攪拌摩擦焊工藝研究現狀

黨 杰 王俊勃

（1.西安工程大學，陜西 西安 710048；2.西安航空職業技術學院，陜西 西安 710089）

攪拌摩擦焊工藝研究現狀

黨 杰1，2王俊勃1

（1.西安工程大學，陜西 西安 710048；2.西安航空職業技術學院，陜西 西安 710089）

介紹了攪拌摩擦焊的原理、研究現狀及應用，并對該焊接方法的應用前景進行了展望。

攪拌摩擦焊；工藝；合金；塑料

攪拌摩擦焊(Friction Stir Welding,簡稱FSW)是英國焊接研究所(TWI)于20世紀90年代開發的一種基于摩擦焊基本原理的新型固相連接技術。攪拌摩擦焊不需要填充材料和保護氣體，能耗低，對環境無污染，是一種理想的綠色連接技術。自其問世以來，就倍受世界各工業發達國家焊接界的青睞。許多公司、大學、科研院所都投入了大量的資金，進行與之相關的研究工作，以期將該技術推廣應用于工業領域，減輕結構重量，提高綜合性能，促使航空航天、汽車、船舶等工業迅速發展。

（一）攪拌摩擦焊概述

1.攪拌摩擦焊工作原理

攪拌摩擦焊是一種新興的焊接工藝，其工作原理如圖 1所示，攪拌頭由夾持器與特形指棒兩部分構成。焊接時，攪拌頭高速旋轉并首先使特形指棒迅速鉆進被焊對接板的焊縫，夾持器的圓柱體端面與工件表面緊密接觸，進而夾持器帶著施焊特形指棒沿著焊接方向移動，由于旋轉的特形指棒與工件的摩擦作用而產生大量的熱作用，加上夾持器軸間與被焊板件表面輔助的摩擦熱，使得在攪拌頭特形指棒周圍的材料熔融，由于攪拌力的作用被轉移到特形指棒后側，形成焊縫。

圖1

2.攪拌頭的選定

攪拌頭是攪拌摩擦焊接過程中的核心，高速旋轉時會使被焊材料得到熱塑化，從而使攪拌頭能夠沿著待焊接結合面向前移動。在攪拌頭的作用下，熱塑化的被焊接材料從前部向后部轉移，并形成可靠的焊縫。

攪拌頭外形設計和材料的選擇會直接影響到攪拌摩擦焊焊縫質量的好壞，所以攪拌頭的選定主要包括攪拌頭軸間、攪拌頭特形指棒和攪拌頭材料三個因素。

（二）研究現狀及應用

1.金屬

關于攪拌摩擦焊工藝的特點和應用，TWI進行了較多的研究，起初主要用于解決鋁合金等低熔點材料的焊接。如今，又主要與航空航天、海洋、道路交通、焊接設備制造廠等大公司聯合，團體合作研究開發包括鋼的攪拌摩擦焊、交通構件的攪拌摩擦焊、鋁合金攪拌摩擦焊、鈦的攪拌摩擦焊、汽車輕型構件的攪拌摩擦焊等項目，不斷擴大攪拌摩擦焊的應用范圍。美國的愛迪生焊接研究所、海軍研究所、德克薩斯大學、和阿肯色斯大學、馬丁航空航天公司、馬歇爾航天飛行中心、德國的大學、澳大利亞焊接研究所等都從不同角度對攪拌摩擦焊進行了專門的研究。

其中，美國空軍研究所主要研究了攪拌摩擦焊接的參數、溫度場、異種材料的焊接等。日本大阪大學主要研究了攪拌頭旋轉速度和焊接速度的影響，指出焊縫峰值溫度產生于攪拌區，其大小隨著旋轉速度和焊接速度增大而增大過低的旋轉速度和焊接速度會引起焊接缺陷。

從理論技術角度，Murr等研究了1100鋁合金攪拌摩擦焊過程的動態再結晶，在攪拌頭旋轉速度和焊接速度分別為400r/m和1mm/s的條件下，對焊后鋁合金板進行顯微組織觀察，結果表明，柱狀晶組織是攪拌摩擦焊的主要組織。

