搅拌摩擦焊研究进展及前景展望

第２４卷第３期

焊 接 学 报

Ｖ。１．２４ Ｎ。．３ ２ ０ ｏ３午６月 ＴＲＡＮＳＡＣＴｌＯＮＳ ＯＦ ^ＴＨＥ ＣＨｌＮＡＷＥＬＤｌＮＧ ＩＮＳＴＩＴＵＴＩＯＮ ^{Ｊｕｎｅ ２ ０ ０ ３}

搅拌摩擦焊研究进展及前景展望

华１，

林三宝１，

^吴

林１， 冯吉才１， 栾国红２

哈尔滨Ｔ：业大学现代焊接生产技术国家重点实验窒，哈尔滨１５０００１；

２北京赛福斯特技术有限公司，北京 ^{１０００２４）}

摘要：搅拌摩擦焊（Ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｓＩｉｒＷｅｌｄ－ｎｇ，简称Ｆｓｗ）是针对焊接性差的铝合金』ｆ发的

・种新型同相焊接工艺，由萸国焊接研究所ＴｗＩ（Ｔｈｅ ｗｅｌｄｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｌｕｔｅ）丁１９９１年开发 的专利技术。文巾对搅拌摩擦焊工艺进行简单介绍井对研究现状做了比较详尽的总 结，涉厦搅拌摩擦焊机理即塑性流体运动情况及“洋葱”圆环的彤成机理、适用母材、接 头微观组织、力学性能、焊接工具、复合焊接工艺及搅拌摩擦焊应用领域，并展望黔ｗ 的发展前景：

关键词：搅拌摩擦焊；塑性流体；“洋愆”圆环；复合焊接

中图分类号：７ｒ（淅３ 文献标识码：Ａ 文章编号：０２５３—３６０ｘ（２００３）０３—９１一０６ 球 牡

Ｏ

序 言

搅拌摩擦焊（Ｆ＾ｃｔｉｏｎ ｓ血ｗｅｌｄｉ“ｇ，简称Ｆｓｗ）

足针对焊接性差的铝合金开发的一种新型固相焊接 工艺，由英国焊接研究所（１Ｔｈｅ ｗｅｌｄｉ“ｇ Ｉｎｓｌｉｔｕｔｅ）于 １９９１年开发的专利技术。与传统的焊接方法相比，

具｝ｒ优质、高效、低耗、焊接变形小、尤污染等特点，

特别足在薄板焊接中其他焊接方法是远不可相比 的。具体表现为（１）生产成本低：不需要填充焊丝、

焊剂和保护气体；事先不必进行氧化膜处理；不需要 事先的丰Ｊ底焊；（２）接头性能好：可眦得到等强度接 头；塑性降低很少甚至不降低；没有气孔、裂纹；（３）

安拿件好：焊接过程整洁，不会产生诸如飞溅、辐射 等有害物质。目前国内关于Ｆｓｗ的研究处于起始 阶段，还没有真正深入的研究与大规模应用。Ｔｗｌ、

ＮＡｓＡ（Ｎａｔｉｏｎａｌ ＡｅＴＤｎａｕｔｉｃｓ ａｎｄ Ｓｐａｃｅ Ａｄｍｌｎｉｓｌｒａ—

Ｉｍ）、Ｂｏｅｉ“ｇ、｝：ｓＡＢ等大型研究机构和企业都在进 行与该工艺相关的研究工作”“。Ｆｓｗ已成功应用 Ｊ：实际７Ｅ产。搅拌摩擦焊技术一出现，就得到航空 界的青睐、英国焊接研究所申报了此项专利后，瑞 典ＥｓＡＢ公司按许可证制造了专用焊接设备一ｓｕ—

