攪拌摩擦焊在軍工領域的研究現狀與應用

李楊鋼 徐元潮

【摘 ?要】攪拌摩擦焊以其獨特的加工優點被應用廣泛應用于各行業，不僅成本低、焊接性能好、效率較高、而且綠色環保。筆者對攪拌摩擦焊的原理、優缺點、焊接程序、研究和運用狀況開展具體的分析。

【關鍵詞】攪拌摩擦焊;原理與優缺點;進程;研究現狀與應用

中圖分類號：TH16 ?文獻標志碼：A

攪拌摩擦焊與過去一般的焊接技術對比，其具備成本低、環保、焊接變形小和高效等特征，被廣泛的應用結構制造領域，比如航天航空領域、造船業以及陸路交通領域。筆者對攪拌摩擦焊的原理、優缺點、焊接程序、研究和運用狀況開展具體分析。

1 原理與優缺點

1.1原理

攪拌摩擦焊（FSW）是采取固相方式連接的一種焊接方法[1]。詳細進程為在攪拌摩擦焊時，外形為柱形且帶針凸與軸肩的攪拌頭，旋轉焊接進入被焊接工件中。此時，攪拌頭與被焊接的工件摩擦迸發很多熱量，將工件部分熱塑化。而后攪拌工具沿著待焊界面處轉移時，熱塑化的部分被攪拌頭從前部攪動到后部，同時該處材料在攪拌工具的機械鍛造下，完成工件之間的固相連接。

1.2 優點

1.攪拌摩擦焊是經過材料熱塑性完成，焊接一致性較高，焊縫質量良好無熱裂痕、無雜質等缺點而且不存在焊接氣孔等熔焊弊端[2]。2.簡化工序，焊接時不需開坡口，不需要填充物和焊接使用氣。3.綠色環保，攪拌摩擦焊接進程中只產生低能量，而且不產生輻射、有害煙霧、焊接飛濺，完成了焊接進程的綠色環保。4.焊接性能優越，焊縫處產生較低的殘余應力，焊縫的強度與韌性高，成分與母體材質一致，提高了焊接穩定性，節省了維護成本。5.異質合金焊接，攪拌摩擦焊可完成異質合金的焊接，甚至用其他熔焊方法不能實現的焊接組合制品。

1.3 缺點

攪拌摩擦焊的弊端基本包括以下幾點：1.必須剛性固定待加工工件。2.所成型的焊縫對于加強焊波形成阻礙，因而不可使用填角焊接方法進行焊接;3.攪拌頭是一種耗材，因此經常進行更換。目前焊接鋁合金的攪拌頭壽命一般為500～1000米。

2 焊接進程

軍用時攪拌摩擦焊進程一般包括以下：1.酸洗去除氧化層。2.將焊接物拼裝。3.將焊接物定位、壓緊、限位。4.點焊定位。5.光刀壓焊。6.帶螺紋的刀頭開始攪拌摩擦焊。7.摩擦焊完成后，去除表面焊縫處多余物。8.液壓機加熱、壓平、校直。具體進程與原因分析如下：1.鋁合金在空氣中會被氧化，因而，需要將機加工后的鋁合金板經過酸洗，去除氧化層后，再進行焊接。2.酸洗后，將需要焊接零件進行拼裝。3.用夾具定位、限位、壓緊。4.在正式焊接前，先點焊將焊接物初步固定。5.用光刀壓焊。6.用帶螺紋的刀頭進行攪拌摩擦焊。7.焊接結束后焊縫處留有多余焊渣，將焊渣鏟除干凈。8.由于攪拌摩擦焊后，板料產生較大變形，影響后續機加工，故用液壓機加熱，壓平，校直。

3 攪拌摩擦焊的研究狀況

現有的攪拌摩擦焊鋁合金焊接方面包含的接頭種類諸多[3]，類型具體有對接、搭接、型接、角接等，而且完成了鎂合金、銅、鋁合金等諸多材質的焊接;而且有限元分析也廣泛應用于攪拌摩擦焊，借助有限元仿真，計算出高溫鋼在攪拌摩擦焊加工時的溫度情況，而且改進了相應的熱場力學的三維模型;另外對焊接后的產品進行無損檢測的研究技術也日漸成熟;關于鋁合金和鎂合金相接之間的混成物的形成研究也逐步增多;為了更加優化設計攪拌頭，對攪拌頭的直徑尺寸進行了相應的研究;在設計優化工藝參數時，相干文獻分析了兩種不同型號鋁合金在攪拌摩擦焊時的設置參數，優化了攪拌摩擦焊的焊接性能。

4 攪拌摩擦焊的運用

攪拌摩擦焊運用以來，就是綠色焊接技術的標桿，憑借明顯的特點，在以下諸多領域被大量的運用和研究[4]。

（1）航天航空中方面：借助攪拌摩擦焊，美國航空部門完成了鋁質燃料箱的拼焊，然后發現借助該焊接技術的鋁合金具備很好的抗腐蝕功能。另外應用于火箭的中心助推器和低溫燃料筒、中間艙段和壓力貯箱、飛機蒙皮和衍樑、筋條和加強件之間的連接，框架、飛機內壁板和下部地板的連接、飛機燃料箱、油箱、熔焊結構件的修葺等范疇。

（2）造船業方面：適用于船體外殼、壁板、側板拼板、甲板以及飛機升降場地等結構中。并且攪拌摩擦焊基本替代了以往的船舶增強件的制作形式，在船舶輕質合金制作成型的構件中得到運用，時間成本降低、質量與可靠性得到保障。

（3）陸路交通方面：主要運用于集裝箱、軌道和高速列車等。而汽車領域的攪拌摩擦焊的運用范圍主要包括：車體的支架盤、引擎結構等零部件上。如Alstom、DanStir兩家歐洲企業對汽車結構件的攪拌焊接技術展開分析。日立公司借助該焊接技術完成了在單、雙層的擠壓焊接連接上。列車制造方面，長春客車集團公司通過采購靜龍門式摩擦焊接設施，完成了車鉤座的批量焊接任務。

參考文獻：

[1]廖艷.攪拌摩擦焊的研究現狀及前景展望[J].山東工業技術，2018（05）：9.

[2]蔡云.材料性能對鋁合金攪拌摩擦焊焊縫成形的影響[J].時代農機，2018，45（05）：56-57.

[3]徐安蓮.淺析輕量化產品的綠色焊接技術——攪拌摩擦焊[J].中國戰略新興產業，2018（24）：167.

[4]張鑫，韓冬，吳軍，等.攪拌摩擦焊設備和控制系統研究現狀[J].熱加工工藝，2018，47（05）：10-14.

（作者單位：江蘇自動化研究所）