發展中的攪拌摩擦焊

2020-12-05 海豐阿東

發展中的攪拌摩擦焊

上海 東建中

摘要：攪拌摩擦焊類似傳統的摩擦焊，它利用一種端部帶指狀攪拌頭的鋼質迴轉工具，旋轉著壓入被焊工件，隨著攪拌頭與被焊工件的摩擦，使摩擦區域的溫度升高，並熱塑化。當工具沿著焊接的部位進給時，熱塑化區由前向後過渡，冷卻聯接形成緻密的固相連接。此種焊接方法，對環境的影響小；聯結部分的材料特性與原來的材料幾乎一樣；即使焊接長度較長，變形也很小；還可焊那些不適合用傳統方法焊接的金屬，如7000系列鋁合金。它已成功應用在宇航工業中。

1 攪拌摩擦焊簡介

摩擦焊是在壓力作用下，通過待焊界面的摩擦使界面及其附近區域的溫度升高，材料的變形抗力降低，塑性提高，界面的氧化膜破碎，伴隨著材料產生塑性變形與流動，通過界面上的擴散及再結晶等冶金反應而實現連結的固態焊接方法。[he2]攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding）是摩擦焊中的一個分枝，[1]是由英國焊接研究所（TWI）於1991年發明並獲得了專利，它在施焊時，焊件不運動，而由攪拌頭來完成。攪拌頭由夾持器夾住，連在鋼質圓柱體上。工作時，圓柱體作直線及旋轉運動，在圓柱體的帶動下，攪拌頭高速旋轉，指狀攪拌頭迅速鑽入需要焊接的工件的接縫處，在與高速旋轉的攪拌頭的摩擦下，工件被焊處的金屬的溫度很快升高，形成了薄薄的一層熱塑性層。隨著圓柱體的向前運動，在攪拌頭的作用下，接縫處的部分金屬被擠出，在夾持器的幫助下，被很好的填塞在焊縫中，就這樣，在攪拌頭前進方向上形成的塑性金屬被不斷轉移到攪拌頭的後面，焊縫區金屬經過摩擦生熱、被擠壓、塑性變形、移動、冶金擴散及再結晶，形成完整的焊縫。攪拌摩擦焊可以取代傳統的氬弧焊，它不僅能完成材料的對接、搭接、鉸接、丁字等多種接頭方式，而且能用於高強度鋁合金、鋁鋰合金的焊接，大大提高了焊接接頭的力學性能，並且排除了熔焊缺陷產生的可能性。

2攪拌摩擦焊焊縫性能[2]

材料屈服強度MPa拉伸強度MPa延伸率%焊接因數（註：）

6802-T4母材14926022.9/

6802-T4攪拌摩擦焊13824418.80.93

6802-T4攪拌摩擦焊+人工時效2853109.91.19

6802-T6母材28630110.4/

6802-T6攪拌摩擦焊1602544.850.83

6802-T6攪拌摩擦焊+人工時效2743006.41.00

註：焊接因數=UTSfsw/UTS母材，UTS表示，意為絕對拉伸強度。[he3]

從上表可以看出，採用攪拌摩擦焊後，試樣的力學性能比母材要差點，但經過人工時效處理後，其性能要比母材好。

3攪拌摩擦焊的優點和缺點

攪拌摩擦焊有以下一些優點：

首先，焊接時溫度低，工件的變形小（即使是長焊縫也是如此）；所以工件接頭的機械性能好（包括疲勞、拉伸、彎曲），不產生類似熔焊接頭的鑄造組織缺陷，並且其組織由於塑性流動而細化 與其它焊接方法相比，焊接變形小，調整、返修頻率低。特別適合於焊接那些採用傳統的熔焊工藝無法焊接的高強度鋁合金等有色金屬工件。

其次，焊接前及焊接後的處理簡單，焊接前不需要開V型或U型坡口，焊接過程中的摩擦和攪拌可以有效去除被焊工件表面的氧化膜及附著雜質。焊接接頭性能優良，焊縫中無裂紋、氣孔及縮孔等缺陷。而且焊接過程中不需要焊條及焊料，也不需要惰性氣體保護，能夠進行全位置的焊接，適應性好，效率高，操作簡單。焊接過程中無煙塵、輻射、飛濺、噪音及弧光等有害物質產生，是一種環保型的焊接工藝方法。

第三，攪拌摩擦焊適合於自動化和機器人操作，能大大降低操作工人的勞動強度。

攪拌摩擦焊存在的缺點：

攪拌摩擦焊的設備價格較大，焊接的速度要比熔焊慢，焊接時必須夾緊工件，還需要墊板。焊後攪拌頭停留的位置，在焊縫上造成鎖眼，形成多餘的材料，所以使用這一工藝的工件，比實際需要的尺寸大些。目前由於受攪拌頭指狀棒材的材料所限，攪拌摩擦焊僅用於鋁合金產品的連接。

4攪拌摩擦焊的應用

攪拌摩擦焊是一種固態的連接方法，從連接原理上講，對於要連接的金屬材料，只要這種材料有能夠在鍛壓狀態下可以有效工作的攪拌頭材料，就能夠採用攪拌摩擦焊的方法進行連接。在以往的應用中，最成功的當屬在鋁合金上的應用，對於銅合金、鎂合金、鋅合金、鉛合金上的應用的研究，也已取得了很大的進展。

在航空航天領域的主要應用有：運載火箭的推進劑貯存器、航空器的油箱、太空飛行器中的低溫燃料箱以及鋁合金薄壁壓力容器；軍用飛機或民用飛機的蒙皮、飛機機翼壁板、軍用飛機的副油箱，軍用的或科技的探測火箭、航空發動機等等。

在船舶製造與海洋工業中的主要應用有：船舶的甲板、壁板、隔板等板材的拼焊、鋁擠壓件的焊接、船體和加強件的焊接、直升機降落平臺的焊接等。

在交通運輸領域的主要應用有：運輸車輛的發動機與底盤的託架、汽車的輕型構架、貨車本體、油罐、吊車、燃料箱、大篷車、摩託車與自行車框架、起重箱及鎂及鋁鎂合金接頭等。

在民用及工業建築領域的主要應用有：各種空間構件、鋁、銅、鈦等製作的面板、門窗框架、發電廠和化工廠的反應器、鋁管道、熱交換器和空調器等。

在鐵路上的主要應用有：高速火車中的鋁製件，貨車、貨櫃本體等。

隨著研究的深入和該技術的發展，其應用的範圍會越來越廣。

參考文獻：

[1]中國機械工程學會焊接學會編，焊接手冊（第2版）第1卷 焊接方法及設備，機械工業出版社，2001.8

[2]Backlund J,Norlin A,Andersson A.Friction stir welding-weld properties and manufacturing techniques. 7 th Inalco Conference,Cambridge,1998

[he2]張田倉，郭德倫等，攪拌摩擦焊技術研究。第九次全國焊接會議論文集。第1冊。黑龍江：黑龍江人民出版社，1999

[he3]Backlund J,Norlin A,And

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