攪拌摩擦焊電器控制系統(tǒng)可以采取多種控制方式，目前在國內(nèi)、外經(jīng)常采用的有三種：數(shù)控控制系統(tǒng)（CNC）、可編程控制系統(tǒng)（PLC）、工控機控制系統(tǒng)（PC）.圖9 低合金鋼攪拌摩擦焊過程各軸負載及攪拌頭溫升曲線Low Alloy Steel - 低合金鋼, Load (lb f) - 負載(磅力), Tool Temperature - 工具溫度Temperature(),RPM - 溫度,轉(zhuǎn)速/分, Time (s) - 時間(秒), Spindle RPM - 主軸轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)/分 X Axis Load - X軸負荷, Y Axis Load -Y軸負荷, Z Axis Load - Z軸負荷,3 攪拌摩擦焊在國內(nèi)的發(fā)展3.1 中國攪拌摩擦焊中心的成立2002年，北京航空制造工程研究所與英國焊接研究所正式簽署攪拌摩擦焊專利許可協(xié)議，并在技術(shù)合作的基礎(chǔ)上成立了中國攪拌摩擦焊中心。中國攪拌摩擦焊中心的成立標志著攪拌摩擦焊技術(shù)正式登陸中國。中國攪拌摩擦焊中心全權(quán)代表英國焊接研究所,發(fā)售和管理中國地區(qū)（包括香港、澳門和臺灣）的攪拌摩擦焊技術(shù)專利許可，從此為攪拌摩擦焊技術(shù)在中國地區(qū)的發(fā)展、推廣和工業(yè)化應(yīng)用打開了大門。兩年多來，攪拌摩擦焊在中國已經(jīng)起飛;在技術(shù)、工藝、設(shè)備等方面都有了突破性的進展，并且已經(jīng)在工業(yè)中得到應(yīng)用，正在推動著中國輕合金結(jié)構(gòu)制造業(yè)連接技術(shù)的加速發(fā)展。3.2 攪拌摩擦焊在中國的發(fā)展自中國攪拌摩擦焊中心成立以來，在FSW設(shè)備及工藝技術(shù)開發(fā)方面均取得了比較大的進步。在兩年時間里，該中心為國內(nèi)的科研院所提供了三臺研究型設(shè)備（圖10），為航天、軌道車輛及兵器工業(yè)的生產(chǎn)企業(yè)研制了三臺生產(chǎn)型設(shè)備（圖11），為支持本中心的科研工作,分別開發(fā)了懸臂式攪拌摩擦焊接設(shè)備和平面二維攪拌摩擦焊接設(shè)備(圖12), 曾在2004年的北京埃森博覽會展出。其中某些設(shè)備已經(jīng)投入相關(guān)產(chǎn)品的批量化生產(chǎn)，產(chǎn)生了比較明顯的社會效益和經(jīng)濟效益。如為常州軌道車輛牽引工程研究中心提供的FSW設(shè)備目前已用于鋁合金型材的拼接（圖13），為吉林一廠家生產(chǎn)的FSW設(shè)備已用于小型容器環(huán)焊縫的批量生產(chǎn)（圖14）. 圖10 為江蘇科技大學(xué)提供的FSW焊接設(shè)備圖11 為航天某生產(chǎn)基地提供的專用FSW焊接設(shè)備圖12 平面二維FSW焊接設(shè)備圖13 采用FSW技術(shù)制造的鋁合金散熱器型材對接焊圖14 采用FSW技術(shù)制造帶環(huán)焊縫的小型容器FSW焊縫FSW焊縫平面二維FSW設(shè)備的研制成功，標志著國內(nèi)FSW設(shè)備的研制水平已經(jīng)不限于平面直縫的焊接，該設(shè)備已用于熱沉器類產(chǎn)品如的制造,圖15為采用最新研制的平面二維FSW設(shè)備制造的某型號電路板外接水冷散熱器，它由蛇形蓋板和有蛇形槽的底座組成，將蓋板與底座連接起來。