發布日期：2022-04-27 點擊率：719 品牌：組態王_Kingview
摘 要：攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding－FSW）作為一項新型的革命性的連接技術，為裝備制造工業中輕合金的低成本、高效率和高質量連接提供了有效途徑；本文在詳細介紹攪拌摩擦焊知識產權、原理、攪拌頭、焊接材料、接頭性能、攪拌摩擦焊設備和攪拌摩擦焊工業應用等基礎上，對攪拌摩擦焊在中國裝備制造工業中的發展和應用進行簡要概括。
關鍵詞：攪拌摩擦焊；制造技術；焊接設備
攪拌摩擦焊技術是世界焊接技術發展史上自發明到工業應用時間跨度最短和發展最快的一項神奇的固相連接新技術［1］。攪拌摩擦焊被認為是最有前途和最適合宇航材料以及結構件制造的工藝方法之一［2］。
本文在介紹攪拌摩擦焊原理、攪拌頭、焊接材料、接頭性能、攪拌摩擦焊設備及工業應用等的基礎上，對攪拌摩擦焊在中國的發展和應用進行展望。
1 攪拌摩擦焊知識產權
攪拌摩擦焊是英國焊接研究所（TWI）1991年發明的，并進行了世界范圍內專利保護的新型連接技術［3］［4］［5］。攪拌摩擦焊自發明以來就受到制造工業的密切關注和支持，并且在1996年就在工業制造領域得到成功應用［6］。
截止2002年9月15日，世界范圍內得到英國焊接研究所攪拌摩擦焊專利技術許可的用戶已經有78家。迄今，世界范圍內已經申請的與攪拌摩擦焊技術相關的專利技術有551項。
1995年英國焊接研究所（TWI）在中國申請了有關攪拌摩擦焊和攪拌頭專利保護(專利號:ZL95192193.2)，并且在1999年得到了中國知識產權局的批準(批準號:51451)；在 2002年4月18日，北京航空制造工程研究所和英國焊接研究所在北京正式簽署攪拌摩擦焊專利許可和技術合作協議，并且在雙方合作成立了中國攪拌摩擦焊中心的基礎上，注冊成立了中國首家專業化的攪拌摩擦焊技術公司——北京賽福斯特技術有限公司。
北京賽福斯特技術有限公司負責中國攪拌摩擦焊中心在中國地區（包括：香港、澳門和臺灣）的所有攪拌摩擦焊業務：主要從事攪拌摩擦焊技術的研究、FSW工程應用開發、FSW設備的制造和銷售以及全權負責中國攪拌摩擦焊中心的FSW "二級許可權" 的發放和管理。
中國攪拌摩擦焊中心和專業化北京賽福斯特技術有限公司的成立，標志著攪拌摩擦焊技術的開發和工程應用研究工作在中國市場的正式開始，是新世紀中國焊接技術發展史上一塊矚目的里程碑。
2 攪拌摩擦焊原理
攪拌摩擦焊是利用一種特殊的非耗損的攪拌頭，旋轉著壓入被焊零件的界面，攪拌頭與被焊零件的摩擦使被焊材料熱塑化，當攪拌頭沿著焊接界面向前移動時，熱塑化的材料由前向后轉移，在熱/機聯合作用下擴散連接形成致密的固相連接接頭。
3 攪拌摩擦焊特點
與傳統的弧焊方法相比較，攪拌摩擦焊在輕合金材料的連接方面具有諸多優越性，如：
固相連接——被焊材料沒有熔化；
無變形焊接方法——焊接變形很小；
材料自擴散連接——不需要添絲和保護氣；
綠色焊接技術——沒有煙塵、飛濺、紫外輻射；
機床加工技術——容易實現自動化；
優良的連接質量——接頭性能等于或超過母材；
節省能源——總功率輸入低；
“萬能”焊接方法可以焊接所有牌號的輕合金材料。
攪拌摩擦焊在某些方面也存在局限性，例如，需要攪拌頭向被焊工件施加足夠大的頂鍛壓力和向前驅動力，被焊零件需要被剛性固定；焊接末尾會存在“匙孔”；另外，與弧焊相比較，需要對焊縫施加巨大的頂鍛壓力，限制了攪拌摩擦焊技術在機器人等柔性設備上的應用。
4 攪拌頭
