攪拌摩擦焊介紹

　　摩擦焊是利用工件端面相互運(yùn)動、相互摩擦所產(chǎn)生的熱，使端部達(dá)到熱塑性狀態(tài)，然后迅速頂鍛，完成焊接的一種方法。摩擦焊可以方便地連接同種或異種材料，包括金屬、部分金屬基復(fù)合材料、陶瓷及塑料。摩擦焊方法在制造業(yè)中已應(yīng)用40多年了，由于其生產(chǎn)率高、質(zhì)量好獲得了廣泛的工程應(yīng)用，但焊接的對象主要是回轉(zhuǎn)形零件，雖然也有其它形式的摩擦焊技術(shù)出現(xiàn)，以克服被焊工件幾何形狀的限制或提高生產(chǎn)率，如相位摩擦焊、徑向摩擦焊、線性摩擦焊等，但實(shí)際應(yīng)用很少。最近還出現(xiàn)了摩擦堆焊，在工件上形成特殊性能的表面層。

 1、發(fā)展歷史

　　攪拌摩擦焊(Friction Stir Welding，簡稱FSW)是英國焊接研究所(The Welding Institute)于1991年發(fā)明的專利焊接技術(shù)。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)行多種接頭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年美國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。下面主要介紹攪拌摩擦焊的方法、過程、特點(diǎn)以及攪拌摩擦焊在中國的發(fā)展現(xiàn)狀。

2、原理

　　攪拌摩擦焊示意圖

　　 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 pin)伸入工件的接縫處，通過焊頭的高速旋轉(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)對材料進(jìn)行攪拌摩擦來完成焊接的。焊接過程如圖所示。在焊接過程中工件要剛性固定在背墊上，焊頭邊高速旋轉(zhuǎn)，邊沿工件的接縫與工件相對移動。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，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)動和工件的相對運(yùn)動，即使一臺銑床也可簡單地達(dá)到小型平板對接焊的要求。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。針對匙孔問題，已有伸縮式攪拌頭研發(fā)成功，焊后不會留下焊接匙孔。

　　關(guān)于在攪拌摩擦過程中界面原子的運(yùn)動仍處于研究階段。

3、特點(diǎn)

　　焊接過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，無論是采用無變形焊接技術(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困難有關(guān)，迫使人們在有色金屬焊接時(shí)尋找非熔化的焊接方法。對于延性好、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，而且在焊接過程中工件要有良好的支撐或村墊。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頭，如對接、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，焊接前及焊接過程中對環(huán)境的污染小。焊前工件無需嚴(yán)格的表面清理準(zhǔn)備要求，焊接過程中的摩擦和攪拌可以去除焊件表面的氧化膜，焊接過程中也無煙塵和飛濺.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，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。

　　由于攪拌摩擦焊過程中熱輸入相對于熔焊過程較小，接頭部位不存在金屬的熔化，是一種固態(tài)焊接過程，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有不良反應(yīng)的材料。其主要優(yōu)點(diǎn)如下：

(1)焊接接頭熱影響區(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)能一次完成較長焊縫、大截面、不同位置的焊接.接頭高：

(3)操作過程方便實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動化，設(shè)備簡單，能耗低，功效高，對作業(yè)環(huán)境要求低：

(4)無需添加焊絲，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)焊接過程安全、無污染、無煙塵、無輻射等。

　　攪拌摩擦焊也存在一定的缺點(diǎn)：焊接工件必須剛性固定，反面應(yīng)有底板;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，并且難以對焊縫進(jìn)行修補(bǔ)：工具設(shè)計(jì)、過程參數(shù)和機(jī)械性能數(shù)據(jù)只在有限的合金范圍內(nèi)可得：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;對板材進(jìn)行單道連接時(shí)，焊速不是很高：攪拌頭的磨損消耗太快等。