原理

攪拌摩擦焊方法與常規(guī)摩擦焊一樣。攪拌摩擦焊也是利用摩擦熱與塑性變形熱作為焊接熱源。不同之處在于攪拌摩擦焊焊接過程是由一個(gè)圓柱體或其他形狀（如帶螺紋圓柱體）的攪拌針(welding pin)伸入工件的接縫處，通過焊頭的高速旋轉(zhuǎn)，使其與焊接工件材料摩擦，從而使連接部位的材料溫度升高軟化。同時(shí)對材料進(jìn)行攪拌摩擦來完成焊接的。在焊接過程中工件要?jiǎng)傂怨潭ㄔ诒硥|上，焊頭邊高速旋轉(zhuǎn)，邊沿工件的接縫與工件相對移動(dòng)。焊頭的突出段伸進(jìn)材料內(nèi)部進(jìn)行摩擦和攪拌，焊頭的肩部與工件表面摩擦生熱，并用于防止塑性狀態(tài)材料的溢出，同時(shí)可以起到清除表面氧化膜的作用。

FSW工作原理示意圖

攪拌摩擦焊的常用術(shù)語及定義

旋轉(zhuǎn)。攪拌頭旋轉(zhuǎn)啟動(dòng)后，以一定速度插入待焊零件；

插入。停留一段時(shí)間，攪拌頭附近區(qū)域的接頭材料得到足夠的摩擦熱輸入，從而出現(xiàn)軟化變形，并有部分材料被擠到接頭外部；

焊接。此時(shí)可以進(jìn)行焊接，焊接時(shí)熱塑化的接頭材料不斷被攪拌頭向后轉(zhuǎn)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(kuò)散連接；

離開。焊接完成后，攪拌頭以一定速度離開零件表面，焊接過程結(jié)束。

在焊接過程中，攪拌針在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)伸入工件的接縫中，旋轉(zhuǎn)攪拌頭（主要是軸肩）與工件之間的摩擦熱，使焊頭前面的材料發(fā)生強(qiáng)烈塑性變形，然后隨著焊頭的移動(dòng)，高度塑性變形的材料逐漸沉積在攪拌頭的背后，從而形成攪拌摩擦焊焊縫。

攪拌摩擦焊的工藝過程示意圖

攪拌摩擦焊對設(shè)備的要求并不高，最基本的要求是焊頭的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和工件的相對運(yùn)動(dòng)，即使一臺銑床也可簡單地達(dá)到小型平板對接焊的要求。但焊接設(shè)備及夾具的剛性是極端重要的。攪拌頭一般采用工具鋼制成，焊頭的長度一般比要求焊接的深度稍短。應(yīng)該指出，攪拌摩擦焊縫結(jié)束時(shí)在終端留下個(gè)匙孔。通常這個(gè)匙孔可以切除掉，也可以用其它焊接方法封焊住。針對匙孔問題，已有伸縮式攪拌頭研發(fā)成功，焊后不會留下焊接匙孔。

工藝因素

影響FSW焊接過程穩(wěn)定性和焊接質(zhì)量的因素，主要有攪拌頭的形狀、攪拌頭的位置、攪拌頭的轉(zhuǎn)速、焊接速度、接頭精度以及材料拘束等。

攪拌摩擦焊的特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)

焊縫質(zhì)量好。焊縫是在塑性狀態(tài)下受擠壓完成的，屬于固相連接，因而其接頭不會產(chǎn)生與冶金凝固有關(guān)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(xiàn)象，焊縫性能接近母材，力學(xué)性能優(yōu)異。

不受軸類零件限制。可進(jìn)行平板的對接和搭接，可焊接直焊縫、角焊縫及環(huán)焊縫。

無需高的操作技能和訓(xùn)練。攪拌摩擦焊利用自動(dòng)化的機(jī)械設(shè)備進(jìn)行焊接，避免了對操作工人技術(shù)熟練程度的依賴，質(zhì)量穩(wěn)定，重復(fù)性高。

不需焊絲和保護(hù)氣氛。焊接時(shí)無需填充材料、保護(hù)氣體，焊前無需對焊件表面預(yù)處理，焊接過程中無需施加保護(hù)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，只需去除油污即可。

