基本原理与特点：深入解析7.6.1

2023-07-02 理论教育版权反馈

【摘要】：搅拌摩擦焊对焊接接头形状及接头装配间隙均有较大的工艺裕度。而搅拌摩擦焊由于不存在熔化，接头组织和性能对氧化膜、杂质不敏感，因此，焊前只需简单进行表面清理即可。2）原则上搅拌摩擦焊可进行多种位置焊接，如平焊、立焊、仰焊和俯焊；可完成多种形式的焊接接头，

1.搅拌摩擦焊的基本原理

搅拌摩擦焊是英国焊接研究所于1991年发明的。该技术具有接头质量高、焊接变形小和焊接过程无污染等优点，特别适用于铝、镁等有色金属及其合金的焊接，在航空和航天、高速列车、舰船等制造领域具有广阔的应用前景。与传统的摩擦焊一样，搅拌摩擦焊也是—种固相连接技术，但这种方法打破了原来摩擦焊只限于圆形截面材料焊接的概念，是最具发展潜力的先进焊接方法之一。

图7-116为搅拌摩擦焊的焊接过程示意图，焊接主要由非损耗的特殊形状搅拌头完成，搅拌头由搅拌针、轴肩和夹持机构组成。焊接开始时，搅拌头高速旋转，搅拌针迅速插入被焊板材的接缝、搅拌工具的轴肩、搅拌针与接触母材金属摩擦生热，形成很薄的热塑性层。当搅拌针在工件内移动时，由于正面轴肩和背面垫板的密封作用，被加热的塑性金属转移到搅拌针的后方，填满后面的空腔形成焊缝。焊接过程中，搅拌头对焊接区域的材料具有向下挤压和侧向挤压的倾向，所以被焊工件要夹装背垫和夹紧固定，以便承受搅拌头施加的轴向力、纵向力（沿着焊接方向）以及侧向力。

搅拌摩擦焊接头的微观组织可分为四个区域：焊核区或搅拌区、热机影响区、热影响区及母材，如图7-117所示。焊核区温度最高，存在剧烈的塑性变形和流动，会发生再结晶，常为细小的等轴晶，焊核区晶粒尺寸受到焊接参数、搅拌头尺寸和特征、强制冷却或加热，以及被焊材料合金构成等的影响。在焊核区两侧（前进侧和后退侧）各有一个热机影响区，晶粒受热机械作用沿一定方向拉长变形，但此区域的温度和变形又不足以使材料产生充分再结晶。铝合金接头的热机影响区十分明显，但在一些高强高温金属接头中热机影响区不太明显或该区范围较小。热影响区只受到焊接热的影响，没有受到搅拌头机械搅拌作用，没有明显的塑性变形。与母材相比，其晶粒形状和尺寸没有明显变化，但由于焊接热影响使力学性能发生改变，对于高强铝合金等材料来说，热影响区往往是接头强度的薄弱环节。母材的微观组织及性能在焊接过程中不发生变化。

图7-116 搅拌摩擦焊原理示意图

图7-117 搅拌摩擦焊接头组织分区

A—母材 B—热影响区 C—热机影响区 D—焊核区

搅拌摩擦焊单面焊可以实现厚度1.2～50mm铝合金的焊接。对于厚度为12.5mm的6000系列铝合金的搅拌摩擦焊可单道焊双面成形，总功率输入约为3kW。随着对搅拌摩擦焊接研究的深入，目前已经可以实现75mm厚度铝合金单面焊一次焊接成功；若采用双面焊的方法，可以焊接厚度为100mm的6082铝合金。对于铝合金对接接头，最适合搅拌摩擦焊的材料厚度为1.6～20mm。搭接焊需要特殊的搅拌头，并配合一定的焊接夹具。

理论上，只要搅拌头在被焊材料的塑性温度下有足够的热强度和耐磨性，搅拌摩擦焊就可以实现多种材料和合金的焊接。目前应用搅拌摩擦焊接技术成功连接的材料除了铝合金，还主要包括镁合金、铅、锌、铜、钛、不锈钢、低碳钢、耐热钢和复合材料等同种或异种材料。对于铝合金等轻合金材料，在焊接过程中搅拌头的磨损程度很小。由于新材料搅拌头的出现，使得钢铁材料的搅拌摩擦焊也逐渐成为可能。对于高熔点合金的搅拌摩擦焊，需要采用特殊材料的搅拌头，并需要焊接辅助装置，其中包括热源辅助装置和冷却装置等。

