搅拌摩擦焊--革命性的装备制造新技术

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摘 要：搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding－FSW）作为一项新型的革命性的连接技术，为装备制造工业中轻合金的低成本、高效率和高质量连接提供了有效途径；本文在详细介绍搅拌摩擦焊知识产权、原理、搅拌头、焊接材料、接头性能、搅拌摩擦焊设备和搅拌摩擦焊工业应用等基础上，对搅拌摩擦焊在中国装备制造工业中的发展和应用进行简要概括。
关键词：搅拌摩擦焊；制造技术；焊接设备

搅拌摩擦焊技术是世界焊接技术发展史上自发明到工业应用时间跨度最短和发展最快的一项神奇的固相连接新技术［1］。搅拌摩擦焊被认为是最有前途和最适合宇航材料以及结构件制造的工艺方法之一［2］。

本文在介绍搅拌摩擦焊原理、搅拌头、焊接材料、接头性能、搅拌摩擦焊设备及工业应用等的基础上，对搅拌摩擦焊在中国的发展和应用进行展望。

1 搅拌摩擦焊知识产权

搅拌摩擦焊是英国焊接研究所（TWI）1991年发明的，并进行了世界范围内专利保护的新型连接技术［3］［4］［5］。搅拌摩擦焊自发明以来就受到制造工业的密切关注和支持，并且在1996年就在工业制造领域得到成功应用［6］。

截止2002年9月15日，世界范围内得到英国焊接研究所搅拌摩擦焊专利技术许可的用户已经有78家。迄今，世界范围内已经申请的与搅拌摩擦焊技术相关的专利技术有551项。

1995年英国焊接研究所（TWI）在中国申请了有关搅拌摩擦焊和搅拌头专利保护(专利号:ZL95192193.2)，并且在1999年得到了中国知识产权局的批准(批准号:51451)；在 2002年4月18日，北京航空制造工程研究所和英国焊接研究所在北京正式签署搅拌摩擦焊专利许可和技术合作协议，并且在双方合作成立了中国搅拌摩擦焊中心的基础上，注册成立了中国首家专业化的搅拌摩擦焊技术公司——北京赛福斯特技术有限公司。

北京赛福斯特技术有限公司负责中国搅拌摩擦焊中心在中国地区（包括：香港、澳门和台湾）的所有搅拌摩擦焊业务：主要从事搅拌摩擦焊技术的研究、FSW工程应用开发、FSW设备的制造和销售以及全权负责中国搅拌摩擦焊中心的FSW "二级许可权" 的发放和管理。
中国搅拌摩擦焊中心和专业化北京赛福斯特技术有限公司的成立，标志着搅拌摩擦焊技术的开发和工程应用研究工作在中国市场的正式开始，是新世纪中国焊接技术发展史上一块瞩目的里程碑。


2 搅拌摩擦焊原理

搅拌摩擦焊是利用一种特殊的非耗损的搅拌头，旋转着压入被焊零件的界面，搅拌头与被焊零件的摩擦使被焊材料热塑化，当搅拌头沿着焊接界面向前移动时，热塑化的材料由前向后转移，在热/机联合作用下扩散连接形成致密的固相连接接头。

3 搅拌摩擦焊特点

与传统的弧焊方法相比较，搅拌摩擦焊在轻合金材料的连接方面具有诸多优越性，如：

固相连接——被焊材料没有熔化；
无变形焊接方法——焊接变形很小；
材料自扩散连接——不需要添丝和保护气；
绿色焊接技术——没有烟尘、飞溅、紫外辐射；
机床加工技术——容易实现自动化；
优良的连接质量——接头性能等于或超过母材；
节省能源——总功率输入低；
“万能”焊接方法可以焊接所有牌号的轻合金材料。

搅拌摩擦焊在某些方面也存在局限性，例如，需要搅拌头向被焊工件施加足够大的顶锻压力和向前驱动力，被焊零件需要被刚性固定；焊接末尾会存在“匙孔”；另外，与弧焊相比较，需要对焊缝施加巨大的顶锻压力，限制了搅拌摩擦焊技术在机器人等柔性设备上的应用。