在4MPa的壓力下保壓20分鐘無滲漏，遠遠高于設(shè)計要求。平面二維FSW設(shè)備還可以比較容易地實現(xiàn)尺寸較小的曲線（圓形）焊縫的焊接或修補孔洞。中國攪拌摩擦焊中心目前已成功地將攪拌摩擦焊應(yīng)用于軌道車輛逆變電源箱體型材連接，正在進行軌道車輛部件攪拌摩擦焊工業(yè)化應(yīng)用研究。除常用的對接接頭焊接外，也實現(xiàn)了搭接和T型接頭的焊接，管狀零件與平板件的連接及紫銅與鋁合金材料的搭接焊(用于電力線路器材)。FSW焊縫 在基礎(chǔ)技術(shù)研究和工程技術(shù)研究方面, 中國攪拌摩擦焊中心于2004年完成了預(yù)研課題攪拌摩擦焊技術(shù):采用FSW技術(shù)焊接的直徑2.25火箭燃料貯箱模擬件 (圖16) 完全達到了設(shè)計要求，通過了承壓試驗的考核。2004年還完成了飛機機翼結(jié)構(gòu)先進連接技術(shù)綜合驗證平臺中的FSW焊接部分在該驗證平臺中，其它連接技術(shù)制造的結(jié)構(gòu)均是以FSW結(jié)構(gòu)為基準進行裝配。在基礎(chǔ)研究方面，開展了攪拌摩擦焊溫度場及流場的數(shù)值模擬研究和攪拌摩擦焊接頭的疲勞性能研究，目前均取得了階段性研究成果。圖16 攪拌摩擦焊接的運載火箭燃料貯箱模擬件在過去的兩年間,國內(nèi)一些高等院校和科研與生產(chǎn)單位,相繼通過中國攪拌摩擦焊中心,正式獲取了英國焊接研究所的專利使用許可證,開展了不少科學(xué)試驗研究工作及產(chǎn)品開發(fā)應(yīng)用.這些單位有學(xué)校: 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 江蘇科技大學(xué) 蘭州理工大學(xué)FSW產(chǎn)品生產(chǎn)許可單位有: 常州軌道牽引傳動技術(shù)研究中心 吉林3305機械廠航天科工集團283廠 湖北三江紅陽機械廠金屬工業(yè)研究發(fā)展中心 ( 臺灣 高雄 )另外,還有以個人名義,獲得FSW專利使用許可的若干人.從所發(fā)表文章的內(nèi)容看,國內(nèi)主要研究工作方向有:鋁合金FSW接頭性能及缺陷形成機制;2xxx,7xxx系列”難焊”材料FSW接頭性能提高的工藝措施;攪拌頭的選材與結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化;FSW過程熱塑性金屬的遷移規(guī)律認知;FSW產(chǎn)熱機理及熱過程;焊后熱處理規(guī)范;焊接殘余應(yīng)力與變形;異種材料FSW連接的可行性;金屬基復(fù)合材料的連接;其它輕金屬及鑄鍛材料的連接;塑料的FSW技術(shù)等等.其中的一些研究具有工程應(yīng)用背景,另一些則多為學(xué)術(shù)研究,有限元數(shù)值分析的運用方興未艾.3.3 鋁合金攪拌摩擦焊接頭性能研究 表1中列出了國外研究鋁合金FSW接頭典型性能數(shù)據(jù)對比.材料類別不同, 通常接頭系數(shù)(接頭強度/母材強度)可達到0.85-1.00,這在很大程度上取決于攪拌頭的形狀和工藝參數(shù). 