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(diǎn)，因而焊接變形小，焊后殘余應(yīng)力小。

綠色焊接方法。焊接過程中不產(chǎn)生弧光輻射、煙塵和飛濺，噪聲低。

不同F(xiàn)SW搭接形式

缺點(diǎn)

剛性需求。焊接時(shí)的機(jī)械力較大，需要焊接設(shè)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。

焊接工件必須剛性固定，反面應(yīng)有底板；焊接結(jié)束攪拌探頭提出工件時(shí)，焊縫端頭形成一個(gè)鍵孔，并且難以對焊縫進(jìn)行修補(bǔ):工具設(shè)計(jì)、過程參數(shù)和機(jī)械性能數(shù)據(jù)只在有限的合金范圍內(nèi)可得:在某種情況下，如特殊領(lǐng)域中要考慮腐蝕性能、殘余應(yīng)力和變形時(shí)，性能需進(jìn)一步提高才可實(shí)際應(yīng)用。對板材進(jìn)行單道連接時(shí)，焊速不是很高；攪拌頭的磨損消耗太快等。

攪拌頭

攪拌摩擦焊的實(shí)質(zhì)是攪拌頭與被焊材料之間發(fā)生熱-機(jī)械作用并形成接頭，在此過程中攪拌頭直接承受焊接過程的熱載、力載及摩擦磨損，因而要求它在焊接條件下具有高于被焊材料的熔點(diǎn)、強(qiáng)度、硬度和韌性，應(yīng)由具有良好耐高溫靜態(tài)和動(dòng)態(tài)力學(xué)性能以及其他物理特性的耐磨損材料制成。

在焊接鋁、鎂、鉛等低熔點(diǎn)材料時(shí)，攪拌頭采用工具鋼即可。對于鋼、銅、鈦等高熔點(diǎn)材料來講，焊接時(shí)最高溫度在1 000 ℃以上，能滿足使用要求的攪拌頭材料往往是難熔金屬合金或者結(jié)構(gòu)陶瓷。

攪拌摩擦焊攪拌頭

Co-Al-W 合金攪拌頭材料的微觀組織

不同攪拌頭材料的性能

軸肩

軸肩在攪拌摩擦焊過程中主要起兩種作用：（1）通過與工件表面間的摩擦，提供焊接熱源；（2）提供一個(gè)封閉的焊接環(huán)境，以阻止高塑性軟化材料從軸肩溢出。

常見的軸肩形貌，都是在攪拌針和軸肩的交界處中間凹入。在焊接過程中，這種設(shè)計(jì)形式可保證軸肩端部下方的軟化材料受到向內(nèi)方向的力的作用，從而有利于將軸肩端部下方形成的軟化材料收集到軸肩端面的中心以填充攪拌針后方所形成的空腔，同時(shí)，可減少焊接過程中攪拌頭內(nèi)部的應(yīng)力集中而保護(hù)攪拌針。對于特定的焊接材料，為了獲得最佳的焊接效果，必須設(shè)計(jì)出與之相適應(yīng)的特殊的軸肩幾何形貌。

不同幾何形貌的軸肩

攪拌針

攪拌針在摩擦焊過程中不僅提供熱輸入，而且起到機(jī)械攪拌作用，因而攪拌針的形貌和幾何尺寸影響著塑性軟化材料的流動(dòng)形式和被切削材料的體積，進(jìn)而影響接頭的力學(xué)性能。

攪拌針幾何形狀

攪拌摩擦焊在金屬材料中的應(yīng)用

鋼鐵材料

有關(guān)鋼鐵FSW 的研究多集中于高氮鋼、高強(qiáng)鋼、雙相不銹鋼、氧化物彌散強(qiáng)化(Oxide dispersion strengthened, ODS)鋼、高碳鋼、高合金鋼以及異質(zhì)鋼鐵材料焊接等。

