攪拌摩擦焊的研究現(xiàn)狀及前景展望

摘 要：攪拌摩擦焊應(yīng)用廣泛，具有成本低、高性能以及高效率等特性，在不同領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本文將對攪拌摩擦焊的研究現(xiàn)狀以及應(yīng)用進行詳細的分析。

關(guān)鍵詞：攪拌摩擦焊；研究現(xiàn)狀；應(yīng)用

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.05.006

英國焊接研究所發(fā)明的攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding，簡稱FSW），曾經(jīng)于1991年獲得世界范圍內(nèi)專利保護，它是一項非常奇特的新型固相焊接技術(shù)，也是焊接技術(shù)史上從發(fā)明到將其應(yīng)用到工業(yè)中時間最短的一項焊接技術(shù)，其曾被稱作是“世界焊接史上的第二次革命”。攪拌摩擦焊與其他傳統(tǒng)的焊接技術(shù)相比較而言，其具有成本低廉、不會造成污染、焊接后變形較小以及高效等特點，這些特點是其他焊接技術(shù)無法企及的。攪拌摩擦焊的這些特性使其得到了廣泛的應(yīng)用，其主要應(yīng)用于結(jié)構(gòu)制造領(lǐng)域，例如航空、航天、汽車以及船舶等領(lǐng)域。基于此，文章將從焊接材料、工藝參數(shù)、焊接技術(shù)等原理對攪拌摩擦焊進行詳細的研究分析，并且對攪拌摩擦焊未來的發(fā)展趨勢進行探討。

1 攪拌摩擦焊的原理分析及其優(yōu)缺點

（1）攪拌摩擦焊的原理分析。攪拌摩擦焊的攪拌頭的特征是圓柱狀并且其軸肩是非常特殊的，攪拌頭以合適的速度插入到被焊構(gòu)件的焊接處，并且以一定的速度向前勻速移動，被焊構(gòu)建與攪拌頭之間由于一定的摩擦力度而產(chǎn)生相應(yīng)的熱度，當(dāng)溫度達到一定水平時，其將會使得攪拌頭附近區(qū)域的材料軟化，從而以實現(xiàn)熱塑化的目的。當(dāng)攪拌頭由于受到某種力度時，將會漸漸的向前緩慢前行，這時候熱塑化后的材料將由攪拌頭的前部向后部移動，并且位于攪拌頭處的軸肩將會產(chǎn)生鍛造壓力，固相連接就會在這種壓力之下而實現(xiàn)。在攪拌焊接的過程中，需要注意的是被焊構(gòu)件需要進行牢固固定，而且需要在焊縫的背面加上襯墊以防止由于攪拌頭的力度而導(dǎo)致構(gòu)建以及塑性金屬流失。

（2）攪拌摩擦焊的優(yōu)缺點分析。攪拌摩擦焊的優(yōu)點主要有以下幾個方面：第一，由于攪拌摩擦焊采用的技術(shù)原理是固相焊接技術(shù)，從而不會導(dǎo)致材料融化的現(xiàn)象發(fā)生；第二，，攪拌摩擦焊具有質(zhì)量過硬、操作起來效率高以及不需要高昂的成本；第三，攪拌摩擦焊沒有特定的接頭形式，其支持多種規(guī)格形式不一的焊接方式；第四，采用攪拌摩擦焊技術(shù)，在焊接過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力較小，從而殘余應(yīng)力對構(gòu)件所帶來的變形影響較小；第五，采用攪拌摩擦焊技術(shù)進行焊接后所產(chǎn)生的焊縫的組織為細晶組織，從而沒有其他傳統(tǒng)焊接技術(shù)所帶來的裂紋、氣孔等缺陷，這將大大減少后續(xù)的維修費用；第六，攪拌摩擦焊操作起來較為簡單，能夠非常方便的就實現(xiàn)自動化技術(shù)。

攪拌摩擦焊的缺點主要體現(xiàn)在以下幾個方面：第一，采用攪拌摩擦焊后所形成的焊縫無法形成增強焊波，因此無法采用填角焊接技術(shù)進行焊接；由于焊接形式的限制性，因此采取曲線焊接時的難度較大，并且在焊接的開始處與終端處存在著一定的殘孔。

2 攪拌摩擦焊的研究進展

目前，在攪拌摩擦焊鋁合金連接方面的研究相對來說較多，主要涉及到的接頭樣式也豐富多樣，包括對接接頭、搭接接頭、型接頭、角接頭等等；并且充分的發(fā)揮攪拌摩擦焊的技術(shù)成功實現(xiàn)了鎂合金、鐵以及不銹鋼等多種材料的焊接。除此之外，還對攪拌摩擦焊進行了有限元分析、界面復(fù)合物以及無損檢測等多方面的研究。