ｐｅｒｓｔｈ搅拌摩擦焊机，并已获得实际应用。美围著 名的字航公司争相购买搅拌摩擦焊的专利许可证，

开发、应用搅拌摩擦焊技术。１９９８年美国波音公司 的空Ｊ．日Ｊ和防御实验窜引进了搅拌摩擦焊技术，＿Ｌ｝＝｜于 焊接Ｊ『！＝些火箭部件．成功用于低温下工作的铝合会

收稿日期：烈ｍ—ｌｏ—１０

基金项目：同家高技术研究发展专项经费资助项（２００２ＡＡ３３１１６０）

薄壁压力容器，完成了纵向和环向焊缝的连接；麦道 公司也把这种技术用于制造Ｄｅｌｔａ运载火箭的推进 剂贮箱…。文中主要是将目前Ｆｓｗ的研究现状做 一下介绍。

１

搅拌摩擦焊工艺

Ｆｓｗ足同相连接过程，其原理如图ｌ所示。搅 拌雎擦焊对工件的焊接，主要通过焊接工具（ｗｅｌｄ—

ｉ１１９ ｔ００１）的高速旋转实现的。焊接工具包括轴肩

（ｓｈｏｕｌｄｅｒ），搅拌头（Ｐｉｎ）和工具休（ｓｈａｎｋ）。轴肩 与工件表面压紧，产生摩擦热同时保持塑性流体；搅 拌头产生附加摩擦热，同时扩展工件两侧塑性流体。

搅拌头的端部装有螺丝线，确保发生塑变的］二件材 料充分释放，以得到没有气孔的接头。要得到根部 良好的接头，搅拌头必须与背部垫板紧密接触，因为 只有很少的塑性变形材料且在非常靠近搅拌头的地

图１ 搅拌摩擦焊工艺示意图 ｎ窖．１ ｓｃｋｍ柚ｃ时，ＳＷｐｒ眦ｅ蟠

９２ 焊接学报 第２４卷

疗产乍一、

Ｆｓｗ焊接不需要焊前处理，可以焊接厚度Ｉ．２

～５０ｍｍ．铝合会常用对接最优厚度达Ｉ．６～１０ｍｍ，

特殊措接厚度为１．２—６．４ ｍｍ，如果厚度达１００ ｍｎｌ＇则可以进行双面焊接”ｏ．图２所示为７５ｍｍ ６０８２焊接接头二

圈２ ７５ｍｍ厚６０８２铝台金双面硝ｗ焊接横剖面图

Ｆｉｇ．２ Ｔｍｎｓｖｅｒｓｅｓ忧ｔｉ叩ｔｌＩｒｏｕｇｌＩｄｏｕｂｌｅ ｓｉｄｅｄｍｃ“ｏｎ

ｓｔ¨ｗｅｌｄ ｊｎ ７５ ｍｍｔｈｉｃｋ ６０８２ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌＩｏｙ

２搅拌摩擦焊接材料研究

日前应用Ｆｓｗ成功连接的材料有Ａｌ合金，Ｍｇ 台金，铅，锌，铜，不锈钢，低碳钢等同种或异种材 料”３。Ｒｏｍｍｅｖａｕｘ等人进行了铝合金一舨的Ｆｓｗ 焊接研究¨，ＪｏｈＩｌｓ帆Ｒ对ＡＭ５０，ＡＭ６０．Ａｚ３ｌ，Ａｚ９ｌ 镁合金同种和异种材料之间进行了Ｆｓｗ焊接试验，