FSW在同質(zhì)鋼鐵材料焊接中的應(yīng)用

高氮鋼FSW 接頭組織特征

 304L不銹鋼攪拌摩擦焊過程中晶粒尺寸變化情況

(a) base metal, (b) CPZ, (c) MFZ at leading side, (d) MFZ at retreating side, (e) MFZ at trailing side, (f)forge and torsion zone, (g) annealing zone and (h) schematic of material flow

鋁及鋁合金

鎂及鎂合金

同種鎂合金攪拌摩擦焊研究的較多的是 AZ31 和AZ91 鎂合金，此外對 MB3、AM60、AZ61、AE42、Mg-Al-Ca、ZK60-Y、ZK60-Gd等鎂合金的攪拌摩擦焊也有少量研究。

鈦及鈦合金

金屬基復(fù)合材料

鋁/鋼異質(zhì)金屬

鋁/鋼的物理參數(shù)、晶格參數(shù)、組織結(jié)構(gòu)相差甚遠(yuǎn)，致使鋁/鋼異質(zhì)金屬連接的難度較大。鋁/鋼異質(zhì)金屬的連接存在以下四個(gè)方面的難點(diǎn)： ①鋼和鋁合金兩者之間的固溶度較低，常溫下鐵在鋁中的固溶度幾乎為零，在225~600 ℃時(shí)，鐵在鋁中的固溶極限為0.01%~0.022%，鋁合金和鋼之間熱物理性能的差異大；②熔化焊時(shí)界面易生成脆硬相的FeAl₂，F(xiàn)eAl₃ 和Fe₂Al₅ 等金屬間化合物，會直接降低接頭的使用性能; ③鋁合金在高溫作用下，表面容易形成難熔的Al₂O₃氧化膜，使得焊縫產(chǎn)生夾渣現(xiàn)象；④液態(tài)鋁合金在普通鋼板表面的潤濕鋪展性能差。

在鋁/鋼異質(zhì)金屬攪拌摩擦焊過程中，由于鋼合金的熔點(diǎn)高、硬度大，要求攪拌頭材料需要具有良好的耐磨和耐高溫性能，如熱處理的模具鋼、工具鋼、鎳基合金、WC-Co合金鋼、W-Re合金、Si3N4陶瓷、聚晶立方氮化硼( PCBN) 等，近年來以碳化鎢和高溫合金等為主的攪拌頭使用頻率逐漸加大。

鋁/鋼異質(zhì)金屬攪拌摩擦焊工具常見材質(zhì)種類

鋁/鋼異質(zhì)金屬對接攪拌摩擦焊時(shí)，攪拌頭通常偏向鋁合金一側(cè)，避免與鋼的過多接觸，一般將熔點(diǎn)和硬度較高的鋼合金置于接頭的前進(jìn)側(cè)，而較軟的鋁合金放置在后退側(cè)。

鋁/鋼異質(zhì)金屬搭接攪拌摩擦焊時(shí)，一般是把鋼置于鋁的下側(cè)，以減小焊接過程中攪拌頭的磨損。

不同接頭結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)

在攪拌摩擦焊接過程中，存在五個(gè)主要的控制變量參數(shù)，分別是攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度、傾斜角度、壓入量和攪拌針的直徑。與同種材料的攪拌摩擦焊相比，影響異種材料攪拌摩擦焊接頭質(zhì)量的工藝參數(shù)更多，除了通常的焊速、轉(zhuǎn)速和傾角意外，母材的相對位置、攪拌針偏移距離、母材表面狀態(tài)等都影響著接頭的成形和最終性能。

鋁/鋼異種金屬攪拌摩擦焊接頭性能的影響因素

一般情況下，在一定范圍內(nèi)適當(dāng)提高主軸旋轉(zhuǎn)速度或者降低焊接速度時(shí)，能夠增加接頭熱輸入量，有利于焊縫金屬發(fā)生塑性流動(dòng)行為，可以得到成形和性能良好的接頭。

• 對接接頭

宏觀形貌：焊核區(qū)形狀不規(guī)則，并且焊核區(qū)與鋁合金側(cè)不存在明顯的界線。母材的相對位置對接頭界面的宏觀形貌有很大的影響，當(dāng)較軟的材料置于后退側(cè)時(shí)，接頭界面跨度較大; 當(dāng)較硬的材料置于接頭后退側(cè)時(shí)，界面跨度相對較小。

