搅拌摩擦焊技术应用现状和发展趋势
北京航空制造工程研究所（１０００２４） 栾国红柴 鹏
［摘要］文章对搅拌摩擦焊技术概况和技术特点进行了简要介绍，对搅拌摩擦焊 技术在国内外的应用现状进行了分析，并预测了搅拌摩擦焊技术的发展趋势。文章认 为．铝合金等轻金属连接是搅拌摩擦焊技术的主要应用领域。同时，在搅拌摩擦焊技 术的基础上进行新技术（如表面改性、材料制备和搅拌摩擦点焊等）的开发，是该技 术的一个很重要的发展趋势。
搅拌摩擦焊（ＦｒｉｃｔｉｏｎＳｔｉｒ Ｗｅｌｄｉｎｇ，简称ＦＳＷ）是 一种固相焊接新技术，是英国焊接研究所（Ｔｈｅ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，简称ＴｗＩ）于１９９１年发明的，并于次年在英 国申请了发明专利，同时陆续在世界各国申请了专利保 护。得到专利保护并公开以来，搅拌摩擦焊技术首先并 主要在铝合金、镁合金等轻金属结构领域得到越来越广 泛的应用，同时在高熔点材料领域也获得了一定发展。
搅拌摩擦焊技术最早被挪威的Ｓａｐａ公司、瑞典的
Ｈｙｄｒｏｍａｒｉｎｅ公司等用于船舶制造领域。并先后被美国
的波音公司，洛克希德・马丁公司和月蚀公司，欧洲的 空中客车公司以及日本的三菱重工和富士重工等企业推 广用于航天运载火箭燃料贮箱产品和典型飞机结构的制 造。同时，在列车制造领域逐渐取代了熔焊技术，被日 立公司、阿尔斯通公司等大型列车制造商广泛用于铝合 金车体的制造中。
１９９５年，英国焊接研究所在中国申请了搅拌摩擦 焊技术发明专利，并于１９９９年正式获得国家专利局批 准。２００２年，英国焊接研究所与中国航空工业集团公司 北京航空制造工程研究所签定了专利授权协议，并联合 成立了中国搅拌摩擦焊中心（下文简称中心，北京赛福 斯特技术有限公司是该中心的企业化运营实体），致力 于在中国地区（包括台、港、澳）推广这项新技术。自 中心成立至今，国内已获得搅拌摩擦焊技术专利许可的 单位达２０余家，批量应用搅拌摩擦焊技术产品的单位有
１０余家，发表搅拌摩擦焊技术方面的研究论文共１００余 篇，采用搅拌摩擦焊技术制造的产品已有几十种。
近年来，搅拌摩擦焊技术在发展过程中出现了 一些新的趋势，比如：许多研究机构包括企业（如 Ｍｅｇｓｔｉｒ公司等）进一步拓展了搅拌摩擦焊技术的研究 领域，并将其用于钢（低碳钢、双相不锈钢及超细晶粒 钢等）及钛合金等高熔点材料的焊接；同时，在搅拌摩 擦焊技术的基础上产生了许多衍生技术，如摩擦塞焊、
搅拌摩擦点焊以及表面改性和细晶材料制备技术等。这 些新的研究领域和发展趋势值得国内同仁充分重视。
一．搅拌摩擦焊技术特点
搅拌头（ＦＳＷ Ｔ００１）是搅拌摩擦焊接过程中的主 要施焊工具，由４个部分组成：搅拌针、轴肩、过渡段 及夹持柄。搅拌摩擦焊技术的基本原理及工艺过程如图 １Ｎ示，可以分解为４个不同阶段：旋转、插入，焊接以 及离开。搅拌头旋转启动后，以一定速度插入待焊零 件；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；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，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。
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搅拌摩擦焊接过程中，接头温度峰值始终处于材 料熔化点以下（约为材料熔点的０．８），不会出现材料 熔化，从而避免了常规熔焊工艺中因熔化一凝固现象的 存在所造成的各种焊接缺陷。所以，搅拌摩擦焊是一种 固相焊接技术。接头材料在高温软化状态下，由于搅拌
图１ 搅拌摩擦焊基本原理及工艺过程
头的挤压而形成牢固的锻造细晶组织（与此不同的是，
熔焊接头通常为晶粒粗大的铸造组织）。与其他焊接方 法相比，搅拌摩擦焊具有以下特点：
（１）搅拌摩擦焊是一种固相连接技术，接头性能优
异。（２）焊前不需要开坡口，可以节省焊前准备工时。
（３）焊接过程中不需要保护气，也不需要填充材 料。
（４）焊接过程容易实现自动化，可以实现全位置焊 接，接头质量一致性好。
