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(yè)上海中集冷藏箱有限公司第1頁(yè)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(guó)焊接研究所1991 年的一項(xiàng)杰出的發(fā)明?？梢哉f(shuō)，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(jī)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(guò)程中， 一個(gè)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(huì)達(dá)到和超過(guò)被焊接材料的熔點(diǎn)），當(dāng)攪拌頭旋轉(zhuǎn)著向前移動(dòng)時(shí)，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(yīng)的焊接新裝備和攪拌工具的發(fā)展也非?？?， 為實(shí)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(dòng)化裝置及機(jī)器人攪拌摩擦焊機(jī)等相繼問(wèn)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(diǎn)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(dòng)化和機(jī)器人操作的優(yōu)點(diǎn)；對(duì)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

3、無(wú)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(duì)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(duì)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(shí)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(yè)共18頁(yè)鋼、鈦合金甚至高溫合金的優(yōu)質(zhì)連接，不過(guò)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(wèn)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(shí)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

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(guó)焊接研究所已經(jīng)能夠單道單面實(shí)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(shí)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(duì)接板材。最近, 又開(kāi)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(shí)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(shí)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(duì)于 6.4mm

5、厚的 2014-T6 鋁合金， FSW焊接頭性能比TIG焊高 16 ; 對(duì)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(zhǎng)、直規(guī)則焊縫（平板對(duì)接和搭接）的理想焊接方法. 攪拌摩擦焊也已可以實(shí)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(shí)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(duì)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(diǎn)

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(shí)現(xiàn)無(wú)孔焊接）；焊接時(shí)的機(jī)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(shí)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(shì)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(yè)上海中集冷藏箱有限公司第3頁(yè)共18四、競(jìng)爭(zhēng)對(duì)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(guó)焊接研究所（The Welding Institute-TWI）發(fā)明了攪拌摩擦焊（FrictionStir Welding-FSW ），這項(xiàng)杰出的焊接技術(shù)發(fā)明正在為世界制造

7、技術(shù)的進(jìn)步做出貢獻(xiàn)。在國(guó)外 , 攪拌摩擦焊已經(jīng)在諸多制造領(lǐng)域達(dá)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(shí)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(shí)現(xiàn)了大型空間運(yùn)載工具如運(yùn)載火箭和航天飛機(jī)等的大型高強(qiáng)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(shí)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(guó) TOWER汽車公司等就利用攪拌摩擦焊實(shí)現(xiàn)了汽車懸掛支架、輕合金車輪、防撞緩沖器、發(fā)動(dòng)機(jī)安裝支架以及鋁合金車身的焊接。2002 年 8 月，美國(guó)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(jī)，并且首次試飛成功。截至 2004 年 9 月，全世界約有130 家各個(gè)行業(yè)的公司和大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)獲得了英國(guó)焊接研究所授權(quán)的攪拌摩擦焊非獨(dú)占性專利許可。已經(jīng)有多個(gè)國(guó)家如：英國(guó)、美國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、瑞典、日本和中國(guó)等,把攪拌摩擦焊技術(shù)擴(kuò)大應(yīng)用的同時(shí), 在世界范圍內(nèi)申請(qǐng)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(xiàng)攪拌摩擦焊技術(shù)專利申請(qǐng);

9、 到2004 年底，全世界已經(jīng)公開(kāi)的攪拌摩擦焊專利申請(qǐng)達(dá)到了1218 項(xiàng)。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(diǎn)攪拌摩擦焊作為一項(xiàng)新型焊接方法，用很短的時(shí)間就完成了從發(fā)明到工業(yè)化應(yīng)用的歷程。目前 , 在國(guó)際上還沒(méi)有針對(duì)攪拌摩擦焊公布的統(tǒng)一技術(shù)術(shù)語(yǔ)標(biāo)準(zhǔn)，在攪拌摩擦焊專利許可協(xié)會(huì)的影響下，業(yè)界已經(jīng)對(duì)攪拌摩擦焊方法中所涉及到的通用技術(shù)術(shù)語(yǔ)進(jìn)行了定義和認(rèn)可。圖 1 示出了攪拌摩擦焊所用到的主要描述性術(shù)語(yǔ)。圖 1 攪拌摩擦焊原理示意與名詞術(shù)語(yǔ)攪拌摩擦焊技術(shù)所涉及到的主要技術(shù)術(shù)語(yǔ)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(tái)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(yè)共18頁(yè)前進(jìn)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?jǐn)嚢桀^軸肩與工件表面接觸的壓力；攪拌摩擦焊是一種在機(jī)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(guò)程中， 一個(gè)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(huì)達(dá)到和超過(guò)被焊接材料的熔點(diǎn)），當(dāng)攪拌頭旋轉(zhuǎn)著向前移動(dòng)時(shí)，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(dòng)化和機(jī)器人操作的諸多優(yōu)點(diǎn)，對(duì)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(wú)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(shí)現(xiàn)無(wú)孔焊接） ； 焊接

12、時(shí)的機(jī)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(shí)現(xiàn)添絲焊接。攪拌摩擦焊對(duì)材料的適應(yīng)性很強(qiáng)，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(guò)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(diǎn) ; 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(duì)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(duì)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(shí)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(shí)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(shí)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(wèn)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(shí)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(guó)焊接研究所已經(jīng)能夠單道單面實(shí)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(shí)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(duì)接板材。最近 , 又開(kāi)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(zhǎng)、直規(guī)則焊縫（平板對(duì)接和搭接）的理想焊接方法. 攪拌摩擦焊也已可以實(shí)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(shí)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(duì)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

15、據(jù)有明顯的優(yōu)越性。例如, 對(duì)于 6.4mm厚的 2014-T6鋁合金， FSW焊接頭性能比 TIG焊高 16 ; 對(duì)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(yè)上海中集冷藏箱有限公司第5頁(yè)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(guó)焊接研究所對(duì)6mm厚度的 2014-T6 、 2219-T6 、5083-0 和 7075-T7351 等鋁合金進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)（ECCS class B3 ）。2 攪拌摩擦焊在國(guó)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(gè)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(guó)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(shí)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(shí)例。攪拌摩擦焊在船舶制造工業(yè)中的應(yīng)用早在 1995 年，挪威

17、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(jiàn)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(rèn)可。從 1996 到 1999，已經(jīng)成功焊接了 1700 塊船舶面板，焊縫總長(zhǎng)度超過(guò) 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(jī)起降平臺(tái) , 離岸水上觀測(cè)站 , 船舶碼頭 , 水下工具和海洋運(yùn)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(yīng)用航空航天飛行器鋁合金結(jié)構(gòu)件，如飛機(jī)機(jī)翼壁板、運(yùn)載火箭燃料儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)這些系列鋁合金的優(yōu)質(zhì)連接 , 國(guó)外已經(jīng)在飛機(jī)、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(duì)航空航天工業(yè)來(lái)說(shuō)有著明顯的經(jīng)濟(jì)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(yùn)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(yùn)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(hào)”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(yè)共18頁(yè)擦焊技術(shù)，壓力貯箱焊縫接頭強(qiáng)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(yùn)載火箭中心助推器。 Delta 運(yùn)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(wú)缺陷焊縫應(yīng)用于 Delta II火箭， 1200m無(wú)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(dòng)機(jī)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(qiáng)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，