攪拌頭是攪拌摩擦焊技術中最重要的技術之一。
攪拌頭一般由耐高溫抗磨損材料制成，主要包括特形指棒和軸肩兩部分，在焊接過程軸肩與被焊材料的表面緊密接觸，防止塑化金屬材料的擠出和氧化，同時攪拌軸肩還可以提供部分焊接所需要的攪拌摩擦熱，攪拌指棒的形狀比較特殊，焊接過程中攪拌指棒要旋轉著壓入被焊材料的結合界面處，并且沿著待焊界面向前移動。
隨著攪拌摩擦焊技術的發展，英國焊接研究所研制的“藝術階段”的 WhorlTM和 MX TrifluteTM系列攪拌頭可以在6毫米厚的鋁合金擠壓形材上連續焊接上千米的焊縫而不用更換，并且可以得到性能更加優良的焊縫。
攪拌摩擦焊薄板結構零件時，攪拌頭的肩部與工件表面摩擦產生的熱量是金屬熱塑化所需能量的來源。對于厚板的攪拌摩擦焊來說，要得到優良的焊接接頭，隨著板厚的增加，攪拌頭與工件之間需要提供更多的熱來保證攪拌頭附近區域金屬的熱塑化，同時，攪拌頭還需要確保焊接區域金屬材料的攪拌激活以及控制塑化金屬的流變轉移來形成合格的固相焊縫。總之，攪拌頭確實是攪拌摩擦焊技術中的心臟。
5 攪拌摩擦焊材料
攪拌摩擦焊的焊接溫度一般低于材料的熔點，焊接過程中始終沒有材料的熔化。所以攪拌摩擦焊是一種固態連接方法。
基于攪拌摩擦焊過程中不存在材料熔化的特點，攪拌摩擦焊幾乎可以焊接所有系列的鋁合金材料以及鋁基復合材料(MMC)。對于以前傳統焊接方法認為“不可焊接”的2xxx和7xxx系列高強鋁合金材料，也能得到可靠連接。對于異種材料攪拌摩擦焊也具有優越性，如攪拌摩擦焊不僅可以實現2024/6061以及2024/7075等不同牌號鋁合金材料的焊接，還可以實現銅合金和鋁合金等不同種材料的焊接。
攪拌摩擦焊還可以焊接銅、鎂、鋅、鉛等合金材料，對于鋼合金、鈦合金和鋁基復合材料的攪拌摩擦焊開發研究也很成功。
對于不同材料狀態的鋁合金，攪拌摩擦焊也能實現焊接，如鍛壓板材和擠壓形材的焊接，鍛壓板材和鑄鋁的焊接等。
6 接頭性能
攪拌摩擦焊接頭主要包括四個微結構區域：焊核區、熱/機影響區、熱影響區和母材；中間區域為晶粒非常細小的焊核區域，其中橢圓形的“洋蔥”環狀組織結構是焊接接頭良好的標志；在焊核區的外圍存在一個熱/機影響區，此部分晶粒組織發生了明顯的塑性變形和部分重結晶。
普通條件下（如O狀態）的非熱處理強化鋁合金，攪拌摩擦焊可以得到沒有空洞和裂紋的優良焊接接頭，接頭的拉伸強度一般大于或優于母材，并且斷裂一般出現在熱影響區和遠離焊縫接頭的母材上；對于冷作和熱處理強化鋁合金，攪拌摩擦焊接頭的力學性能優于弧焊接頭。另外，通過控制攪拌摩擦焊過程中焊縫區域的熱輸入，特別是控制攪拌摩擦焊接頭中硬度和強度最低的熱影響區的回火和過時效影響，可以有效地提高焊接接頭的力學性能指標。
與熔焊方法相比較，鋁合金材料的攪拌摩擦焊接頭的疲勞性能具有明顯的優勢，這是因為攪拌摩擦焊得到的是精細的再結晶組織，另外焊接過程沒有材料的熔化，焊縫組織中沒有熔焊經常出現的凝固偏析、裂紋、氣孔和夾雜等缺陷，所以接頭綜合性能比熔焊優良。
7 攪拌摩擦焊設備
攪拌摩擦焊設備有很多種類，且具備如下特點：精度高、剛度強，力矩大和多軸柔性控制。
針對攪拌摩擦焊開發研究，美國South Carolina大學擁有世界上靜態焊接壓力最大（130 kN）的液壓驅動試驗設備。這臺大壓力、自適應的柔性制造設備，主要用來從事宇航結構件的攪拌摩擦焊研究；該攪拌摩擦焊設備裝有可調節的自適應攪拌頭和多軸攪拌摩擦焊控制系統，能夠實現非平面和變截面（厚度）結構件高強合金材料的攪拌摩擦焊開發研究。