Rhodnev C G等研究了7075板攪拌摩擦焊的顯微組織，結果表明，焊縫組織為典型的再結晶組織，其晶粒尺寸為2-4μm，強化相在焊接過程固溶，在隨后的冷卻過程中形成大量的沉淀強化相。

Sajm Hanadi G等研究了2095鋁合金薄板攪拌摩擦焊后的超塑性，通過比較焊接區與母材的超塑性，發現焊后材料的超塑性被保留了下來。

Contreras F等研究了Be-Al粉末冶金合金的攪拌摩擦焊接，焊接區的硬度比母材高43%，這是由于焊接區發生再結晶，形成細小的Be和Al等軸晶組織之故。

我國目前己有很多家單位、學校、科研院所等都在進行攪拌摩擦焊方面的研究。這些研究單位包括北京攪拌摩擦焊中心、哈爾濱工業大學、南昌航空工業學院、西北工業大學、大連鐵道學院、上海交通大學、華東船舶工業學院、蘭州理工大學、清華大學、中南大學、天津大學等。研究的主要內容涉及接頭微觀組織、接頭力學性能、材料流動行為、焊接溫度場和熱循環及焊接設備等。

王希靖對鋁合金、銅合金等的攪拌摩擦焊機理、焊縫性能、異種材料的攪拌摩擦焊等進行了實驗研究，汪建華等研究了攪拌摩擦焊的傳熱和力學計算模型，張田倉等分別研究了LF6及LF12攪拌摩擦焊的接頭強度和殘余應力，欒國紅等研究了5083鋁合金攪拌摩擦焊接頭的疲勞性能。

2.塑料

塑料材料作為有機高分子材料的重要分枝，應用已遍及國民經濟各個部門和人們生活的各個領域，在工業、農業、交通運輸到國防建設等各行各業中發揮著越來越重要的作用。實踐證明，它與傳統的金屬材料相比，具有質輕（質量僅為鋼材的 1/7～1/5），比強度高（目前承載壓力可達2.5MPa），比剛度高，耐腐蝕性能好等優點。在不少場合，采用塑料解決了用不銹鋼所不能解決的腐蝕難題，以及還具有耐磨、絕緣、符合能力強等特點。為此，塑料的連接問題也日益重要，傳統的焊接塑料的方法有熱風焊、熱壓焊、熱對擠焊等，但它們的焊前準備時間都太長，而且焊接工藝參數難于控制。因此，考慮研究用攪拌摩擦焊方法焊接塑料。目前，關于這方面的報道非常少。但也已經有人研究用攪拌摩擦焊方法焊接聚氯乙烯（PVC）和聚乙烯（PE）塑料板材，且試驗及結果分析表明：塑料板材可以用攪拌摩擦焊方法進行焊接。對于一定厚度的塑料板，只要焊接參數選擇恰當，就能獲得令人滿意的焊接接頭。

（三）前景展望

攪拌摩擦焊能形成較好地焊縫，可以應用于超塑性成型領域。從理論上講，如果焊針在被焊材料的塑化溫度下具有足夠的熱強度，則所有能夠受摩擦加熱局部塑化的材料都能進行攪拌摩擦焊。因此，可以預見，隨著材料科學和焊接工具的發展，可應用FSW焊接的材料會更加廣泛，FSW技術也會在各個工業領域得到更好的推廣。

[1]Thomas WM.Friction stri butt welding. Intermational Patent Application. No. PCT/GB92/02203 and GB Patent Application No.9125978.8,Dec.1991.

[2]Colligan K J,Avila S J.Friction Stir Welding.US Patent 5794835,1998.

[3]張田倉,郭德倫,欒國紅,等.固相連接新技術—攪拌摩擦焊技術[J].新工藝·新技術·新設備,1999,(2):35239.

[4]李亞江,王娟,夏春智.特種焊接技術及應用[M].北京:化學工業出版社(第二版),2008:230-231.

[5]Li Y,Trillo E A, Murr L E. Friction-stir welding of aluminum alloy 2024 to silver. Journal of Materials Science Letters,2000,19(12):1047-1051.

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2011-01-20

黨杰（1979－），男，陜西澄城人，西安航空職業技術學院教師，西安工程大學在職研究生；王俊勃（1966－），男，西安工程大學碩士生導師，從事材料學教學與研究。