攪拌摩擦點焊的基本原理

1 引言
    隨著全球資源與環(huán)境保護問題的日趨嚴峻，運載工具的輕量化設計成為汽車、航空航天等制造領域的發(fā)展方向。一方面采用鋁合金代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼材料，另一方面通過高效的新型工藝技術提高產(chǎn)品的可靠性并降低產(chǎn)品重量。鋁合金作為運載工具的主要制造材料，其主要連接方式是焊接和鉚接。在歐洲汽車車體生產(chǎn)中，常用的連接技術是YAG激光焊接方法，在日本車體制造中常用電阻點焊方法，運載火箭貯箱的制造過程中要大量應用電阻點焊和鉚接技術，而航空飛行器的制造過程更需要廣泛采用鉚接技術。
    電阻點焊生產(chǎn)效率高、操作靈活性好，但也存在許多局限性，主要表現(xiàn)在：a．焊接過程需要提供大電流，耗能大；b．鋁合金表面氧化膜造成電極壽命明顯縮短；C．由于焊接大電流的作用，工件將產(chǎn)生明顯的熱變形，且焊縫中易出現(xiàn)缺陷和焊點質量不穩(wěn)定，接頭質量差；d．焊接過程中有飛濺，點焊工作環(huán)境差。鉚接是鋁合金構件中一種常用的連接技術，但是采用鉚接技術一方面會增加鋁合金構件的重量，另一方面在鉚接過程中會產(chǎn)生大量的噪音，生產(chǎn)環(huán)境惡劣，另外，鉚接技術需要在鋁合金構件上預開孔，增加了生產(chǎn)成本。因此，研究開發(fā)鋁合金新的點焊連接技術替代傳統(tǒng)的電阻點焊和鉚接技術，對擴大鋁合金在汽車工業(yè)的應用，推動汽車輕量化發(fā)展以及提高航空、航天運載能力具有十分重要的意義。
    攪拌摩擦點焊(Friction Stir Spot Welding，F(xiàn)SSW)是在“線性”攪拌摩擦焊接基礎上，新近研究開發(fā)的一種創(chuàng)新的焊接技術。FSSW可以形成點焊的搭接接頭，其焊縫外觀與通常應用于鋁合金構件的電阻點焊類似，因而具有很高的應用價值和研究意義。
2 攪拌摩擦點焊的基本原理
    目前，已公開的資料中報道了兩種不同的FSSW技術。第一種方法是日本Mazda汽車公司于1993年發(fā)明的攪拌摩擦點焊，基本原理如圖1所示。這種攪拌摩擦點焊又稱為“帶有退出孔的攪拌摩擦點焊”技術，采用的焊接設備與普通攪拌摩擦焊接設備類似，具體的焊接過程可分為3個階段。
    A．壓入過程：攪拌頭不斷旋轉，通過施加頂鍛壓力插入連接工件中，在壓力作用下工件與攪拌頭之間產(chǎn)生摩擦熱，軟化周圍材料，攪拌頭進一步壓入工件
    B．連接過程：攪拌頭完全鑲嵌在工件中，保持攪拌頭壓力并使軸肩接觸工件表面，繼續(xù)旋轉一定時間
    C．回撤過程：完成連接后攪拌頭從工件退出，在點焊縫中心留下典型的退出凹孔。
    第二種方法是德國GKSS研究中心于1999年發(fā)明的攪拌摩擦點焊，采用特殊的攪拌頭，通過精確控制攪拌頭各部件的相對運動，在攪拌頭回撤的同時填充攪拌頭在焊接過程中形成的退出孔，采用該方法焊接的點焊縫平整，焊點中心沒有凹孔。攪拌摩擦點焊的攪拌頭主要由三部分組成，分別為最內部的探針、中間層的袖筒以及最外層的夾套。其中，夾套在焊接時固定，不發(fā)生旋轉，而中間層的袖筒和最內層的探針在焊接時既發(fā)生旋轉也發(fā)生沿軸向的相對運動。
無退出孔的攪拌摩擦點焊具體焊接過程分為以下幾個階段：
    a.開始焊接時，工件放置在一剛性墊板上，攪拌摩擦點焊攪拌頭壓在工件上，攪拌頭的探針和袖筒高速旋轉，與工件摩擦產(chǎn)生熱量，使材料達到塑性狀態(tài)。夾套將袖筒、探針以及塑性材料密封在一個封閉空腔，防止塑性材料外溢，夾套不旋轉，如圖2所示。
    b.當材料達到足夠的塑性狀態(tài)時，探針和袖筒一邊繼續(xù)旋轉一邊沿軸向進行相對運動，首先是探針向材料上方運動，袖筒向材料下方運動。探針向上運動為材料的運動提供空間，袖筒向下運動時會推動塑性材料發(fā)生相互攪拌與運動，如圖3所示。
    c.當探針和袖筒運動到一定程度，即當袖筒下移到下層工件一定深度后，探針與袖筒反方向進行相對運動，探針向下運動，袖筒向上運動。塑性材料進一步進行融合、攪拌。如圖4所示。
    d.當探針與袖筒反方向運動達到焊接前的平面時，探針、袖筒和夾套與工件上表面重新回到一個平面上。探針和袖筒停止旋轉。攪拌頭整體從工件上移走，焊接完成。
    相比之下，第二種方法要完成復雜的相對運動，填充退出孔將需要相對長的焊接時間，對設備的剛性和控制精度要求嚴格，需要專門的焊接設備進行焊接，前期投入成本較大；但優(yōu)點是焊接后無退出孔，接頭強度高、質量好。而第一種“帶退出孔的攪拌摩擦點焊”方法的優(yōu)點是焊接速度快，并且焊接設備和控制系統(tǒng)比較簡單，容易集成到大批量的汽車組裝生產(chǎn)線中，目前已在Mazda公司等多家汽車生產(chǎn)企業(yè)中獲得應用。