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C 型攪拌摩擦焊的現(xiàn)狀與發(fā)展 1 前言 1991 年 ,英國(guó)焊接研究所（ 明了攪拌摩擦焊（ 這項(xiàng)杰出的焊接技術(shù)發(fā)明正在為世界制造技術(shù)的進(jìn)步做出貢獻(xiàn)。 在國(guó)外 ,攪拌摩擦焊已經(jīng)在諸多制造領(lǐng)域達(dá)到規(guī)?；?、工業(yè)化的應(yīng)用水平。如在船舶制造領(lǐng)域，在 1996 年攪拌摩擦焊就在挪威 司成功地應(yīng)用在鋁合金快速艦船的甲板、側(cè)板等結(jié)構(gòu)件的流水線制造。在軌道車輛制造領(lǐng)域，日本司首先于 1997 年將攪拌摩擦焊技術(shù) 應(yīng)用于列車車體的快速低成本制造，成功實(shí)現(xiàn)了大壁板鋁合金型材的工業(yè)化制造。在世界宇航制造領(lǐng)域，攪拌摩擦焊已經(jīng)成功代替熔焊實(shí)現(xiàn)了大型空間運(yùn)載工具如運(yùn)載火箭和航天飛機(jī)等的大型高強(qiáng)鋁合金燃料貯箱的制造，波音公司的 I 型和 火箭已經(jīng)全部實(shí)現(xiàn)了攪拌摩擦焊制造，并于 1999 年首次成功發(fā)射升空。 2000 年世界汽車工業(yè)，如美國(guó) 車公司等就利用攪拌摩擦焊實(shí)現(xiàn)了汽車懸掛支架、輕合金車輪、防撞緩沖器、發(fā)動(dòng)機(jī)安裝支架以及鋁合金車身的焊接。 2002 年 8 月，美國(guó)月蝕航空公司利用 術(shù)研制出了全攪拌摩擦焊輕型 商用飛機(jī)，并且首次試飛成功。 2 攪拌摩擦焊的技術(shù)特點(diǎn) 攪拌摩擦焊作為一項(xiàng)新型焊接方法，用很短的時(shí)間就完成了從發(fā)明到工業(yè)化應(yīng)用的歷程。目前 ,在國(guó)際上還沒有針對(duì)攪拌摩擦焊公布的統(tǒng)一技術(shù)術(shù)語(yǔ)標(biāo)準(zhǔn)，在攪拌摩擦焊專利許可協(xié)會(huì)的影響下，業(yè)界已經(jīng)對(duì)攪拌摩擦焊方法中所涉及到的通用技術(shù)術(shù)語(yǔ)進(jìn)行了定義和認(rèn)可。下圖示出了攪拌摩擦焊所用到的主要描述性術(shù)語(yǔ)。 攪拌摩擦焊是一種在機(jī)械力和摩擦熱作用下的固相連接方法。如圖 1 所示，攪拌摩擦焊過(guò)程中，一個(gè)柱形帶特殊軸肩和針凸的攪拌頭旋轉(zhuǎn)著緩慢插入被焊接工件，攪拌頭和被焊接材料之間的 摩擦剪切阻力產(chǎn)生了摩擦熱，使攪拌頭鄰近區(qū)域的材料熱塑化（焊接溫度一般不會(huì)達(dá)到和超過(guò)被焊接材料的熔點(diǎn)），當(dāng)攪拌頭旋轉(zhuǎn)著向前移動(dòng)時(shí)，熱塑化的金屬材料從攪拌頭的前沿向后沿轉(zhuǎn)移，并且在攪拌頭軸肩與工件表層摩擦產(chǎn)熱和鍛壓共同作用下，形成致密固相連接接頭。 攪拌摩擦焊具有適合于自動(dòng)化和機(jī)器人操作的諸多優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于有色金屬材料（如鋁、銅、鎂、鋅等）的連接 ,在焊接方法、接頭力學(xué)性能和生產(chǎn)效率上具有其他焊接方法無(wú)可比擬的優(yōu)越性，它是一種高效、節(jié)能、環(huán)保型的新型連接技術(shù)。 但是攪拌摩擦焊也有其局限性，例如：焊縫末尾通常有匙孔存在 （目前已可以實(shí)現(xiàn)無(wú)孔焊接）；焊接時(shí)的機(jī)械力較大，需要焊接設(shè)備具有很好的剛性；與弧焊相比 ,缺少焊接操作的柔性；不能實(shí)現(xiàn)添絲焊接。 攪拌摩擦焊對(duì)材料的適應(yīng)性很強(qiáng)，幾乎可以焊接所有類型的鋁合金材料，由于攪拌摩擦焊接過(guò)程較低的焊接溫度和較小的熱輸入，一般攪拌摩擦焊接頭具有變形小、接頭性能優(yōu)異等特點(diǎn) ;可以焊接目前熔焊“不能焊接”和所謂“難焊”的金屬材料如： 列 ) 、 列 )和 8090、 2090 和2195 鋁合金 )等鋁合金。 