（５）焊接热输入小，从而导致焊接变形小、接头残 余应力水平低，是一种低应力，小变形焊接技术。
（６）焊接过程中无飞溅、无弧光，无辐射，是一种 绿色焊接技术。
（７）焊接效率高、能耗低，是一种高效焊接技术。
搅拌摩擦焊技术的这一系列特点使其对于以铝合 金为代表的轻金属结构焊接具有非常重要的意义，在航 空、航天、船舶、列车、汽车以及电力、电子等领域具 有非常广阔的应用前景。
：．搅拌摩擦焊技术应用现状
搅拌摩擦焊作为一种轻合金材料连接的优选焊接
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技术，已经从技术研究迈向高层次的工程化和工业化应 用阶段，如在美国的宇航制造工业、北欧的船舶制造工 业和日本的高速列车制造等领域，搅拌摩擦焊技术都得 到了广泛应用。搅拌摩擦焊技术１９９５年（通过申请专
利）进入中国，但是这项技术在中国真正获得发展却是 在２００２年以后——中心成立以来的这几年时间，它是以
中国自主研制的第一台专机搅拌摩擦焊设备的交付使用 为标志的。２００２年以来，搅拌摩擦焊技术已被迅速推广 到国内的航空、航天、船舶、电力、电子以及汽车等领 域，并在几十种产品型号中得到应用。１．搅拌摩擦焊技术在航天型号产品研制中的 应用
由于轻量化的需要，航天领域大量采用了铝合金
结构——最适合采用搅拌摩擦焊技术，从而使搅拌摩擦
焊技术最早在火箭、航天飞机等宇航产品中得到推广。国内则是首先在一些火箭、导弹等新型号武器装备研制 中采用了搅拌摩擦焊技术，并配备了中国搅拌摩擦焊中 心自主研制的搅拌摩擦焊专机设备。
出于减重、减少成本和提高性能等方面的考虑，
我国导弹武器舱段的设计拟由原来的防锈铝（女１１５Ａ０６ 铝合金）改为高强铝合金（女ＩＩＬＹｌ２），但是这些材料
采用熔焊的方法很难实现焊接，整体成形的成本又很
高，因此迫切需要像搅拌摩擦焊这样的新型固相焊接 技术。２００４～２００５年，中国搅拌摩擦焊中心与某航天制
造基地合作开展了这方面的研究，分别对与导弹武器整 体舱段制造的纵缝连接，环缝连接等进行了应用开发，试制了多个型号的产品（图２所示为工艺验证模拟结构 件）并成功试飞。目前，搅拌摩擦焊技术已准备用于相 关军工产品的工业化生产。
万方数据
图２模拟导弹舱段结构的搅拌摩擦焊制造 鉴于波音公司、洛克希德・马丁公司等均已将搅拌
摩擦焊技术用于火箭燃料贮箱和航天飞机外挂燃料贮箱
的焊接，中国搅拌摩擦焊中心与国内航天领域运载火箭 制造厂的合作非常成功。２００６年，完成了新型运载火箭 燃料贮箱筒段的搅拌摩擦焊技术的研究和专机设备的研 制；２００７年，完成了运载火箭燃料贮箱箱底结构的搅拌 摩擦焊技术攻关和试验验证。图３所示为运载火箭燃料 贮箱箱底焊接所采用的多轴数控搅拌摩擦焊设备。该设 备共有７个运动轴，可以实现４轴联动，能够完成垂直平 面（ｙ－ｚ平面）内的二维曲线焊接，是国内自主开发研 制的最先进的搅拌摩擦焊设备之一。图３多轴数控搅拌摩擦焊设备
２．船舶制造中的搅拌摩擦焊技术应用
铝合金船舶的种类很多，从十几米的军用导弹快 艇，到２００多米长的大型豪华游轮。所以船ｔｆｌ带ｉｌ造需要 的宽幅铝合金壁板种类较多，搅拌摩擦焊技术因其制造 接头性能高，变形小、效率高等特点在这种宽幅铝合金 壁板的制造中具有很强的竞争力。２００６年中国搅拌摩擦 焊中心自主设计制造了国内第一台宽幅船舶壁板结构型
材搅拌摩擦焊设备；２００７年，同类型搅拌摩擦焊设备出 口至国外ｌ
２００８年，第１Ｉ代改进型型材搅拌摩擦焊设备 已经用于新的铝合金型材拼接生产线，把我国型材搅拌
摩擦焊的制造能力由３００Ｉ／年提高到了１５０（０年。图４所示搅拌摩擦焊设备，采用了分体方梁设计 模式，焊接设备主体和液压压紧横粱分离，零件的夹紧 力不会影响主体设备的工作精度。自主开发的数控系统
可以实现焊接参数的设定和适时调整，并且系统集成了多种工艺控制模式，可以根据零件种类以及结构不同分 别实现恒位置控制或恒压力柔性控制。该设备可以焊接 ２～６ｍｍ接头厚度的铝合金板材和型材，焊接产品尺寸
可以达到６０ｍ２（１２ｍ×５ｍ，见图５）。图４中国第一台１２ｍ长宽幅型材搅拌摩擦焊设备
