「連接技術」FSW攪拌摩擦焊

2021-01-17 好焊配好車

攪拌摩擦焊為一種固相連接方法，與弧焊、雷射焊、釺焊等傳統焊接方法相比，FSW具有高效低耗、焊接溫度低、接頭殘餘應力小、焊接工件變形小、環境友好等特點，特別是在大規格薄板焊接中是其他焊接方法無法相比的。目前，鋁合金電池託盤的大面板幾乎是採用此種方法進行連接，那麼FSW是一種怎樣的工藝呢？

實物展示

攪拌頭（用於鈦合金）

連接斷面

操作示意

摩擦焊簡介

摩擦焊，是指利用工件接觸面摩擦產生的熱量為熱源，使工件在壓力作用下產生塑性變形而進行焊接的方法。可以將摩擦焊簡單分為迴轉摩擦壓接、線性摩擦焊LSW和由工具發熱的攪拌摩擦焊FSW，以及由攪拌摩擦焊發展衍生的攪拌摩擦點焊FSSW。摩擦焊的常見分類如圖7所示。

攪拌摩擦焊簡介

攪拌摩擦焊（FrictionStir Welding, FSW）是由英國焊接研究所（The Welding Institute,TWI）於1991年提出的一種新型固相連接技術。攪拌摩擦焊的原理為把一個高速旋轉的攪拌工具插入待焊金屬之間，並使攪拌工具以一定速度向前運動（通常，攪拌頭相對於焊縫垂線偏向迴轉側3°～5°），通過軸肩及攪拌針的旋轉使被焊金屬加熱到塑性狀態（焊接時溫度低於熔點，約為熔點的80%），而攪拌工具向前移動，擠壓、攪拌塑性材料，使塑性材料形成一個穩定的流場，在攪拌頭移過的部位，隨著攪拌工具的移動，溫度逐漸冷卻凝固形成焊縫。其工作原理如圖8所示。

各部位的說明如下：

攪拌頭（Pin tool）—攪拌摩擦焊的施焊工具；軸肩（Tool Shoulder）—攪拌頭與工件表面接觸的肩臺部分；攪拌針（Tool Pin）—攪拌頭插入工件的部分；前進側（Advanced Side）—焊接方向與攪拌頭軸肩旋轉方向一致的焊縫側面；迴轉側（RetreatingSide）—焊接方向與攪拌頭軸肩旋轉方向相反的焊縫側面；軸向壓力（Down or AxialForce）—向攪拌頭施加的使攪拌針插入工件和保持攪拌頭軸肩與工件表面接觸的壓力。

攪拌摩擦焊的工藝過程如圖9所示，可以分解為四個不同階段：旋轉、插入、焊接以及離開。

1.旋轉。攪拌頭旋轉啟動後，以一定速度插入待焊零件；

2.插入。停留一段時間，攪拌頭附近區域的接頭材料得到足夠的摩擦熱輸入，從而出現軟化變形，並有部分材料被擠到接頭外部；

3.焊接。此時可以進行焊接，焊接時熱塑化的接頭材料不斷被攪拌頭向後轉移，這部分材料在一定鍛壓力的作用下可以與周圍材料形成牢固的擴散連接；

4.離開。焊接完成後，攪拌頭以一定速度離開零件表面，焊接過程結束。

工藝優缺點

攪拌摩擦焊FSW工藝有以下優點：

焊縫質量好。焊縫是在塑性狀態下受擠壓完成的，屬於固相連接，因而其接頭不會產生與冶金凝固有關的一些如裂紋、夾雜、氣孔以及合金元素的燒損等熔焊缺陷和催化現象，焊縫性能接近母材，力學性能優異。不受軸類零件限制。可進行平板的對接和搭接，可焊接直焊縫、角焊縫及環焊縫。

無需高的操作技能和訓練。攪拌摩擦焊利用自動化的機械設備進行焊接，避免了對操作工人技術熟練程度的依賴，質量穩定，重複性高。不需焊絲和保護氣氛。焊接時無需填充材料、保護氣體，焊前無需對焊件表面預處理，焊接過程中無需施加保護措施，厚大焊件邊緣不用加工坡口，簡化了焊接工序。焊接鋁合金材料不用去氧化膜，只需去除油汙即可。焊件尺寸精度高。其加熱過程具有能量密度高、熱輸入速度快等特點，因而焊接變形小，焊後殘餘應力小。綠色焊接方法。焊接過程中不產生弧光輻射、煙塵和飛濺，噪聲低。

當然，FSW同樣也存在以下缺點：

剛性需求。焊接時的機械力較大，需要焊接設備具有很好的剛性。缺乏柔性。與弧焊相比，缺少焊接操作的柔性。焊接頭的磨損相對較高。部分工藝焊縫末端通常有「匙孔」存在。「匙孔」效果為圖11所示。