证明可以应用Ｆｓｗ连接镁合金”。Ｆｓｗ不仅对一 系列铝合金成功连接，而且也实现了对高熔点材料 们合金的连接。ＴＷＩ于１９９７年１１月报道成功

Ｆｓｗ焊接３ ｍｍ厚的低碳钢，ＥｗＩ（Ｅｄｉｓｏｎ ｗｅｌｄｉｎｇ Ｉｎｓ“ｔｕｔｅ）于１９９８年５月报道成功连接６ ｍｍ软钢．

并报道１２ ｎ—ｍ厚１２％ｃｒ不锈钢的Ｆｓｗ焊接。由此 可知，随着焊接＿Ｔ具的发展，胯ｗ可以应用于更多 的材料的连接“。

３

搅拌摩擦焊机理研究进展

目前Ｆｓｗ研究的重点大多集中于研制适用于 不同材料的焊接工具和工艺；焊接接头的性能及合 理的结构没汁等方面．但对焊接过程的材料流动机 理的研究尚处于探索阶段。ｃｌｏｏｉｇａｎ Ｋ利用Ｆｓｗ 焊接变形过程概念模型来分析塑性材料的流动。为 了使搅拌头周围塑性材料运动可视化，采用两种新 技术。钢球跟踪（ｓｔｅｅｌ ^{ｓｈｏＩＩｒａｃｅ}ｒＩｅｃｌｌＩｌｉｑｕｅ）和停止 运动技术（ｓｔｏｐ ^{８ｃｔｉｏｎ} ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）。试验所用材料为 厚６．４ｍｍ６０６１一％及７０７５一％板材”Ｊ。

钢球跟踪技术（ｓＩｅｃｌ ｓ…ｔｒａｃｅｒｌｅｃｈｎｉｑｕｅ）是利

ｊ｛｛Ｏ．３８ｍｍ钢球镶嵌在工件不同的位置，焊缝沿着 镶嵌接头并且沿着跟踪规线停止。焊头仍然仵工件 中时停止它的运动，钢球将沿着焊头分布，则在焊缝 中的跟踪轨迹可以得到，论文介绍ｒ一种典型的镶 嵌钢球的方法。

另外一种方法为“停止运动”技术（ｓ‘叩ａｃｉｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ），以使搅拌头不能旋转的速度快速的停止 焊头的运动并且将焊头从工件中取出，保证与搅拌 头接触的金属材料仍然附着在７Ｌ的周围。通过分析 焊缝尾端小孔，可以分析焊头轨迹材料的流动情况。

不过这种方法需要数控电动装置”１．

利用两种新技术得出：并不是所有被焊头影响 的材料被真正的搅拌。许多材料的运动只是简单的 扩展（Ｅｘｔｎｌｓｉｏｎ）。材料从焊头的Ｊ‘层部位被激活，

被激活的材料沿着焊头的边沿向下运动，填充空隙。

其它的材料只是枯着回撤面向上扩展，沿着焊头周 围升到焊缝ｆ：部。

Ｄａｗｅｓ ｃ Ｊ等人通过试验揭示搅拌摩擦焊焊缝

中材料运动情况”。概念模型的提出是初步的，需 要进一步的工作柬优化模型，更详细的解释搅拌摩 擦焊的机理，尤其足对其他的铝合会的机埋做进一 步的工作。最终目标是对机理有充足的理解，建立 过程的理想模型，预测焊接＿上具的力度，温度及其它 相关参数。焊接下具参数，操作参数，及过程中的一 些新的改进。

“Ｙ等人通过腐蚀焊接接头，得到不同的接头 形貌，在光学显微镜下有鲜明的对比，提供丁一种观 测塑性流体运动的方法，同时证明，塑性流体的运动 随同焊接旋转速度的变化而改变，随着工具轴线的 改变而有轻微的变化““…。

Ｋ而ｓｈ岫ｎ Ｋ Ｎ分析Ｆｓｗ接头“洋葱圆环”（Ｏｎ－

ｉｏｎｉｎｇｓ）的形成原冈，指出与焊头几何形状及工艺 参数有关，南于两者均影响塑性流体的运动，圆环的 生成本质取决于塑性流体的运动；圆环的中心比较 密，往外围比较稀疏；圆环间隙与焊接工具每一转前 进的距离相等…１。“洋葱圆环”如图３所示。