2.搅拌摩擦焊的特点

搅拌摩擦焊的主要优点如下：

1）搅拌摩擦焊属于固相连接，避免了熔化焊接带来的缺陷，如裂纹、气孔和元素烧损等，避免了焊缝柱状晶的产生，使焊缝晶粒细化，因此焊接接头力学性能优异。适用于对热输入敏感以及异种材料的焊接，例如硬铝及超硬铝等材料由于热敏感性强，很难用熔焊的方法进行焊接，采用搅拌摩擦焊可提高热处理强化铝合金的接头强度。

2）由于搅拌摩擦焊时的温度相对较低，因此较之熔化焊焊后结构的残余应力也小很多，接头变形很小，可实现精密零部件的焊接。特别是铝合金薄板熔化焊接时，结构的平面外变形一般非常明显，无论是采用无变形焊接技术还是焊后冷、热校形技术都很麻烦，而且增加了结构的制造成本。搅拌摩擦焊的焊接热输入少、变形小、应力低，无需焊后校形工序。

3）焊接成本低，焊接过程中唯一消耗的是搅拌头，不需要其他焊接消耗材料，如焊条、焊丝、焊剂及保护气体等。通常在铝合金焊接时，一个工具钢搅拌头可焊到800m长的铝合金焊缝。

4）搅拌摩擦焊效率高，对于4～12mm厚的铝合金，焊接速度可达300～1000mm/min，基本与MIG熔焊的焊接速度相当。特别是对于厚板来说，搅拌摩擦焊可以一次焊接成形，而传统的熔化焊需要多层、多道焊接。

5）可以进行零间隙对接。搅拌摩擦焊对焊接接头形状及接头装配间隙均有较大的工艺裕度。接头间隙在0.5mm以下，搅拌头的中心位置大致允许偏差2.0mm。搅拌头的肩部直径越大，允许接头间隙越大。例如，在接头间隙为厚度10%的条件下，也能得到优良的焊接焊头。

6）焊前工件无需严格的表面清理准备要求。铝合金采用熔化焊时，一定要注意焊前工件的清理，采用打磨、碱洗、酸洗等方法去除油污、氧化膜等容易吸附氢的杂质。而搅拌摩擦焊由于不存在熔化，接头组织和性能对氧化膜、杂质不敏感，因此，焊前只需简单进行表面清理即可。

7）焊接前及焊接过程中对环境的污染小，焊接过程中无烟尘和飞溅，噪声低。由于搅拌摩擦焊仅靠搅拌头旋转并移动，逐步实现整条焊缝的焊接，所以比熔化焊更节省能源，是一种绿色环保的焊接方法。

8）搅拌摩擦焊除了具有普通摩擦焊技术的优点外，还可以进行多种接头形式和不同焊接位置的连接。搅拌摩擦焊易于实现机械化、自动化和机器人焊接，可实现焊接过程的精确控制，以及焊接参数的数字化输入、控制和记录。

该技术存在的不足之处主要有：

1）目前搅拌摩擦焊主要用在熔化温度较低的有色金属，这和搅拌头的材料选择及搅拌头的工作寿命有关。当然，这也和有色金属熔化焊接相对困难有关，迫使人们在有色金属焊接时寻找非熔化的焊接方法。对于延性好、容易发生塑性变形的黑色金属材料，经辅助加热或利用其超塑性，也有可能实现搅拌摩擦焊，但这就要看熔化焊和搅拌摩擦焊哪个技术经济指标更合理。

2）原则上搅拌摩擦焊可进行多种位置焊接，如平焊、立焊、仰焊和俯焊；可完成多种形式的焊接接头，如对接、角接和搭接接头，甚至厚度变化的结构和多层材料的连接。但目前仅限于结构简单的构件，如平直的结构或圆筒形结构的焊接。由于焊接方法特点的限制，主要适用于大型结构零部件的焊接，难以实现小型精密零件和复杂焊缝的焊接。

3）设备刚性和精度要求较高，设备一次性投资较大。

4）被焊工件对接接头的装配精度比电弧焊要求更加严格。焊件通常需要被牢固夹紧，焊缝背面需要加垫板进行刚性支撑，工艺柔性较差。

基本原理与特点：深入解析7.6.1

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