4 搅拌头

搅拌头是搅拌摩擦焊技术中最重要的技术之一。

搅拌头一般由耐高温抗磨损材料制成，主要包括特形指棒和轴肩两部分，在焊接过程轴肩与被焊材料的表面紧密接触，防止塑化金属材料的挤出和氧化，同时搅拌轴肩还可以提供部分焊接所需要的搅拌摩擦热，搅拌指棒的形状比较特殊，焊接过程中搅拌指棒要旋转着压入被焊材料的结合界面处，并且沿着待焊界面向前移动。

随着搅拌摩擦焊技术的发展，英国焊接研究所研制的“艺术阶段”的 WhorlTM和 MX TrifluteTM系列搅拌头可以在6毫米厚的铝合金挤压形材上连续焊接上千米的焊缝而不用更换，并且可以得到性能更加优良的焊缝。

搅拌摩擦焊薄板结构零件时，搅拌头的肩部与工件表面摩擦产生的热量是金属热塑化所需能量的来源。对于厚板的搅拌摩擦焊来说，要得到优良的焊接接头，随着板厚的增加，搅拌头与工件之间需要提供更多的热来保证搅拌头附近区域金属的热塑化，同时，搅拌头还需要确保焊接区域金属材料的搅拌激活以及控制塑化金属的流变转移来形成合格的固相焊缝。总之，搅拌头确实是搅拌摩擦焊技术中的心脏。

5 搅拌摩擦焊材料

搅拌摩擦焊的焊接温度一般低于材料的熔点，焊接过程中始终没有材料的熔化。所以搅拌摩擦焊是一种固态连接方法。

基于搅拌摩擦焊过程中不存在材料熔化的特点，搅拌摩擦焊几乎可以焊接所有系列的铝合金材料以及铝基复合材料(MMC)。对于以前传统焊接方法认为“不可焊接”的2xxx和7xxx系列高强铝合金材料，也能得到可靠连接。对于异种材料搅拌摩擦焊也具有优越性，如搅拌摩擦焊不仅可以实现2024/6061以及2024/7075等不同牌号铝合金材料的焊接，还可以实现铜合金和铝合金等不同种材料的焊接。

搅拌摩擦焊还可以焊接铜、镁、锌、铅等合金材料，对于钢合金、钛合金和铝基复合材料的搅拌摩擦焊开发研究也很成功。

对于不同材料状态的铝合金，搅拌摩擦焊也能实现焊接，如锻压板材和挤压形材的焊接，锻压板材和铸铝的焊接等。

6 接头性能

搅拌摩擦焊接头主要包括四个微结构区域：焊核区、热/机影响区、热影响区和母材；中间区域为晶粒非常细小的焊核区域，其中椭圆形的“洋葱”环状组织结构是焊接接头良好的标志；在焊核区的外围存在一个热/机影响区，此部分晶粒组织发生了明显的塑性变形和部分重结晶。

普通条件下（如O状态）的非热处理强化铝合金，搅拌摩擦焊可以得到没有空洞和裂纹的优良焊接接头，接头的拉伸强度一般大于或优于母材，并且断裂一般出现在热影响区和远离焊缝接头的母材上；对于冷作和热处理强化铝合金，搅拌摩擦焊接头的力学性能优于弧焊接头。另外，通过控制搅拌摩擦焊过程中焊缝区域的热输入，特别是控制搅拌摩擦焊接头中硬度和强度最低的热影响区的回火和过时效影响，可以有效地提高焊接接头的力学性能指标。

与熔焊方法相比较，铝合金材料的搅拌摩擦焊接头的疲劳性能具有明显的优势，这是因为搅拌摩擦焊得到的是精细的再结晶组织，另外焊接过程没有材料的熔化，焊缝组织中没有熔焊经常出现的凝固偏析、裂纹、气孔和夹杂等缺陷，所以接头综合性能比熔焊优良。

7 搅拌摩擦焊设备

搅拌摩擦焊设备有很多种类，且具备如下特点：精度高、刚度强，力矩大和多轴柔性控制。

针对搅拌摩擦焊开发研究，美国South Carolina大学拥有世界上静态焊接压力最大（130 kN）的液压驱动试验设备。这台大压力、自适应的柔性制造设备，主要用来从事宇航结构件的搅拌摩擦焊研究；该搅拌摩擦焊设备装有可调节的自适应搅拌头和多轴搅拌摩擦焊控制系统，能够实现非平面和变截面（厚度）结构件高强合金材料的搅拌摩擦焊开发研究。