４搅拌摩擦焊微观组织研究进展

微观组织结构与接头力学性能密切相关，故对 微观组织的研究比较多，一般将接头分为三个部分，

即焊核区（ｗｅ】ｄ“ｇｇｅ￡）、机械热影响区ｒ１１ＭＡｚ

（Ｔｈｅ咖。一ｍｅ“ａｎｉｃａⅡｙ ａ肫ｕｆｅｄ舯ｎｅ）和热影响区 ＨＡＺ（Ｈｅ８ｔ ａ睡ｃｔｅｄ ｚｏｎｅ）如图４所示。Ｋ．Ｍ Ｋｍ．

ｈｎ口和Ｋ．Ｖ．Ｊａｔａ利用透射电镜ＴＥＭ（Ｔｒａｎｓｍ涵ｉｏｎ

第３蝴 张 华，等：搅拌摩擦焊研究进展及前景展望 ^９３

但最高温度与微观组织结构及显微硬度与微观结构 的关系已找到…。…。

图３ Ｆｓｗ接头横截面“洋葱”圆环 Ｆｉｇ．３ ｏｎｉ明ｒｉｎｇｓ ^{ｉｎｃｒ船ｓ}ｓｅ州ｏｎ ｏｆａＦＳｗ ｒＩ川ｌＩｕＩＩ Ｉｌｌｉ‘‘ＩⅥｓｕｔ’ｐｃ）＋ＯＩＭ（Ｏｄｅｎｔａｔｉｏｎ ｉｍ８９ｉ“ｇ ｍｉｃｒｏ一

＂ｏｐＰ），ＬＭ（Ｌｉｇｈｔ ｍｉｃｍｓｃｏｐｅ）等试验手法，得到不同 焊接条件下微观组织结构情况”…。试验采用Ａｌ

—Ｉｊ—ｃｕ台金，焊前甲Ｉ均ｄ自粒直径为８７“ｍ．晶粒 足扁长状（ｈｍａｋｅ）。焊缝动态冉结晶区ＤＲｘ（Ｄｙ－

ｎａｎ】ｉＬａｌｌ，ｐｃｗｓｔａｌｌｉｚｅｄ”ｇｉｏｎ）的平均晶粒直径为９

“ｍ，而Ｈ足等轴晶粒。ｓｕｌｌ（Ｉｎ Ｍ Ａ认为通过改变 Ｆｓｗ焊接参数．町以改变接头的微观组织结构，改 善接头的・系列性能，包括抗断裂能力”…。Ｈａｎａｄｉ

ｃ ｓａｋｍ证明超塑性材料经过ＦＳｗ焊接后，仍然保 持较好的超塑性，Ｆｓｗ焊接是保证超细合金焊接后 仍保持高强度和高塑性的有效焊接方法”４’”Ｉ。ＬＩｕ Ｇ等人采用６０６０一Ｔ６铝合金．微观试验结果显示，

焊缝１）（的平均晶粒直径为１０¨ｍ，而母材的平均晶 粒血径为１００“ｍ…。Ｂｅｎａｖｉｄｃｓ认为表面晶粒尺寸 从焊缝底部至顶部是逐渐增加的，但｝’ｓｗ焊接温度 ４ｉ高的情况下，这种差别很小．当旋转速度降低时，

晶粒尺寸降低。２０２４铝合金焊缝晶粒平均为 ｏ．８斗ｍ，而母材焊前为ｌｏ¨ｍ。井提出晶粒生长公 式，分析不｜＿Ｊ焊接条件Ｆ的微观组织，和焊缝中心温 度…、，ＲｈｏｒｌＰｓ^ｃ Ｇ等采用Ｆｓｗ焊接７０７５铝合金，

焊缝区的品粒尺寸为２～４“Ｉｎ，位错密度比母材中 的要低，硬化相在Ｆｓｗ焊接过程霞溶，而大的硬化 相进行睁次的弥散。微观结构和力学性能之间的 关系非常霞要，它们之间的关系还不是特别的清楚，

圈４ ＡＡ２０２４Ｆｓｗ接头宏观圈（熔核。热影响区．机械热影 响区）焊接方向为指向纸面．Ａ代表前进面。Ｒ代表回撤面 Ｆｉｇ．４ Ｍａｃｒｏｇ瑚ｐｈ^{ｏｆＦｓｗ}ＡＡ２０２４ ｓｂｏｗｉｎｇｔｙｐｉｃａｌ ｗｅＭ

