发展中的搅拌摩擦焊

上海东建中

摘要：搅拌摩擦焊类似传统的摩擦焊，它利用一种端部带指状搅拌头的钢质回转工具，旋转着压入被焊工件，随着搅拌头与被焊工件的摩擦，使摩擦区域的温度升高，并热塑化。当工具沿着焊接的部位进给时，热塑化区由前向后过渡，冷却联接形成致密的固相连接。此种焊接方法，对环境的影响小；联结部分的材料特性与原来的材料几乎一样；即使焊接长度较长，变形也很小；还可焊那些不适合用传统方法焊接的金属，如系列铝合金。它已成功应用在宇航工业中。

1搅拌摩擦焊简介

摩擦焊是在压力作用下，通过待焊界面的摩擦使界面及其附近区域的温度升高，材料的变形抗力降低，塑性提高，界面的氧化膜破碎，伴随着材料产生塑性变形与流动，通过界面上的扩散及再结晶等冶金反应而实现连结的固态焊接方法。[he2]搅拌摩擦焊（FrictionStirWelding）是摩擦焊中的一个分枝，[1]是由英国焊接研究所（TWI）于年发明并获得了专利，它在施焊时，焊件不运动，而由搅拌头来完成。搅拌头由夹持器夹住，连在钢质圆柱体上。工作时，圆柱体作直线及旋转运动，在圆柱体的带动下，搅拌头高速旋转，指状搅拌头迅速钻入需要焊接的工件的接缝处，在与高速旋转的搅拌头的摩擦下，工件被焊处的金属的温度很快升高，形成了薄薄的一层热塑性层。随着圆柱体的向前运动，在搅拌头的作用下，接缝处的部分金属被挤出，在夹持器的帮助下，被很好的填塞在焊缝中，就这样，在搅拌头前进方向上形成的塑性金属被不断转移到搅拌头的后面，焊缝区金属经过摩擦生热、被挤压、塑性变形、移动、冶金扩散及再结晶，形成完整的焊缝。搅拌摩擦焊可以取代传统的氩弧焊，它不仅能完成材料的对接、搭接、铰接、丁字等多种接头方式，而且能用于高强度铝合金、铝锂合金的焊接，大大提高了焊接接头的力学性能，并且排除了熔焊缺陷产生的可能性。

2搅拌摩擦焊焊缝性能[2]

材料屈服强度MPa拉伸强度MPa延伸率%焊接因数（注：）

-T4母材.9/

-T4搅拌摩擦焊.80.93

-T4搅拌摩擦焊+人工时效.91.19

-T6母材.4/

-T6搅拌摩擦焊..83

-T6搅拌摩擦焊+人工时效.41.00

注：焊接因数=UTSfsw/UTS母材，UTS表示，意为绝对拉伸强度。[he3]

从上表可以看出，采用搅拌摩擦焊后，试样的力学性能比母材要差点，但经过人工时效处理后，其性能要比母材好。

3搅拌摩擦焊的优点和缺点

搅拌摩擦焊有以下一些优点：

首先，焊接时温度低，工件的变形小（即使是长焊缝也是如此）；所以工件接头的机械性能好（包括疲劳、拉伸、弯曲），不产生类似熔焊接头的铸造组织缺陷，并且其组织由于塑性流动而细化与其它焊接方法相比，焊接变形小，调整、返修频率低。特别适合于焊接那些采用传统的熔焊工艺无法焊接的高强度铝合金等有色金属工件。

其次，焊接前及焊接后的处理简单，焊接前不需要开V型或U型坡口，焊接过程中的摩擦和搅拌可以有效去除被焊工件表面的氧化膜及附着杂质。焊接接头性能优良，焊缝中无裂纹、气孔及缩孔等缺陷。而且焊接过程中不需要焊条及焊料，也不需要惰性气体保护，能够进行全位置的焊接，适应性好，效率高，操作简单。焊接过程中无烟尘、辐射、飞溅、噪音及弧光等有害物质产生，是一种环保型的焊接工艺方法。

第三，搅拌摩擦焊适合于自动化和机器人操作，能大大降低操作工人的劳动强度。

搅拌摩擦焊存在的缺点：

搅拌摩擦焊的设备价格较大，焊接的速度要比熔焊慢，焊接时必须夹紧工件，还需要垫板。焊后搅拌头停留的位置，在焊缝上造成锁眼，形成多余的材料，所以使用这一工艺的工件，比实际需要的尺寸大些。目前由于受搅拌头指状棒材的材料所限，搅拌摩擦焊仅用于铝合金产品的连接。

4搅拌摩擦焊的应用

搅拌摩擦焊是一种固态的连接方法，从连接原理上讲，对于要连接的金属材料，只要这种材料有能够在锻压状态下可以有效工作的搅拌头材料，就能够采用搅拌摩擦焊的方法进行连接。在以往的应用中，最成功的当属在铝合金上的应用，对于铜合金、镁合金、锌合金、铅合金上的应用的研究，也已取得了很大的进展。

在航空航天领域的主要应用有：运载火箭的推进剂贮存器、航空器的油箱、航天器中的低温燃料箱以及铝合金薄壁压力容器；军用飞机或民用飞机的蒙皮、飞机机翼壁板、军用飞机的副油箱，军用的或科技的探测火箭、航空发动机等等。

在船舶制造与海洋工业中的主要应用有：船舶的甲板、壁板、隔板等板材的拼焊、铝挤压件的焊接、船体和加强件的焊接、直升机降落平台的焊接等。

在交通运输领域的主要应用有：运输车辆的发动机与底盘的托架、汽车的轻型构架、货车本体、油罐、吊车、燃料箱、大篷车、摩托车与自行车框架、起重箱及镁及铝镁合金接头等。

在民用及工业建筑领域的主要应用有：各种空间构件、铝、铜、钛等制作的面板、门窗框架、发电厂和化工厂的反应器、铝管道、热交换器和空调器等。

在铁路上的主要应用有：高速火车中的铝制件，货车、集装箱本体等。

随着研究的深入和该技术的发展，其应用的范围会越来越广。

参考文献：

[1]中国机械工程学会焊接学会编，焊接手册（第2版）第1卷焊接方法及设备，机械工业出版社，.8

[2]BacklundJ,NorlinA,AnderssonA.Frictionstirwelding-weldpropertiesandmanufacturingtechniques.7thInalcoConference,Cambridge,

[he2]张田仓，郭德伦等，搅拌摩擦焊技术研究。第九次全国焊接会议论文集。第1册。黑龙江：黑龙江人民出版社，

[he3]BacklundJ,NorlinA,And