在無損檢測方面，目前已經(jīng)采用電導(dǎo)率場對AA7057以及AA6013兩種型號的合金接頭開展了無損檢測的相關(guān)研究；除此之外，對于攪拌摩擦焊過程中，鎂鋁合金界面之間的復(fù)合物的形成機制也進行了詳細的研究；為了使得攪拌摩擦焊的攪拌頭能夠得到更進一步的優(yōu)化，從而對攪拌頭的直徑進行了更加深入的研究；在有限元方面，已經(jīng)通過采用有限元模擬分析的方法得出了高溫鋼攪拌摩擦焊的最高溫度；并且也有相關(guān)文獻已經(jīng)對三維熱力學(xué)模型進行了相應(yīng)的改進；在工藝參數(shù)方面，已經(jīng)有相關(guān)文獻對兩種不同型號鋁合金的攪拌摩擦焊的工藝參數(shù)進行了非常全面且深入的研究，以實現(xiàn)提高攪拌摩擦焊焊接質(zhì)量的目的。

3 攪拌摩擦焊的應(yīng)用

自攪拌摩擦焊廣泛得到應(yīng)用以來，由于其顯著的特點及優(yōu)勢，其在航天航空、造船業(yè)以及陸路交通等多方面得到了廣泛的應(yīng)用。

（1）在航天航空中的應(yīng)用。據(jù)記載，美國航天部門使用攪拌摩擦焊實現(xiàn)了鋁合金燃料箱的焊接，這是傳統(tǒng)的焊接技術(shù)無法企及的，并且后續(xù)發(fā)現(xiàn)使用FSW焊接技術(shù)的鋁合金具有非常強的抗腐蝕性。除此之外，波音公司以及洛瑪公司等均采用了攪拌摩擦焊實現(xiàn)了鋁合金的焊接。

在航空領(lǐng)域中，飛機制造零件的裝配零件是采用了大量的鉚接以及螺栓連接結(jié)構(gòu)進行連接的。采用鉚接技術(shù)的優(yōu)勢在于在有效降低結(jié)構(gòu)的質(zhì)量的同時可以有效的提高制造的速度。波音公司已經(jīng)實現(xiàn)了難度非常大的曲線焊接，在戰(zhàn)斗機的裙翼上成功實現(xiàn)了T形接頭的攪拌摩擦焊連接。攪拌摩擦焊接為航天航空制造提供了一種非常有效的途徑。

（2）在造船業(yè)中的應(yīng)用。在造船業(yè)中，攪拌摩擦焊主要應(yīng)用于拼板、甲板、側(cè)板、防水壁板以及船體外殼、直升機降落平臺等構(gòu)件中。目前，攪拌摩擦焊已經(jīng)代替了傳統(tǒng)的船舶加強件結(jié)構(gòu)的制造方式，其已經(jīng)成為船舶業(yè)中一種非常普遍的技術(shù)。例如，在船舶輕合金預(yù)成形結(jié)構(gòu)件中應(yīng)用攪拌摩擦焊技術(shù)，不僅成本低和時間短，同時其在質(zhì)量以及性能等方面卻也不輸其他傳統(tǒng)的焊接技術(shù)。

（3）在陸路交通中的應(yīng)用。在陸路交通方面，攪拌摩擦焊技術(shù)主要應(yīng)用于軌道列車、高速列車以及集裝箱等方面。而攪拌摩擦焊在汽車方面則主要應(yīng)用于底盤、引擎以及車身支架等零部件上。在陸路交通中攪拌摩擦焊的顯著應(yīng)用主要有：法國Alstom公司以及丹麥DanStir公司聯(lián)合對于車輛零部件的攪拌焊接技術(shù)進行深入的研究。在單層以及雙層擠壓連接上，日立公司均成功的采用了攪拌摩擦焊技術(shù)。在列車制造領(lǐng)域，國內(nèi)也獲得了巨大的進展，例如，中國攪拌摩擦焊中心為北車集團長春客車交付了一臺靜龍門式攪拌摩擦焊設(shè)備，從而成功實現(xiàn)了車鉤座的批量化焊接應(yīng)用。

參考文獻：

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作者簡介：廖艷（1988-），女，浙江龍游人，本科，研究方向：機械工程。endprint