ｚｏ眦（Ｎｕｇｇｅｔ．ＨＡｚ，ＴＭＺ）．ｗｅｌｄｉｎｇｄｉｒｅｃｔｉｏｎｉｓｉｎｔｏ ｔｈｅｐａ窖ｅ绷ｄ胡ｖ踽ｄＩ堰“ｎｄｒｅ眦ａｔｌｎｇ^ｓｉｄ鹤

盯ｅｌａｂｅｋｄＡ蛐ｄＲ．ｎ印ｅｃｌｊｖｅｌｙ

５搅拌摩擦焊力学性能研究进展

关十隅ｗ焊接接头力学性能的问题，一直足研 究热点。包括接头强度、塑性、抗腐蚀性、动态应力 下的疲劳强度及协调最优问题。Ｐａｏ ^Ｐ ｓ等人研究 了隅ｗ接头腐蚀一疲劳裂纹生长情况。不同腐蚀 介质，接头的抗腐蚀性不同。得出的主要结论有：

（１）由于高的裂纹闭合水平（Ｈｉ小ｃｒａｃｋ ｒｌｏｓｕｒｅ ｌｅｖ—

ｅｌｓ）。Ｆｓｗ ＨＡｚ的疲劳裂纹生长速率非常低，而△＾

（应力强度因子）比母材的要高出许多；（２）在空气 中，Ｆｓｗ熔核的疲劳裂纹生长速率比母材的稍微的 高些；（３）在高△＆和中间△女区域，Ｆｓｗ熔核及 ＨＡｚ区域的疲劳裂纹生长速率是３ ５％Ｎａｃｌ溶液 的两倍高；（４）由于Ｆｓｗ过程使晶界变得敏感，当 在３．５％Ｎａｃｌ溶液中时，ＦＳｗ焊缝有晶间裂纹”“。

ｃｏｒｒａｌ Ｊ等人研究了２０２４和２１９５（Ａ１一“合金）的

Ｆｓｗ接头的腐蚀性能，试验结果证明接头与母材具 有相同的腐蚀行为”Ｊ。Ｍｉｄｌｉｎｇ Ｐ Ｊ等人研究了 ６０００铝合金的疲劳性能，井用ＭＩＧ焊接同样的材

料，进行对比试验…Ｊ。

Ｃｅｄ。ｒｑｖｉｓ【Ｌ和Ｒ。ｙｎｏｌｄｓ ^Ａ Ｐ提出ＥＴｓ（Ｅｆｆｅｃ－

ｔｉｖｃ ｓｈｅｅｔ ｌｈｉｃｋｎｅｓｓ，有效板厚）概念。母材界面上、

下移动的形状和大小是・个非常重要的参数，故采 用有效板厚这个概念来衡量。采用…系列不同的参 数、单道焊或双道焊，研究接头的力学性能，通过光 学观察的方法，了解塑性流体流动的情况。前进面 既有向上又有向下运动，突然变化（垂直）：而回撤 面只有向上运动，成曲线分布。试验证明，两道焊并 不影响接头的强度，但ＥＴｓ和界面形状是影响抗剪 强度的重要参数”。

ｃｈａｏ Ｊ等人研究了Ｆｓｗ焊接接头在动态加载 情况下的力学性能。论文所得结论有两个方面的应 用价值：（１）辅助过程建模，例如，ｒ解塑性流体行 为方面。南卡罗莱纳最近的研究表明靠近搅拌头附 近的应变速率可以达到１ ０００／ｓ。论文为这种建模 提供技术信息。众所周知，材料应变速率易发生在 较高温度的焊接过程。所以，ｃｈａｏ Ｊ等人下一步的 工作是研究材料应变速率，与文献［２５］相似，ＦＳｗ 过程模拟在高的温度下进行。（２）认识结构性能．