另外，攪拌摩擦焊對(duì)于鎂合金、鋅合金、銅合 金、鉛合金以及鋁基復(fù)合材料等材料的板狀對(duì)接或搭接的連接也是優(yōu)先選擇的焊接方法；目前，攪拌摩擦焊還成功地實(shí)現(xiàn)了不銹鋼、鈦合金甚至高溫合金的優(yōu)質(zhì)連接。 攪拌摩擦焊可以較容易實(shí)現(xiàn)異種材料的連接，例如鋁合金和不銹鋼的攪拌摩擦焊接，利用攪拌摩擦焊可以較方便的實(shí)現(xiàn)鋁－鋼板材之間的連接和銅鋁復(fù)合焊 接接頭。 3 攪拌摩擦焊在國(guó)外的發(fā)展 攪拌摩擦焊作為一種輕合金材料連接的優(yōu)選焊接技術(shù)，已經(jīng)從技術(shù)研究，邁向高層次的工程化和工業(yè)化應(yīng)用階段 ,形成了一個(gè)新的產(chǎn)業(yè) : 攪拌摩擦焊設(shè)備的制造、攪拌摩擦焊產(chǎn)品的加工 、北歐的船舶制造工業(yè)、日本的高速列車制造等制造領(lǐng)域，攪拌摩擦焊得到了廣泛的應(yīng)用 ,均已形成新興產(chǎn)業(yè)。 4 激光輔助攪拌摩擦焊 激光輔助攪拌摩擦焊（ 一種新改進(jìn)的攪拌摩擦焊，攪拌摩擦焊是近 10 年開發(fā)的工藝。 在攪拌摩擦焊里，焊接熱能是來(lái)自工具和工件之間摩擦熱量。由于這種工藝需要相對(duì)大的力，因此，在攪拌摩擦焊中使用的設(shè)備笨重且昂貴。激光輔助攪拌摩擦焊用激光能源加熱工件，而攪拌頭的主要作用是攪拌和連接工件 2 部分。由于這種原因，激光輔助攪拌摩擦焊是一種相對(duì)簡(jiǎn)單和廉價(jià)的方法。 為了克服攪拌摩擦焊中存在的 不足，如（ 1）裝夾焊接工件的夾具較大，需要很大的力向前移動(dòng)焊接工具，焊接工具磨損率相對(duì)高；（ 2）用感應(yīng)線圈方法加熱不能保證正確的位置、焊接攪拌頭和夾具裝置都受到加熱感應(yīng)線圈的影響及用感應(yīng)線圈作媒介加熱及僅適用于導(dǎo)體材料，并不能用于其他非金屬和非導(dǎo)體材料。人們開發(fā)了的激光輔助攪拌摩擦焊 。這種方法由通用銑床和 光器改造成的。激光能源在旋轉(zhuǎn)攪拌頭前面有限范圍內(nèi)預(yù)熱工件。這樣，旋轉(zhuǎn)的攪拌頭前面的工件體積、塑性增加（插圖 1）。然后，采用與普通 藝一樣的方法連接工件。旋轉(zhuǎn)工具前面的高溫軟化了工件，并 且可以不用強(qiáng)大夾具裝夾就能夠保證連接。向前移動(dòng)焊接工具只需很小的力，所以減少了磨損。對(duì)于激光能源這種工藝的優(yōu)點(diǎn)還有焊接能力較高，焊接中不會(huì)引起過(guò)多的磨損。商業(yè)用的激光器，具有很精確地激光直徑控制裝置，因此，控制工件的受熱區(qū)域和激光源到達(dá)工件的數(shù)量，并且保持系統(tǒng)的其他部位的受熱是比較容易的。 目前 激光輔助攪拌摩擦焊的焊接工藝已經(jīng)被證明。激光能預(yù)熱工件的使用標(biāo) 志著在焊接工具和工件中需要提供較大的力的降低，用這種改進(jìn)的方法簡(jiǎn)化了使用，因此使用經(jīng)濟(jì)的焊接方法已成為可能。另外，較高的焊接速度在改進(jìn)中獲得了較好的效 益。 5 攪拌摩擦焊――鑄鋁的高效連接技術(shù) 針對(duì) 金廣泛應(yīng)用，中國(guó)攪拌摩擦焊中心對(duì)該材料的攪拌摩擦焊工藝適應(yīng)性進(jìn)行了開發(fā)， 試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該材料的攪拌摩擦焊工藝適應(yīng)性良好，接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到了母材的 91%，接頭力學(xué)綜合性能優(yōu)于電子束等熔焊方法。 金（舊牌號(hào)為 是在 金基礎(chǔ)上增加 素的含量發(fā)展起來(lái)的 高強(qiáng)度鑄造鋁合金。它既具有優(yōu)良的鑄造工藝性能，又具有較 金更高的力學(xué)性能。