攪拌摩擦焊接的工藝原理

　　攪拌摩擦焊的英文是FrictionStirWelding縮寫(xiě)為FSW，于1991年由英國(guó)焊接研究所(TWI)發(fā)明的。它是利用間接摩擦熱實(shí)現(xiàn)板材的連接。這種方法打破了原來(lái)摩擦焊只限于圓形斷面材料焊接的概念，是上個(gè)世紀(jì)末本世紀(jì)初最新的鋁及其合金的焊接技術(shù)。自從攪拌摩擦焊發(fā)明以來(lái)，攪拌摩擦焊技術(shù)在世界各國(guó)突然興起，得到廣泛的關(guān)注和深入的研究，并向生產(chǎn)適用化發(fā)展，特別是針對(duì)鋁合金材料，世界范圍的研究機(jī)構(gòu)、學(xué)校以及大公司都對(duì)此進(jìn)行了深入細(xì)致的研究和應(yīng)用開(kāi)發(fā)，并且在諸多制造工業(yè)領(lǐng)域得到了成功應(yīng)用。

　　近年來(lái)，為了保護(hù)環(huán)境、節(jié)約能源，人們強(qiáng)烈希望汽車(chē)、飛機(jī)、機(jī)車(chē)車(chē)輛、船舶等運(yùn)輸機(jī)械輕量化。為此，積極開(kāi)發(fā)、研制適用于這些運(yùn)輸機(jī)械的輕金屬材料，例如鋁及其鋁合金。

　　鋁及其鋁合金材料由于重量輕、抗腐蝕、易成形等優(yōu)點(diǎn);隨著新型硬鋁、超硬鋁等材料的出現(xiàn)，使得這類(lèi)材料的性能不斷提高，因而在航空、航天、高速列車(chē)、高速艦船、汽車(chē)等工業(yè)制造領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。除了運(yùn)輸機(jī)械外，土木建筑、橋梁等領(lǐng)域也引入了鋁及其鋁合金。

　　這些結(jié)構(gòu)的安裝連接主要以焊接為主要連接方式。在鋁及其鋁合金的焊接中，存在的主要問(wèn)題之一是由于它的膨脹系數(shù)大而在焊接時(shí)產(chǎn)生較大的變形。為了防止變形，在施工現(xiàn)場(chǎng)，必須采用胎卡具固定，和由培訓(xùn)過(guò)的熟練工人操作。因?yàn)殇X及其鋁合金容易氧化，表面存在一層致密、堅(jiān)固難熔的氧化膜，所以焊前要求對(duì)其表面進(jìn)行去膜處理;焊接時(shí)，要用氬等惰性氣體進(jìn)行保護(hù)。鋁及鋁合金焊接時(shí)，易產(chǎn)生氣孔、熱裂紋等缺陷，也是焊接時(shí)必須注意的問(wèn)題。對(duì)于熱處理型鋁合金來(lái)說(shuō)，必須避免在焊接時(shí)熱影響區(qū)產(chǎn)生軟化，強(qiáng)度降低的問(wèn)題。為了解決鋁及鋁合金熔化焊時(shí)出現(xiàn)的以上問(wèn)題，開(kāi)發(fā)研制出一種新的固相焊接方法，即攪拌摩擦焊。

　　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)圓柱體形狀的焊頭(weldingpin)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，焊頭在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)伸入工件的接縫中，旋轉(zhuǎn)焊頭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流向焊頭的背后，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。焊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，目前已有伸縮式攪拌頭研發(fā)成功，焊后不會(huì)留下焊接匙孔。

　　圖2-1攪拌摩檫焊原理圖

　　攪拌頭由特殊形狀的攪拌指棒和軸肩組成。攪拌指棒的長(zhǎng)度等于板厚，但一般情況下，它的長(zhǎng)度比母材的厚度稍短一些;而軸肩的直徑大于攪拌指棒的直徑。

　　與常規(guī)摩擦焊一樣，攪拌摩擦焊也是利用摩擦熱作為焊接熱源。不同之處在于，攪拌摩擦焊焊接過(guò)程是由一個(gè)圓柱體形狀的焊頭(weldingpin)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1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。

圖1攪拌摩擦焊接過(guò)程示意圖

　　在焊接過(guò)程中，焊頭在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)伸入工件的接縫中，旋轉(zhuǎn)焊頭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流向焊頭的背后，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。焊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。