表1 鋁合金FSW接頭的典型力學(xué)性能在國內(nèi),中國攪拌摩擦焊中心所積累的工藝基礎(chǔ)研究數(shù)據(jù)表明,非熱處理強化鋁合金,如變形防銹鋁合金LF6的FSW接頭強度可以達到與母材等強;可熱處理強化鋁合金,如硬鋁合金、鍛鋁合金LD10的FSW接頭強度,在焊后約為母材的76-80%,經(jīng)人工時效處理后,可與母材等強.3.4 攪拌摩擦焊接頭的質(zhì)量檢測與工藝標準的制訂盡管攪拌摩擦焊技術(shù)已在宇航工業(yè)、高速列車、輕型艦船以及汽車等領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用;在接頭質(zhì)量方面,采用了許多先進的無損檢測方法,如超聲波相控陣檢測技術(shù)等;但是,國際上還沒有制定出統(tǒng)一的攪拌摩擦焊接頭質(zhì)量檢驗標準和工藝標準，有的只是各企業(yè)內(nèi)部的企業(yè)技術(shù)標準。鑒于在中國,攪拌摩擦焊接技術(shù)應(yīng)用日益擴大，中國攪拌摩擦焊中心率先制訂了國內(nèi)第一部攪拌摩擦焊技術(shù)企業(yè)標準，鋁及鋁合金攪拌摩擦焊質(zhì)量檢驗標準（北京航空制造工程研究所發(fā)布，Q/9S103-2004）和鋁及鋁合金攪拌摩擦焊工藝標準（Q/9S102-2004）。這兩項標準是中國攪拌摩擦焊中心在所承擔(dān)的國防基礎(chǔ)科研課題攪拌摩擦焊技術(shù)的研究成果基礎(chǔ)上制訂的。在該課題中，中國攪拌摩擦焊中心完成了LF6、LD10、S147鋁合金的攪拌摩擦焊工藝研究，并按上述標準,完成了運載火箭燃料貯箱模擬件的焊接。該模擬件已通過承壓試驗測試，完全滿足設(shè)計要求。因此，兩項標準的制訂具有較強的工程實踐意義。3.5 攪拌摩擦焊在國內(nèi)的發(fā)展前景通過前兩年的技術(shù)積累和市場推廣，其中包括設(shè)備開發(fā)、工藝研究及產(chǎn)品試制等幾個方面，預(yù)測在35年之內(nèi)，F(xiàn)SW技術(shù)有望首先擴大應(yīng)用到航天結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)制造中，實現(xiàn)我國航天制造技術(shù)中的一大跨躍式發(fā)展。在全面性能（尤其是疲勞性能和抗腐蝕性能）研究基礎(chǔ)上，攪拌摩擦焊接技術(shù)在航空制造領(lǐng)域有可能先應(yīng)用到飛機制造中的某些非重要鋁合金承力結(jié)構(gòu)（如運輸機中的載物底板等）.隨后,逐步向重要的鋁合金承力結(jié)構(gòu)中推廣。FSW技術(shù)在這一領(lǐng)域的擴大應(yīng)用可能需要較長的時間（510年）。但是鑒于飛機結(jié)構(gòu)輕量化的需要,以及FSW技術(shù)在焊接輕合金（如鋁合金、鎂合金等）方面的獨特優(yōu)勢，將FSW技術(shù)用于飛機結(jié)構(gòu)的制造已是大勢所趨。鋁合金型材拼接技術(shù)的開發(fā)是攪拌摩擦焊技術(shù)在工程化、市場化中量大面廣的最重要領(lǐng)域，如軌道列車（包括高速列車,地鐵列車和鋁合金貨運車）、快速艦船產(chǎn)品等.采用攪拌摩擦焊接技術(shù)在這些方面的優(yōu)勢是生產(chǎn)效率高、焊接變形小、成本低、質(zhì)量好等。以鋁合金列車為例，有統(tǒng)計表明，到2020年，我國約需新配備鋁合金客車20萬輛、鋁合金運煤車20萬輛?？梢?攪拌摩擦焊接技術(shù)在我國軌道車輛、快速艦船等領(lǐng)域的大規(guī)模工程化應(yīng)用前景也非常廣闊。4 結(jié)束語1) 1) 攪拌摩擦焊作為先進的固態(tài)連接