2002年，英國焊接研究所（TWI）擁有了世界上尺寸最大的龍門式攪拌摩擦焊設備，該設備的焊接范圍為8 m(長)x 5 m（寬）x 1 m（高），該設備是迄今世界上最大的實驗設備。
2003年5月，中國攪拌摩擦焊中心設計、制造的亞洲迄今最大（據公開報到）的一臺攪拌摩擦焊設備通過驗收，并正式投入研究、開發使用。該型號為FSW-1DB-001型攪拌摩擦焊設備可以焊接厚度為25 mm的鋁合金、鎂合金，15 mm的銅合金以及10 mm的鈦合金材料，可以焊接1.5 m長的縱縫，和直徑2 m以上的筒形件。該設備主要由主軸動力單元、液壓驅動單元、擺動式焊接夾具、高精度焊接平臺、懸臂式移動橫梁、SIEMENS WinAC友好人機界面控制系統、德國Heidenhain位置傳感控制系統等組成。主要應用對象為大壁板航天火箭筒體的攪拌摩擦焊制造。
8 攪拌摩擦焊工業應用
攪拌摩擦焊技術已由試驗研究、工程開發轉入大規模的工業化應用階段，迄今，已經在宇航、船舶、高速列車等制造領域得到了非常成功的應用。
船舶制造和海洋工業是攪拌摩擦焊首先得到商業應用的兩個工業領域，主要應用：甲板、側板、防水壁板、和地板；型材；外殼和主體結構件；直升機降落平臺；水上觀測站；海洋運輸結構件；帆船的桅桿及結構件；船用冷凍器中空平板等。
攪拌摩擦焊在飛機制造領域還處于驗證階段，攪拌摩擦焊已經在軍用和民用飛機上得到驗證飛行和部分應用的有機翼、機身、尾翼、飛機油箱、起落架倉蓋等。在宇航領域，攪拌摩擦焊已成功應用運載火箭、航天飛機的低溫燃料筒；軍用和科學研究火箭和導彈以及熔焊接構件的修理等。
對于陸路交通工業：攪拌摩擦焊在列車制造領域的應用主要為：高速列車、軌道貨車、地鐵車廂和有軌電車、集裝箱體等；攪拌摩擦焊在汽車上的應用主要為：引擎和底盤和車身支架、汽車輪鼓、液壓成型管附件、車門預成型件、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、裝甲車的防護甲板等。
攪拌摩擦焊在民用建筑工業的應用主要為：鋁合金橋梁、裝飾板、門窗框架、管線、鋁合金反應器、熱交換器等。電子工業對攪拌摩擦焊的興趣也在增加，其應用主要表現為：發動機殼體、電器連接件、電器封裝等。
在其它工業領域，攪拌摩擦焊也有較多應用，例如冰箱冷卻板、廚房電器和設備、“白色”家用物品和工具、天然器、液化氣儲箱和容器、家庭裝飾等。目前，攪拌摩擦焊技術的開發和應用在中國剛剛開始。但由于攪拌摩擦焊技術在成本、連接質量、環境等方面的優越性，在不到一年的時間內已經在軍工、列車和電力三個工業領域得到產品應用。
迄今，已經正式得到中國攪拌摩擦焊中心發授的攪拌摩擦焊專利技術二級許可的單位已有5家：華東船舶工業學院，哈爾濱工業大學、西安固本科技有限公司、甘肅工業大學以及常州軌道牽引研究開發中心。隨著人們對攪拌摩擦焊技術認識的提高，預計在不遠的將來，鋁合金、鎂合金、鋅合金、鈦合金等輕金屬材料的連接將主要由攪拌摩擦焊來完成，尤其在運載火箭、高速鋁合金列車、鋁合金高速快艇、全鋁合金汽車等項目中攪拌摩擦焊技術將會占到主導地位。
9 結論
攪拌摩擦焊是一種革命性的新型制造技術。
攪拌摩擦焊可以焊接所有牌號的鋁合金，并且為鎂、鋅、鈦等輕合金材料以及鋁基復合材料的連接提供了新的工藝方法和途徑。
攪拌摩擦焊為宇航、船舶、列車、軍工、電力、建筑、裝飾等工業領域新型鋁合金、鎂合金產品的設計和制造提供了可能。
攪拌摩擦焊在宇航領域具有巨大潛在應用和遠大的應用前景,并將成為宇航制造領域主導連接技術。
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