如承载能力，断裂及接头的町靠性。焊接构件容易 在动态加载下失效，故焊接接头的高应变速率行为，

对建模和了解焊接构件的动态响应具有重要意 义‘…。

蚪 焊接学报 第２４卷

ｗⅢｉａｍ Ｄ．Ｌｏｃｋｗｏｏ（１指出尽管Ｆｓｗ已经成功 焊接Ｊ’许多合金，但是对硬铝合金焊接的应力情况 还有待进．步的研究。如果结合试验与模拟，则ｎｒ 以大大促进这・方面的发展。局部机理的了解，对 建一『．Ｆｓｗ接头在不同加载情况下的』豆应模型起关 键作用．模型ｎＪ以详细的检测局部应力状态，不『司 焊缝尺寸的影响、性能等。ｗｊ】】ｊａｍ Ｄ．Ｌｏｃｋｗ—ｄ成 功地建模，但足还没有找到模型预测和实际材料之 间对应关系，如果较好地结合两者，可以很好地了 解焊接接头缺陷及焊接构什的建模”７。

Ｍａｈｏｎｒｖ通过拉伸试验、断口分析及微观组织 分析７０７５一ｒ【ｂ５１｝、ｓｗ焊接接头的性能，纵向和横向 拉伸表明，接头最脆弱的区域是离焊缝７～８ ^ｍｎｔ的 ＨＡｚ．屈服强度降低４５％，抗拉强度降低２５％。焊 缝区的塑性和强度都会降低，焊后热处理对铝合金 不通用，虽然可能提高强度，但会大大降低塑性，这 种或象与微观组织结构变化有关。细小硬相灾杂物 的减少和焊缝区的位错均可以导致低的接头强 度；２…。．Ｋｒｉｓｈｎａｎ ^ＫＮ分析了焊后热处理对接头性 能的影响，殷硅微组织变化发硬度、强度和塑性的协 调ｎⅡ题２…、

６搅拌摩擦焊工具研究进展

搅拌头足Ｆｓｗ过程的关键技术，Ｇｌｅｎ¨ｃａ１１ｌｐ—

ｈｅｌｌ等人在文献！１］中指出采用热模型来预测搅拌 头儿何Ｒ＿Ｊ及上艺参数。模型输出数据用来进一步 优化参数以得到理想的焊接接头。一股用工具用钢 制戚，需要耐磨损和高的熔点”。ＴＷＩ提出两种焊 接ｊ二具模型；ｗｈｏｒｌ和１Ｈ—ｎｕｔｅ”ｏ。图５所示为一 种焊接Ｔ具外貌图。焊接工具有各种各样的没计，

但是妥设汁合理，搅拌头的设计是Ｆｓｗ的核心技

图５焊接工具宏观照片 Ｆｉｇ．５

Ｍ粒ｍ鲫ｐｈ

０ｆａ骶Ⅻｎｇ如ｏｌ

术，搅拌头的形状决定加热、塑性流体及塑性流体的 形成形态：搅拌头的尺寸决定焊缝尺寸、焊接速度及 工具强度；搅拌头的材料决定摩擦加热速率、工具强 度及工作温度，并决定什么样的材料可以采川Ｆｓｗ 焊接。主要是解决焊接工具的耐磨性和提高焊接Ｔ

具的熔点。

搅拌摩擦焊接已引起各国公司的注意，ＦｓＬ

（ＦｒⅫｏＩｌ

^ｓＩｉｒ ｌｉｎｋ）公司致力于Ｆｓｗ在航卒和造船 业方面的应用，与ＡＢＢ ^{Ｆｌｅｘｉｂｌｅ} Ａｕｔｏｎ】ａＩｉｏｎ公司进 行合作，将ＡＢＢ机器人应用于Ｆｓｗ过程之中，开发 一种机器人Ｆｓｗ系统”２。ＥｓＡＢ公司向Ｔ０ｗｅｒ ^Ａｕ。