鋁合金/不銹鋼攪拌摩擦焊對接接頭宏觀形貌

微觀形貌：鋁/鋼異質(zhì)金屬攪拌摩擦焊對接接頭焊核區(qū)的微觀組織表現(xiàn)為混亂無序和不均勻等主要特征。在攪拌針的劇烈攪拌作用下，攪碎的材料進(jìn)入焊核區(qū)后與焊縫金屬發(fā)生機(jī)械混合，形成了破碎的鋼顆粒分布于鋁合金基體的現(xiàn)象、不銹鋼顆粒增強(qiáng)鋁合金、機(jī)械合金化組織等復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)的形成，與攪拌頭的破碎和攪拌的作用密切相關(guān)，通常是較硬的高熔點(diǎn)材料以碎片或顆粒的形式嵌入較軟的鋁合金基體中，且與周圍的鋁合金基體發(fā)生明顯的擴(kuò)散行為，生成擴(kuò)散－反應(yīng)產(chǎn)物。

鋁/鋼異質(zhì)金屬攪拌摩擦焊對接接頭界面區(qū)域伴隨著高的熱輸入量，且經(jīng)歷了非常復(fù)雜的塑性變形過程，在界面處容易生成亞微米級的疊層結(jié)構(gòu)。

鋁/鋼攪拌摩擦焊對接接頭焊核區(qū)組織特征

對接接頭界面組織分析

• 搭接接頭

宏觀形貌：鋁/鋼搭接接頭橫截面形貌根據(jù)攪拌針的壓入深度的變化呈現(xiàn)出兩種主要的不同形式。當(dāng)攪拌針端部壓入鋼板表面時(shí)，鋼在接頭的前進(jìn)側(cè)和后退側(cè)形成了“彎鉤狀”形狀，在焊核區(qū)鋼表面的縱截面可看到類似“鋸齒”的形貌。當(dāng)攪拌針端部沒有壓入鋼板表面時(shí)，接頭橫截面界面處表面為平滑態(tài)，不出現(xiàn)“彎鉤狀”的形狀。

鋁/鋼搭接攪拌摩擦焊接頭宏觀形貌

微觀形貌：當(dāng)攪拌針壓入鋼板內(nèi)部時(shí)，焊核區(qū)界面處微觀組織從形態(tài)和分布上來看，主要可以分為連續(xù)的母材和疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)兩種，焊核中局部區(qū)域微觀組織呈現(xiàn)出卷曲渦旋狀的夾層結(jié)構(gòu)形態(tài)。當(dāng)攪拌針端部未壓入鋼板表面時(shí)，接頭界面處組織表現(xiàn)為平滑過渡。

一般情況下，攪拌摩擦焊焊接過程中焊核區(qū)的最高溫度不會超過材料的熔點(diǎn)，但是在局部區(qū)域卻有可能出現(xiàn)溫度達(dá)到甚至超過二組元的共晶溫度的情況。

鋁/鋼搭接接頭界面組織特征

鋁/鋼攪拌摩擦焊的界面反應(yīng)及構(gòu)成復(fù)雜，由漩渦狀的夾層結(jié)構(gòu)和金屬間化合物層構(gòu)成，且在相對較低的溫度下，攪拌過程和高應(yīng)變率使不銹鋼中的奧氏體部分轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體。金屬間化合物是影響鋁/鋼接頭性能的主要因素，且其厚度存在臨界值，小于此臨界值化合物的存在可以增加接頭的結(jié)合強(qiáng)度，大于此值則裂紋易于萌生和擴(kuò)展，使接頭承載性能降低。并且，連續(xù)層片狀納米尺度的金屬間化合物具有強(qiáng)化作用，其界面結(jié)合強(qiáng)度甚至超過鋁合金母材。

