搅拌摩擦焊为一种固相连接方法，与弧焊、激光焊、钎焊等传统焊接方法相比，FSW具有高效低耗、焊接温度低、接头残余应力小、焊接工件变形小、环境友好等特点，特别是在大规格薄板焊接中是其他焊接方法无法相比的。目前，铝合金电池托盘的大面板几乎是采用此种方法进行连接，那么FSW是一种怎样的工艺呢？实物展示搅拌头（用于钛合金）连接断面操作示意摩擦焊简介摩擦焊，是指利用工件接触面摩擦产生的热量为热源，使工件在压力作用下产生塑性变形而进行焊接的方法。可以将摩擦焊简单分为回转摩擦压接、线性摩擦焊LSW和由工具发热的搅拌摩擦焊FSW，以及由搅拌摩擦焊发展衍生的搅拌摩擦点焊FSSW。摩擦焊的常见分类如图7所示。搅拌摩擦焊简介搅拌摩擦焊（FrictionStirWelding,FSW）是由英国焊接研究所（TheWeldingInstitute,TWI）于年提出的一种新型固相连接技术。搅拌摩擦焊的原理为把一个高速旋转的搅拌工具插入待焊金属之间，并使搅拌工具以一定速度向前运动（通常，搅拌头相对于焊缝垂线偏向回转侧3°～5°），通过轴肩及搅拌针的旋转使被焊金属加热到塑性状态（焊接时温度低于熔点，约为熔点的80%），而搅拌工具向前移动，挤压、搅拌塑性材料，使塑性材料形成一个稳定的流场，在搅拌头移过的部位，随着搅拌工具的移动，温度逐渐冷却凝固形成焊缝。其工作原理如图8所示。各部位的说明如下：搅拌头（Pintool）—搅拌摩擦焊的施焊工具；轴肩（ToolShoulder）—搅拌头与工件表面接触的肩台部分；搅拌针（ToolPin）—搅拌头插入工件的部分；前进侧（AdvancedSide）—焊接方向与搅拌头轴肩旋转方向一致的焊缝侧面；回转侧（RetreatingSide）—焊接方向与搅拌头轴肩旋转方向相反的焊缝侧面；轴向压力（DownorAxialForce）—向搅拌头施加的使搅拌针插入工件和保持搅拌头轴肩与工件表面接触的压力。搅拌摩擦焊的工艺过程如图9所示，可以分解为四个不同阶段：旋转、插入、焊接以及离开。1.旋转。搅拌头旋转启动后，以一定速度插入待焊零件；2.插入。停留一段时间，搅拌头附近区域的接头材料得到足够的摩擦热输入，从而出现软化变形，并有部分材料被挤到接头外部；3.焊接。此时可以进行焊接，焊接时热塑化的接头材料不断被搅拌头向后转移，这部分材料在一定锻压力的作用下可以与周围材料形成牢固的扩散连接；4.离开。焊接完成后，搅拌头以一定速度离开零件表面，焊接过程结束。工艺优缺点搅拌摩擦焊FSW工艺有以下优点：焊缝质量好。焊缝是在塑性状态下受挤压完成的，属于固相连接，因而其接头不会产生与冶金凝固有关的一些如裂纹、夹杂、气孔以及合金元素的烧损等熔焊缺陷和催化现象，焊缝性能接近母材，力学性能优异。不受轴类零件限制。可进行平板的对接和搭接，可焊接直焊缝、角焊缝及环焊缝。无需高的操作技能和训练。搅拌摩擦焊利用自动化的机械设备进行焊接，避免了对操作工人技术熟练程度的依赖，质量稳定，重复性高。不需焊丝和保护气氛。焊接时无需填充材料、保护气体，焊前无需对焊件表面预处理，焊接过程中无需施加保护措施，厚大焊件边缘不用加工坡口，简化了焊接工序。焊接铝合金材料不用去氧化膜，只需去除油污即可。焊件尺寸精度高。其加热过程具有能量密度高、热输入速度快等特点，因而焊接变形小，焊后残余应力小。绿色焊接方法。焊接过程中不产生弧光辐射、烟尘和飞溅，噪声低。当然，FSW同样也存在以下缺点：刚性需求。焊接时的机械力较大，需要焊接设备具有很好的刚性。缺乏柔性。与弧焊相比，缺少焊接操作的柔性。焊接头的磨损相对较高。部分工艺焊缝末端通常有“匙孔”存在。“匙孔”效果为图11所示。工艺因素影响FSW焊接过程稳定性和焊接质量的因素，主要有搅拌头的形状、搅拌头的位置、搅拌头的转速、焊接速度、接头精度以及材料拘束等。具体影响因素内容如表1所示。