ｆ一０ｉｉｖｅ公司提供一个双搅拌头的Ｆｓｗ焊接设备，

沿垂直方向，一个搅拌头在Ｊ：＋一个搅拌头在Ｆ”“。

ＪｅｆＴ Ｄｉｎｇ和Ｐｅ【ｅｒ０ｅｌｇｏｅＩｚ共同开发一种可回撒型搅 拌头，在焊接３６０。焊缝时重复经过起焊点，可以克 服搅拌摩擦焊接的“匙孔”Ｈｊ。英国、丹麦、法国、

德周、波兰、瑞典等共同开发不受目前设备限制的柔 性焊接设备。”。Ｅｃｌｉｐｓｅ公刊开发焊接Ｅｃｌｉｐｓｅ５００ 喷射Ｅ行器的自动Ｆｓｗ系统，白行设计发动机及控 制装置”６。国内做搅拌摩擦焊接设备主要由北京 航空工艺制造研究所（北京赛福斯特技术有限公

司）开发研制。

７

复合焊接工艺研究进展

Ｆｓｗ主要足靠搅拌头和Ｔ件的摩擦牛热．同时 搅拌完成工件的连接，需要相对较大的压紧力和移 动焊接工具向前运动的力，所以设备一般很笨重和 复杂。为克服Ｆｓｗ的不足，Ｋｏｋ ｃ等人提出激光 一搅拌摩擦焊复合工艺】．ＡＦｓｗｆＬ∞ｅｒＡｓ函ｓｔｅｄ蹦ｃ—

ｎｏｎ ｓｌｉｒ ｗｅｌｄｉ－１９）。ＬＡＦｓｗ过程图见图６。采用激 光加热的方法，搅拌头的作用仅仅是搅拌完成连接，

需要较小的力即可以，而且可以大大改善搅拌头 的损耗，提高焊接速度。激光搅拌摩擦焊复合工艺

图６激光辅助搅拌摩擦焊工艺示意图 Ｆ．喀．６ Ｐ血ｄｐＪｅ^ｏｆｌ姻ｅｒ－ａｓ凼ｋｄ埘ｃ抽ｎ

ｓｃＩｒ例《曲喀（ＬＡｆｓｗＪ

第３期 张 华，等：搅拌摩擦焊研究进展及前景展望 ^９５

仅处于起始研究阶段，激光和Ｆｓｗ工艺参数的结 合．对力。＃性能的影响及复台工艺的生产率都需要 进一步的优化处理。由于激光可以对非导电材料，

如塑料和陶瓷进行加热，日ｒ以利用ＬＡＦｓｗ焊接此 类材料”１。，

８

结

束 语

Ｆｓｗ焊接工艺可以取代电阻点焊和铆焊广泛 应用于航奈航天、造船、汽车、铁路等工业领域。

Ｆｓｗ【岂能较好的保持微细晶粒合金的强度和塑 性，并能保证焊缝区的微细晶粒组织。可以应用于 超塑性成刑（ｓ“ｐｅｒ—ｐｌａｓｔ记Ｆｏｎ¨ｉ“ｇ）领域。如果能 较女ｒ的结合激光焊接（Ｌａｓｅｒ ｗｅｌｄｉｎｇ），可以大大降 低Ｆｓｗ对设备的要求。随着焊接工具的发展，可应 用Ｆｓｗ焊接的材料会更加广泛，可以优化接头性 能，降低，ｐ产成本，而且可以很容易实现自动化生 产。Ｆｓｗ焊接对连接技术的发展产生巨大的冲击 和推动．

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［上接第６７页】

增加而下降，这是由于随焊镀速度的增加，在其它参 数不变的情况下，电位时间内因形成焊镀层而消耗 的液态镀覆材料体积增加，而由固态转变为液态的 镀覆材料体积不变所致。当焊镀速度超过一定值后

（＞２．０ｍｎ∥ｓ），由于单位时间内由固态转变为液态

的镀覆材料不能满足形成均匀连续焊镀层的需求，

影响ｒ摩擦焊镀过程的顺利进行。

综上所述，规范参数不仅影响摩擦焊镀过程的 顺利进行，而且还会影响焊镀层尺寸，因此，在实际 生产中廊根据具体情况确定合适的参数范围。

２．３金相组织观察结果分析讨论

由圈２川以看出摩擦焊镀层金相组织为铸态组 织，这是由于摩擦焊镀过程中，液态层镀覆到基体表 面冷点｛Ｉ凝固之前存在时间较长，因而形成了类似于 钎焊条件下的铸态组织。