工藝因素

影響FSW焊接過程穩定性和焊接質量的因素，主要有攪拌頭的形狀、攪拌頭的位置、攪拌頭的轉速、焊接速度、接頭精度以及材料拘束等。具體影響因素內容如表1所示。

表1 攪拌摩擦焊的工藝因素

工藝因素

內容

攪拌頭的形狀

攪拌指棒的長度：約等於母材厚度；

攪拌指棒的形狀：要適合於不同的材料、板厚；

攪拌頭額角度：一定的前進角；

攪拌頭的位置

攪拌指棒插入的速度：約與板厚相等；

攪拌頭中心線的位置：正好處於接頭中心線；

攪拌頭肩部：接觸程度；

攪拌頭的轉速

根據被焊材料厚度，攪拌頭的形狀；

電動機的輸出功率，機械剛度，轉速一般為幾百-幾千轉/分；

焊接速度

根據確定的攪拌頭的轉速選擇；

焊接速度一般由幾cm/min和1-2m/min，約與電弧焊相等；

接頭精度

接頭間隙，推薦0mm間隙；

材料的擠壓加工精度、接頭的加工精度、是防止產生缺陷的重要因素；

材料拘束

為了保證接頭精度，設計專用的夾具是非常重要的；

註：接頭形式推薦使用圖10所示的各種接頭形狀。通常攪拌摩擦焊採用平板對接和搭接形式進行焊接。

應用與發展

應用（合金）範圍

目前，FSW已成熟應用於鋁合金、鎂合金、銅合金等輕合金，具體種類如圖12所示。

圖12 不同攪拌針形式的「匙孔」效果

用於機蓋和輪轂的製造

從開發之日起，FSW的應用便風生水起。在汽車製造業，挪威Hydro公司第一次將FSW應用於汽車輪轂製造。隨後，美國Tower汽車公司將其應用於汽車懸掛連接臂，取得了可觀的經濟效益。奔馳公司在SL級鋁製車身生產工藝中大量採用了FSW技術。從突破性的背襯和可伸縮式攪拌頭兩者在SL級車身中的應用不難看出，FSW技術已日趨成熟，相關設備、工藝和材料價格得以大幅度降低，達到了提高車身焊接質量，降低生產成本的目的。圖13所示為FSW應用於機蓋內板的連接。

圖13 FSW用於前艙蓋加強板的連接

北京賽福斯特技術有限公司作為中國地區（包括香港、澳門和臺灣）唯一得到英國焊接研究所授權的專業化攪拌摩擦焊設備製造企業，於2002 年將攪拌摩擦焊技術引入中國，並一直致力於攪拌摩擦焊技術在中國的研發、推廣和應用。2007年，北京賽福斯特技術有限公司為國內汽車製造企業研發了中國首臺用於鋁合金汽車輪轂焊接的筒體縱縫攪拌摩擦焊設備（設備型號：FSW -3TT-1008），該設備集成先進的位置反饋焊接系統，焊接過程高度自動化。賽福斯特設備焊接的鋁合金輪轂採用的是FSW技術，效果如圖14所示。

圖14 FSW在汽車輪轂上的應用

用於電池pack

由於新能源汽車的輕量化需求尤為突出，而電池包所佔的重量對於整車來說是個不小的比例，鋁合金電池託盤的使用正在興起，雖然此前已有鑄造的方案，但造價一直較高。鋁合金板材與型材配合製造的電池包PACK是一個輕量化的不錯案例，此類電池託盤的大面板類的連接可以通過攪拌摩擦焊FSW來實現。用FSW焊接的鋁合金託盤如圖15。

圖15 FSW用於鋁合金電池託盤的連接

根據部分供應商的信息，FSW可以用於電池託盤角部接頭的焊接，其效果如圖16所示，但未見其性能測試結果。

圖16 FSW用於電池託盤角部接頭

用於鋼鋁混合連接

隨著研究的深入，部分科研及供應商正在研究並開發可用於鋼鋁混合連接的FSW技術，鋼與鋁攪拌摩擦焊的試片外觀如圖17所示，其連接的強度和效果還未得到確認，不過這是一個好的開始。

圖17 FSW用於鋼鋁混合副車架的連接

由鋼與鋁混合製造，並採用FSW連接的汽車副車架如圖18和19所示。

圖18 FSW用於鋼鋁混合副車架的連接

圖19 FSW用於鋼鋁混合副車架的連接

總結

攪拌摩擦焊（FSW）技術是由英國焊接研究所（TWI）針對鋁合金、鎂合金等輕金屬開發的一種固相連接技術，因其焊接變形小，無裂紋、氣孔、夾渣等優點，被譽為「繼雷射焊後又一次革命性的焊接技術」。攪拌摩擦焊不需填充材料和保護氣體，能耗低，對環境無汙染，是一種綠色連接技術。

相比於熔焊，攪拌摩擦焊連接的抗拉強度有15%-20%的提升，塑性將提升近一倍且斷裂韌性將提高30%以上。另外，FSW的焊縫組織為鍛造的細晶組織，幾乎無缺陷。

可以預見，隨著人們對攪拌摩擦焊技術認識的提高，在不遠的將來，鋁合金材料的連接將主要由攪拌摩擦焊來完成，尤其在運載火箭、高速鋁合金列車、鋁合金高速快艇、全鋁合金汽車等項目中攪拌摩擦焊技術將會佔到主導地位。

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