由于其優(yōu)越特性，在航空航天制造業(yè)中，廣泛用于 制造重要部位的大型薄壁結(jié)構(gòu)件。 金應(yīng)用前景廣闊，產(chǎn)生了對(duì)材料高效連接技術(shù)的迫切需求。因采用熔焊方法，熱輸入量較大，焊接變形大，難以滿足薄壁件精度要求；并且焊縫易出現(xiàn)氣孔、夾渣、未焊透、燒穿、裂紋等缺陷，缺陷率高；而且焊前焊后處理工序較繁瑣。 攪拌摩擦焊是一種新興的金屬固相連接技術(shù)，金屬在焊接過(guò)程中不熔化，熱輸入量??；焊縫的連接是在金屬受擠壓的狀態(tài)下完成的，焊接接頭不會(huì)產(chǎn)生熔化焊焊接接頭的氣孔和裂紋等一類缺陷，焊縫缺陷少；攪拌摩擦焊類似于機(jī)械加工過(guò)程，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，而且沒有熔化焊中的電 壓，電流，強(qiáng)光，金屬粉塵等現(xiàn)象，工作環(huán)境環(huán)保清潔。最重要的是，攪拌摩擦焊接頭的力學(xué)性能優(yōu)于熔焊接頭。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明焊接接頭的抗拉強(qiáng)度達(dá)到了母材的 91％，試樣延伸率達(dá)到了 接頭組織晶粒細(xì)化、均勻而致密，消除了母材的鑄造缺陷。 材與焊接接頭微觀組織對(duì)比，可觀察到焊核區(qū)微觀組織是無(wú)方向性的、細(xì)小的等軸晶粒，母材區(qū)為粗大的樹枝狀鑄造組織。攪拌摩擦焊是一種區(qū)別于熔化焊和機(jī)械連接的新型焊接技術(shù)，基于其技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在航空制造業(yè)中的應(yīng)用具有巨大的潛在性，為各種輕質(zhì)合金高效連接，提供了解決途徑和方法。 6 攪拌 摩擦焊接在運(yùn)載火箭上的應(yīng)用 運(yùn)載火箭貯箱常用的材料是比強(qiáng)度高、比剛度高的鋁合金，如 2014， 2219和 7075 鋁合金?，F(xiàn)在，運(yùn)載火箭貯箱又采用性能更好的 2195 鋁鋰合金。在航天產(chǎn)品中，特別是在制 造運(yùn)載火箭貯箱中，焊接工藝是一項(xiàng)關(guān)鍵的制造技術(shù)。熔焊技術(shù)如氣體鎢極電弧焊（ 和氣體金屬電弧焊（ 20 世紀(jì) 50 年代起，在雷神、宇宙神、大力神、土星和德爾它 系列運(yùn)載火箭貯箱的制造中使用了幾十年，從焊接設(shè)備、焊接材料、焊接工藝等方面作了大量的研究工 作，滿足了焊接質(zhì)量的需要。同時(shí)，為了提高焊接質(zhì) 量和降低成本， 20 世紀(jì) 80 年代美國(guó)又采 用了變極性等離子弧焊（ 機(jī)，并配備了先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，代替了 焊接了 2219合金制的航天飛機(jī)外貯箱，使焊接工藝在貯箱的制造中向前邁進(jìn)了一 大步。迄今為止，雖然焊接質(zhì)量有所提高，焊接時(shí)間有所縮短，但仍不能徹底解決焊縫及近縫區(qū)的裂紋和減少焊接氣孔等缺陷問(wèn)題。 1991 年英國(guó)劍橋大學(xué)焊接研究所（ 明了攪 拌摩擦焊接(這種焊接技術(shù)焊接的鋁合金變形小、冶金和力學(xué)性能高、成本低和焊接時(shí)間短。 挪威在世界上最早用 接 技術(shù)焊接過(guò) 6 6 6068合金船面板和 20 m 長(zhǎng)的鋁合金制的快艇，焊接總長(zhǎng)達(dá) 10 000 m。瑞士也研制出 機(jī)。為了加速 接技術(shù)在工業(yè)上的應(yīng)用， 1995 年國(guó)際合作公司贊助了一項(xiàng)計(jì)劃，由 究所牽頭繼續(xù)研究 用 接 2000 系（ ）、5000 系（ ）、 6000 系（ ）等鋁合金，并均獲得滿意的焊接質(zhì)量。 究所、美國(guó)愛迪生焊接研究所（ 部門，除了研究用 接鋁合金外，還研究用它焊接黑色金屬及其它金屬。