Al /Fe 金屬間化合物對鋁/鋼連接來講，具有兩面性。一方面，金屬間化合物的存在，實(shí)現(xiàn)了鋁/鋼異種金屬間的冶金結(jié)合; 另一方面，過多或過厚金屬間化合物層的存在導(dǎo)致相體積變化而引起應(yīng)力，又惡化了接頭的承載性能?？梢?，金屬間化合物層的厚度并不是越薄性能越好，而是在一定的范圍內(nèi)，接頭的性能才能達(dá)到最佳，且Al /Fe金屬間化合物的種類對接頭的韌性具有重要影響。

對于這類易產(chǎn)生新相組織的異種材料，其在攪拌摩擦焊過程中最重要的就是控制其反應(yīng)物產(chǎn)生的量，即合適的反應(yīng)層厚度，是獲得性能良好的焊接接頭的根本前提。

鋁/銅異質(zhì)金屬

由于鋁和銅的物理、化學(xué)性能差異較大，在其進(jìn)行熔化焊時(shí)，存在以下困難：（1）鋁和銅的高溫氧化問題，由于鋁和銅均與氧具有較強(qiáng)的親和力，高溫下在二者的表面以及熔池中極易發(fā)生氧化反應(yīng)，生成CuO、Cu₂O 和Al₂O₃等多種氧化物，從而導(dǎo)致焊縫處產(chǎn)生裂紋和脆斷；（2）接頭易形成Al/Cu 金屬間化合物（脆性），降低接頭的性能；（3）焊縫易生成裂紋，由于鋁的線膨脹系數(shù)接近銅的2 倍，焊接后在鋁/ 銅異種金屬焊接接頭容易形成較大的殘余熱應(yīng)力；（4）接頭易形成氣孔，由于鋁和銅的導(dǎo)熱性能均非常好，熔池結(jié)晶過程很快，因此冶金反應(yīng)過程中產(chǎn)生的氣體或鋁和銅在液態(tài)時(shí)溶解和吸收的氣體，來不及逃逸出熔池，而殘留在焊縫中形成氣孔；（5）元素?zé)龘p，在鋁和銅母材金屬中，含有低于母材熔點(diǎn)的元素，當(dāng)焊接溫度達(dá)到母材熔化溫度時(shí)，這些元素將產(chǎn)生蒸發(fā)或燒損， 這將降低焊縫的力學(xué)性能和抗腐蝕性。

Al-Cu二元平衡相圖

鋁/銅異質(zhì)金屬攪拌摩擦焊采用的攪拌頭材料一般為高速鋼和工具鋼（硬度為HRC45~HRC62之間）。

鋁/銅異質(zhì)金屬攪拌摩擦焊工具常見材質(zhì)種類

鋁合金（1050H16）/黃銅攪拌摩擦焊接頭宏觀形貌

鋁合金/銅攪拌摩擦焊接頭微觀形貌

(b) AA2024 aluminum?copper weld interface; (c) Optical micrograph in nugget of AA5083-H111 Al and DHP-Cu placing Al at advancing side;(d) Back scattered electron micrograph of Al 5083-H111 and oxygen-free Cu;(e) Transmission electron microscopy joint interface of Al-6082-T6 and Cu.

鈦/鋁異質(zhì)金屬

由于鈦/鋁異種金屬兩者之間的熱物理和化學(xué)性能差異巨大，導(dǎo)致其焊接存在巨大的困難，具體體現(xiàn)在以下4個(gè)方面：①鈦和鋁均屬于活潑金屬，表面易氧化生成致密的TiO₂和Al₂O₃，導(dǎo)致焊縫夾渣等缺陷并降低接頭強(qiáng)度。此外鈦在高溫下的吸氫、氧和氮行為亦降低接頭性能。②鈦和鋁的熔點(diǎn)相差約800 ℃，若采用熔焊進(jìn)行連接，當(dāng)溫度達(dá)到鈦熔點(diǎn)時(shí)，鋁及鋁合金元素大量燒損蒸發(fā)。③鈦和鋁的線膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率相差很大，鈦的線膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率分別為鋁的1/3和1/16。④鈦和鋁的晶格參數(shù)、晶格類型、原子半徑等差異巨大，導(dǎo)致其冶金不相容，易反應(yīng)生成大量脆性金屬間化合物，在焊接應(yīng)力作用下極易產(chǎn)生焊接裂紋。