图５中国搅拌摩擦焊中心制造的宽幅 搅拌摩擦焊铝合金船舶壁板（６０ｍ２）
３．电力、电子产品搅拌摩擦焊制造
电力，电子行业中使用的冷却器产品多为复杂的 平面曲线结构。图６ ａｆｔ）ｉ：示为某电子产品上的冷却器，
需要解决的是冷却通道的密封及焊接问题。以前该产品
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采用的是钎焊方法，但次品率高达３０％以上，不仅生产 效率低，生产成本高，而且还在一定程度上降低了结 构的可靠性。采用搅拌摩擦焊技术后，成品率提高到 了９０％以上，并且对缺陷结构的二次维修式焊接也很方 便，进一步降低了产品报废率。
图６ ｂ所示为由中国搅拌摩擦焊中心设计制造的用 于平面（．］ｒ吵平面）二维搅拌摩擦焊接的专用设备。该 设备可以随着ｘ、ｙ平面焊接轨迹的变化自动调整焊接倾 角方向，从而克服ｒ平面复杂轨迹的搅拌摩擦焊难题。
目前在国内，搅拌摩擦焊技术主要应用于航天、
船舶及电力、电子等领域，而在航空、兵器和列车等其 他领域的应用研究进展也很顺利，为在这些行业的进一 步推广应用打下了良好基础。
图６电子散热器产品的搅拌摩擦焊接及设备
三．搅拌摩擦焊技术发展展望
搅拌摩擦焊是一种非常优秀的固相焊接技术，对
于解决铝合金（尤其是２０００系列和７０００系列铝合金）等
轻质合金的焊接难题具有重要意义。国际上主要的工业 发达国家已将该技术广泛用于航空、航天等领域的产品Ｅ囝！竺生箜！兰塑壁鲎复塑型 参磊加工热加工
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制造。国内的起步虽然比较晚，但是发展速度很快，自 发明至今在基础研究和工程化应用方面均取得了丰硕成 果，星星之火已成燎原之势。
在完成了技术基础研究和型号产品的试验验证之 后，搅拌摩擦焊技术应用于航天飞行器产品已经没有太 大技术障碍。在完成标准制定和工艺方法评定之后，就 可以进行进一步的生产线改造和产品制造。
在航空方面，由于长寿命、高可靠性等要求，搅 拌摩擦焊技术的研究尚有许多工作要做。首先，需要对 接头进行全方位性能评定，包括常规力学性能、疲劳性 能、抗腐蚀性能以及断裂韧性等；其次，需要进行元件 级设计和试验验证，如针对机翼壁板、机身舱段等进行 搅拌摩擦焊技术验证和铆接技术对比；然后，还要进行 试飞考核和适航论证。
在基础研究方面，搅拌摩擦焊技术的机理始终是 一项重要课题：搅拌摩擦焊接头的接合机制、接头材料 的转移特点和影响因素等方面虽然获得了一系列研究成 果，但距离真正透彻地解释和利用这项技术尚有一定 距离。
铝合金等轻金属结构是搅拌摩擦焊技术的主要应
用领域，但在钢等高熔点结构中也有一定的应用前景。
如针对双相不锈钢、超细晶粒钢等，采用熔焊技术容易 导致其相成分或相组织的改变。而搅拌摩擦焊由于其连 接温度低，比较适合类似材料的焊接，所以近年来，对 钢等高熔点材料搅拌摩擦焊技术的研究会成为一个新的 热点。
搅拌摩擦焊技术不仅可以用于材料连接，也可以 用于细晶材料制备和材料表面改性。这主要是由于搅拌 摩擦焊接头属于锻造的细晶组织，相对于接头材料本身 具有很多不同的特点，所以搅拌摩擦焊技术在材料研究 领域也具有一定的用武之地，可能会成为一种新材料制 备技术。
根据搅拌摩擦焊技术机理，在搅拌摩擦焊技术基 础上可以产生许多衍生技术，如摩擦塞焊、摩擦点焊、
断续焊及双轴肩搅拌摩擦焊等。其中尤其值得一提的是 摩擦点焊，这项技术已被马自达等汽车制造企业所采 用，中国搅拌摩擦焊中心正在全力开发搅拌摩擦焊点焊 技术。该技术的推广应用将对汽车制造、飞机制造等产
生革命性的影响。（２００８１２１０）ＭＷ
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搅拌摩擦焊技术应用现状和发展趋势
作者： 栾国红， 柴鹏， Luan Guohong， Chai Peng 作者单位： 北京航空制造工程研究所,100024
刊名： 金属加工（热加工）
英文刊名： MW METAL FORMING 年，卷(期)： 2008(24) 被引用次数： 5次
引证文献(5条)