美國(guó)的航空航天 工業(yè)部門對(duì)F 展了更多的應(yīng)用性研究，如洛 馬公司、波音公司投入了大量的研制經(jīng)費(fèi)，僅花在 接工藝和設(shè)備研制上的費(fèi)用就達(dá) 1500 萬(wàn)美元，成功地焊接了德爾它 Ⅱ ～ Ⅳ 的運(yùn)載火箭貯箱 。 由于 在比被焊合金材料熔點(diǎn)溫度低的條件下完成的固態(tài)連接，所以金屬材料沒有熔化，焊接收縮變形小和力學(xué)性能損失低，與傳統(tǒng)的 焊技術(shù)焊接鋁合金相比，有著突出的優(yōu)點(diǎn)： a）不需要?dú)?、氦保護(hù)氣體和填充材料，焊接時(shí)不需要控制焊接電流和電弧電壓參數(shù)，節(jié)省了大量材料的消耗。 b）焊前不需要對(duì)被焊接材料和焊絲仔細(xì)清 理、酸洗、打磨和烘干等，不必對(duì)被焊接材料機(jī)械加工開剖口，節(jié)省了許多操作時(shí)間。 c）焊工不要求有高的操作技術(shù)。 d）焊接能量效率高，單層焊接 6000 系鋁合金可達(dá) 12.7 度，因此適合于自動(dòng) 化生產(chǎn)。 e）不存在鋁合金焊接主要缺陷，即裂紋敏感性問(wèn)題，因此，容易焊接難以焊 接的鋁合金材料，如 7075 鋁合金。 f）由于 以保持合金的冶金性能，所以可焊接金屬基復(fù)合材料和快速凝固材料。 g）采用最佳的焊接參數(shù)，可以獲得無(wú)氣孔的焊縫。 h）可以焊接異種金屬，如鑄造和擠壓、鑄造和鍛造材料等。 i）用 以焊 接許多通常不能夠焊接的長(zhǎng)而大的橫截面零件。 J）焊接大尺寸擠壓件變形很小。 k）焊接前工件裝配要求低，待焊接表面根部不必緊配合，根部裝配間隙允許公差低， 1.6 薄板根部裝配間隙為 0.2 12.7 板為 一項(xiàng)適合于焊接鋁合金的新技術(shù)。因?yàn)樗枪虘B(tài)焊接，與熔焊鋁合金技術(shù)相比，具有 3 個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)： a）固態(tài)連接消除了與熔焊有關(guān)的裂紋，即液化或固化裂紋。在最佳焊接條件下完全消除氣孔。 b）不存在焊縫金屬蒸發(fā)產(chǎn)生的合金元素?fù)p失，焊縫合金元素得到保存，因此焊接質(zhì)量得到保證。 c）由于焊接工具對(duì)材料產(chǎn)生的碾壓、攪拌和鍛造作用，可得到比基體金屬更為細(xì)小的再結(jié)晶組織，焊縫金屬?gòu)?qiáng)度超過(guò)了焊接熱影響區(qū)材料的強(qiáng)度。 用于運(yùn)載火箭貯箱的材料 2014強(qiáng)度鋁合金（中國(guó)牌號(hào)為 比較難焊接的金屬材料，其焊接熱裂紋傾向性高，焊接接頭強(qiáng)度系數(shù)為 右，塑性不高，延伸率僅 2%～ 3 %，補(bǔ)焊性能差。 接后的接頭彎曲試樣證明：接頭塑性明顯提高，彎曲角達(dá) 180°，拉 伸試樣均斷在焊縫金屬外的熱影響區(qū)。2014態(tài)拉伸試樣破壞均斷在基體金屬。與熔焊接頭相比， 接接頭 的抗拉強(qiáng)度 高 30%～ 50%，焊接接頭的強(qiáng)度系數(shù)達(dá) 裂韌性提高，疲勞性能與鉚接 的相同。 2519強(qiáng)度鋁合金有優(yōu)異的沖擊性能，用于海軍先進(jìn)的水陸兩用攻擊型戰(zhàn)車，但用普通熔焊時(shí)，焊接接頭塑性低，不能通過(guò)必須的沖擊驗(yàn)收試驗(yàn)，經(jīng) 接后的焊接接頭比熔焊接頭塑性提高，強(qiáng)度相同，成功地通過(guò)了彈道沖擊試驗(yàn)。 2195鋰合 金采用 接，焊接接頭力學(xué)性能比接接頭力學(xué)性能高得多 。 展很快，已有 10 年。自從 1995 年以來(lái)，歐洲、美國(guó)和日本等一些國(guó)家對(duì) 展了應(yīng)用性研究，特別是美國(guó)航空航 天工業(yè)部門高度重視該技術(shù)，并用它 成功地焊接了以往難以焊接的 7075 鋁合金低溫燃料貯箱，其力學(xué)性能很 好。 