2002年，英国焊接研究所（TWI）拥有了世界上尺寸最大的龙门式搅拌摩擦焊设备，该设备的焊接范围为8 m(长)x 5 m（宽）x 1 m（高），该设备是迄今世界上最大的实验设备。

2003年5月，中国搅拌摩擦焊中心设计、制造的亚洲迄今最大（据公开报到）的一台搅拌摩擦焊设备通过验收，并正式投入研究、开发使用。该型号为FSW-1DB-001型搅拌摩擦焊设备可以焊接厚度为25 mm的铝合金、镁合金，15 mm的铜合金以及10 mm的钛合金材料，可以焊接1.5 m长的纵缝，和直径2 m以上的筒形件。该设备主要由主轴动力单元、液压驱动单元、摆动式焊接夹具、高精度焊接平台、悬臂式移动横梁、SIEMENS WinAC友好人机界面控制系统、德国Heidenhain位置传感控制系统等组成。主要应用对象为大壁板航天火箭筒体的搅拌摩擦焊制造。

8 搅拌摩擦焊工业应用

搅拌摩擦焊技术已由试验研究、工程开发转入大规模的工业化应用阶段，迄今，已经在宇航、船舶、高速列车等制造领域得到了非常成功的应用。

船舶制造和海洋工业是搅拌摩擦焊首先得到商业应用的两个工业领域，主要应用：甲板、侧板、防水壁板、和地板；型材；外壳和主体结构件；直升机降落平台；水上观测站；海洋运输结构件；帆船的桅杆及结构件；船用冷冻器中空平板等。

搅拌摩擦焊在飞机制造领域还处于验证阶段，搅拌摩擦焊已经在军用和民用飞机上得到验证飞行和部分应用的有机翼、机身、尾翼、飞机油箱、起落架仓盖等。在宇航领域，搅拌摩擦焊已成功应用运载火箭、航天飞机的低温燃料筒；军用和科学研究火箭和导弹以及熔焊接构件的修理等。

对于陆路交通工业：搅拌摩擦焊在列车制造领域的应用主要为：高速列车、轨道货车、地铁车厢和有轨电车、集装箱体等；搅拌摩擦焊在汽车上的应用主要为：引擎和底盘和车身支架、汽车轮鼓、液压成型管附件、车门预成型件、车体空间框架、卡车车体、载货车的尾部升降平台、汽车起重器、装甲车的防护甲板等。

搅拌摩擦焊在民用建筑工业的应用主要为：铝合金桥梁、装饰板、门窗框架、管线、铝合金反应器、热交换器等。电子工业对搅拌摩擦焊的兴趣也在增加，其应用主要表现为：发动机壳体、电器连接件、电器封装等。

在其它工业领域，搅拌摩擦焊也有较多应用，例如冰箱冷却板、厨房电器和设备、“白色”家用物品和工具、天然器、液化气储箱和容器、家庭装饰等。目前，搅拌摩擦焊技术的开发和应用在中国刚刚开始。但由于搅拌摩擦焊技术在成本、连接质量、环境等方面的优越性，在不到一年的时间内已经在军工、列车和电力三个工业领域得到产品应用。

迄今，已经正式得到中国搅拌摩擦焊中心发授的搅拌摩擦焊专利技术二级许可的单位已有5家：华东船舶工业学院，哈尔滨工业大学、西安固本科技有限公司、甘肃工业大学以及常州轨道牵引研究开发中心。随着人们对搅拌摩擦焊技术认识的提高，预计在不远的将来，铝合金、镁合金、锌合金、钛合金等轻金属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。

9 结论

搅拌摩擦焊是一种革命性的新型制造技术。

搅拌摩擦焊可以焊接所有牌号的铝合金，并且为镁、锌、钛等轻合金材料以及铝基复合材料的连接提供了新的工艺方法和途径。

搅拌摩擦焊为宇航、船舶、列车、军工、电力、建筑、装饰等工业领域新型铝合金、镁合金产品的设计和制造提供了可能。

搅拌摩擦焊在宇航领域具有巨大潜在应用和远大的应用前景,并将成为宇航制造领域主导连接技术。