表1搅拌摩擦焊的工艺因素工艺因素内容搅拌头的形状搅拌指棒的长度：约等于母材厚度；搅拌指棒的形状：要适合于不同的材料、板厚；搅拌头额角度：一定的前进角；搅拌头的位置搅拌指棒插入的速度：约与板厚相等；搅拌头中心线的位置：正好处于接头中心线；搅拌头肩部：接触程度；搅拌头的转速根据被焊材料厚度，搅拌头的形状；电动机的输出功率，机械刚度，转速一般为几百-几千转/分；焊接速度根据确定的搅拌头的转速选择；焊接速度一般由几cm/min和1-2m/min，约与电弧焊相等；接头精度接头间隙，推荐0mm间隙；材料的挤压加工精度、接头的加工精度、是防止产生缺陷的重要因素；材料拘束为了保证接头精度，设计专用的夹具是非常重要的；注：接头形式推荐使用图10所示的各种接头形状。通常搅拌摩擦焊采用平板对接和搭接形式进行焊接。应用与发展应用（合金）范围目前，FSW已成熟应用于铝合金、镁合金、铜合金等轻合金，具体种类如图12所示。图12不同搅拌针形式的“匙孔”效果用于机盖和轮毂的制造从开发之日起，FSW的应用便风生水起。在汽车制造业，挪威Hydro公司第一次将FSW应用于汽车轮毂制造。随后，美国Tower汽车公司将其应用于汽车悬挂连接臂，取得了可观的经济效益。奔驰公司在SL级铝制车身生产工艺中大量采用了FSW技术。从突破性的背衬和可伸缩式搅拌头两者在SL级车身中的应用不难看出，FSW技术已日趋成熟，相关设备、工艺和材料价格得以大幅度降低，达到了提高车身焊接质量，降低生产成本的目的。图13所示为FSW应用于机盖内板的连接。图13FSW用于前舱盖加强板的连接北京赛福斯特技术有限公司作为中国地区（包括香港、澳门和台湾）唯一得到英国焊接研究所授权的专业化搅拌摩擦焊设备制造企业，于年将搅拌摩擦焊技术引入中国，并一直致力于搅拌摩擦焊技术在中国的研发、推广和应用。年，北京赛福斯特技术有限公司为国内汽车制造企业研发了中国首台用于铝合金汽车轮毂焊接的筒体纵缝搅拌摩擦焊设备（设备型号：FSW-3TT-），该设备集成先进的位置反馈焊接系统，焊接过程高度自动化。赛福斯特设备焊接的铝合金轮毂采用的是FSW技术，效果如图14所示。图14FSW在汽车轮毂上的应用用于电池pack由于新能源汽车的轻量化需求尤为突出，而电池包所占的重量对于整车来说是个不小的比例，铝合金电池托盘的使用正在兴起，虽然此前已有铸造的方案，但造价一直较高。铝合金板材与型材配合制造的电池包PACK是一个轻量化的不错案例，此类电池托盘的大面板类的连接可以通过搅拌摩擦焊FSW来实现。用FSW焊接的铝合金托盘如图15。图15FSW用于铝合金电池托盘的连接根据部分供应商的信息，FSW可以用于电池托盘角部接头的焊接，其效果如图16所示，但未见其性能测试结果。图16FSW用于电池托盘角部接头用于钢铝混合连接随着研究的深入，部分科研及供应商正在研究并开发可用于钢铝混合连接的FSW技术，钢与铝搅拌摩擦焊的试片外观如图17所示，其连接的强度和效果还未得到确认，不过这是一个好的开始。图17FSW用于钢铝混合副车架的连接由钢与铝混合制造，并采用FSW连接的汽车副车架如图18和19所示。图18FSW用于钢铝混合副车架的连接图19FSW用于钢铝混合副车架的连接总结搅拌摩擦焊（FSW）技术是由英国焊接研究所（TWI）针对铝合金、镁合金等轻金属开发的一种固相连接技术，因其焊接变形小，无裂纹、气孔、夹渣等优点，被誉为“继激光焊后又一次革命性的焊接技术”。搅拌摩擦焊不需填充材料和保护气体，能耗低，对环境无污染，是一种绿色连接技术。相比于熔焊，搅拌摩擦焊连接的抗拉强度有15%-20%的提升，塑性将提升近一倍且断裂韧性将提高30%以上。另外，FSW的焊缝组织为锻造的细晶组织，几乎无缺陷。可以预见，随着人们对搅拌摩擦焊技术认识的提高，在不远的将来，铝合金材料的连接将主要由搅拌摩擦焊来完成，尤其在运载火箭、高速铝合金列车、铝合金高速快艇、全铝合金汽车等项目中搅拌摩擦焊技术将会占到主导地位。本文转载于轻量化技术交流群

转载请注明:http://www.aideyishus.com/lkzp/7771.html