5454 鋁合金焊接后有很好的抗腐蝕性。 當(dāng)前各國(guó)都在研究不同鋁合金，不同接頭形狀的焊接 ， 著手建立材料焊接力學(xué)性能數(shù)據(jù)庫(kù)，建立飛機(jī)和航天工業(yè)用鋁合金焊接標(biāo)準(zhǔn)，并將 用擴(kuò)大到汽車、造船 、鐵路 、建筑、壓力容器等部門。同時(shí)研究熔點(diǎn)高的鈦合金材料，包括金屬基材料在內(nèi)的泡沫鋁合金材料的焊接。 接主要依靠設(shè)備完成，研究的重點(diǎn)是夾持器和特型指棒。研究證明：工具的形狀決定了焊縫金屬塑性加熱、熱塑性材料 的流動(dòng)和鍛造形式；夾持器的尺寸決定了焊縫 的尺寸、焊接速度；工具材料決定了摩擦加熱速度、夾持器的強(qiáng)度、工件溫度；所以，夾持器決定了焊縫的最終質(zhì)量。在各國(guó)的專利中，為了焊接出最好的力學(xué)性能和冶金性能、完全 無(wú)氣孔、光滑表面的焊縫，對(duì)各種各樣的特型指棒的形狀分別作了研究；對(duì)圓柱形夾持器的直徑 2何形狀、焊接速度 ω、向下的作用力 F 以及 焊接材料厚度 W 的最佳配合作了研究，得出了以下結(jié)論： 一種最新的非常適合于焊接鋁合金的工藝技術(shù)，具有焊接變形小、質(zhì)量高和成本低等優(yōu)點(diǎn)。雖然發(fā)展時(shí)間不長(zhǎng)，在運(yùn)載火箭貯箱制 造等領(lǐng)域已經(jīng)獲得應(yīng)用，并在進(jìn)一步 擴(kuò)大。由于這種焊接工藝在航空航天工業(yè)部門的重要性，又極具潛力，目前關(guān)鍵性的焊接規(guī)范參數(shù)和工具技術(shù)還處于保密階段。我國(guó)應(yīng)要盡早開展 航天工業(yè)上的研究，用于高強(qiáng)度鋁合金制造的產(chǎn)品中。 n 1991, is in to in of as 996, to of In 997 in of a of in of as I V 999 2000 as on of to of 002, ir by SW 2 of he of as a a to to At no of in of of of of is a in of , a a to be is of So of of of in a SW as of no it is an at is a to of be of of of a nd so to be " to 2 7090,2090 195 In or is or of be as by of of be 3 SW in of as a a of of a If in of 4 is a is a 0 In of a of is to . is a In to 1) to a of is (2) of is o to of by be It a by d: a. in in of a In in of ). SW as be to a to a so a of of of of a of to of of is of to of in in to a in of is In to a in 5 of of to of 1 %, is as is on g It of in in of in By a of to of to of is a is a of is by is is to of of 1% of to be is no as a is a of on in in of a of a 6 in is 014,2219 075 of 195. in is a as 50 0th of in of a of to of in to 0th 0 of to 219so in of a So 991, of of is in SW 16 m2 0680 m s 0 000 m. a in to 995 an by to SW 000 ( 5000 6000 (in to SW it to SW as a of SW 15,000,000 of ~ Ⅳ SW is of so is no of of is of as a) do to to a of