由图３可以看出．在焊镀层与基体的结台而处，

有一些”指”状组织。为了进一步弄清其形态，叉对 该Ⅸ进行了局部放大，得到罔４所示结果。这凿组 织分布在界面上，由基体向焊镀层内生长，是由于焊 镀过程中焊镀层与基体之间相互扩散及其冶金反应 而形成的新相。另外，从摩擦焊镀层硬度分布曲线

（图５）巾可以看出．在界面上出现了硬度峰值，从而 进一步说明焊镀层与基体问达到了冶金结合。

２．４硬度检测分析

从罔５可以看出，焊镀层一侧的硬度明显高ｊ：

基体・侧硬度，说明该种新型焊丝具有较高的强度。

因此，利用该技术对大型铸铝模具表面缺陷进行修 补．不但可以实现形状修复，而且可以改善模具表面 性能，提高模具使用寿命，具有广阔的应用前景。另 外．在焊镀层与基体界面处，出现硬度峰值，是巾于 焊镀过程中焊镀材料与基体材料之间，通过相互作 用在该处形成ｒ新相所造成的（通过对界丽处ｘ射

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Ｆ且ｂｎｃｍｉｏｎ、２００１、７４（２）：】Ｉ～】２

作者简介：张华，女，１９７７年２月出生．博士研究ｑ．，主要从

事搅拌摩擦焊】‘艺及其机邢方向的研究。

Ｅｍａｉｌ：ｈｕａｚｈ＠机一…ｎ

线衍射分析发现：在该区确有新相形成，但由于受分 析方法和手段的限制，无法确定新相的具体结构形 式，还有待于进一步研究确定）。而在界面两侧，焊 镀层一侧硬度有所下降，基体一侧硬度有所上升，是 由于焊镀过程中，界面附近基体材料与焊镀材料之 间相互扩散造成界面两侧成分变化引起的。

３

结 论

（１）当材料・定时，规范参数存在合适的范围

（当ｐ＝２．４ＭＰａ，＂＝ｌ

ｍ彬ｓ时ｎ＝３

５００～５ ５００ｆ／

ｍｉｎ；当ｎ＝５（）（）ｏｒ／ｍｉｎ，口＝ｌ ｍｆｎ／ｓ时，ｐ＝２．Ｏ～３ ^Ｏ Ｍ＾；当ｐ＝２．４ ＭＰａ，ｎ＝５ ０００ ｒ／ｍｉｎ时，Ｆ＝０一１．８ ｍｎ∥ｓ），只有合理匹配才能获得均匀连续的焊镀层。

（２）规范参数不仅影响焊镀过程，而且影响焊 镀层厚度；试验结果表明当规范参数在一定范围内 变化时，熔覆层厚度可在小于１．１ ｍｍ范围内变化。

在实际应用中，根据具体情况选择相应的规范参数 范围。

（３）摩擦焊镀层与基体之间为冶金结合。

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作者简介：赵洪匿，男，１９６６年３月２７同ｍ牛，副教授。主要从

事金属材料发热加工工艺方面研究，已发表学术｝仑文ＩＯ余篇。

Ｅｍａｎ：ｂ啦∞＠ｍ砒．ｃｈｉＭ∞ｍ

搅拌摩擦焊研究进展及前景展望

作者： 张华， 林三宝， 吴林， 冯吉才， 栾国红

作者单位： 张华,林三宝,吴林,冯吉才(哈尔滨工业大学,现代焊接生产技术国家重点实验室,哈尔滨 ,150001)， 栾国红(北京赛福斯特技术有限公司,北京,100024)

刊名： 焊接学报

英文刊名： TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION 年，卷(期)： 2003,24(3)

被引用次数： 42次

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