Ti-Al二元相圖

在采用FSW對接實(shí)現(xiàn)鈦/鋁異種金屬的連接時(shí)，一般將鈦合金置于前進(jìn)側(cè)(Advancing Side, AS)，鋁合金置于后退側(cè)(Retreating Side, RS)，且攪拌針偏向鋁合金，控制攪拌針邊緣扎入鈦合金的量為0~1.2 mm。

Ti/Al異種金屬FSW的連接機(jī)制主要包括兩方面：其一是基于機(jī)械混合和攪拌行為所產(chǎn)生的異種材料機(jī)械混合，所呈現(xiàn)的材料特征多體現(xiàn)在宏觀尺度上;其二是基于異種材料連接界面的擴(kuò)散、固溶甚至直接反應(yīng)的冶金連接機(jī)制。機(jī)械連接機(jī)制形成的工藝要點(diǎn)在于焊縫異種材料問的充分均勻化和致密化，形成具有Ti/Al二元宏觀復(fù)相組織的宏觀結(jié)構(gòu);而擴(kuò)散連接機(jī)制形成的工藝要點(diǎn)在于焊接熱輸入量的科學(xué)控制，既要保證焊接熱循環(huán)過程中發(fā)生原了的固溶或擴(kuò)散行為，又要避免焊縫中脆性金屬問化合物的過多生成，而首要一點(diǎn)即應(yīng)避免焊接過程中的鋁合金熔化現(xiàn)象。

鈦/鋁異種金屬攪拌摩擦焊對接接頭的橫截面形貌呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：①焊核區(qū)(Stir Zone, SZ)與鈦之間存在清晰的界面，而與鋁之間則界面模糊；②焊核區(qū)主要由細(xì)小的再結(jié)晶鋁晶粒和在攪拌針作用下脫落的塊狀鈦，故而焊核區(qū)主要由鋁及鑲嵌其中的強(qiáng)化顆粒鈦組成，因而接頭界面的宏觀形貌與母材（Base Material, BM）的相對位置有關(guān)；③在后退側(cè)存在與同種材料FSW相似的熱機(jī)影響區(qū)（Thermo-Mechanically Affected Zone, TMAZ）和熱影響區(qū)（Heat Affected Zone, HAZ），而在前進(jìn)側(cè)界面處存在鈦中α和β相的晶粒。一般而言，在接頭反應(yīng)界面靠近軸肩區(qū)域，因攪拌針對鈦基體的摩擦作用出現(xiàn)由鈦元素組成的漩渦狀疊層，且該結(jié)構(gòu)與偏移量大小有密切關(guān)系。

 鈦/鋁復(fù)合接頭宏觀形貌

缺陷

• 表面溝槽　　

表面溝槽又稱犁溝缺陷，它往往出現(xiàn)在焊縫的上表面，偏向于焊縫的前進(jìn)邊呈溝槽狀。其原因是由于焊縫周圍的熱塑性金屬流動(dòng)不充分，焊縫的塑性金屬無法充分填充攪拌針行進(jìn)過程中留下的瞬時(shí)空腔，從而在焊縫靠近前進(jìn)邊的位置形成表面溝槽?！　?nbsp;      

控制措施是：增大軸肩直徑，增大壓力，降低焊接速度。

• 飛邊毛刺　　

飛邊毛刺出現(xiàn)在焊縫的外邊緣，呈波浪形，返回邊的飛邊往往比前進(jìn)邊大。此種缺陷是由于旋轉(zhuǎn)速度和焊接速度的匹配不當(dāng)，在焊接過程中，下壓量過大，會形成大量的飛邊?！　?/p>

控制措施：優(yōu)化焊接參數(shù)，減少下壓量。

• 表面起皮　　

表面起皮或起絲呈皮狀或絲狀出現(xiàn)在焊縫的表面。該缺陷的產(chǎn)生是大量的金屬摩擦產(chǎn)熱，積累于焊縫的表層金屬，使得表層的局部金屬達(dá)到熔化狀態(tài)，在焊接過程中逐漸冷卻呈皮狀或絲狀分布于焊縫表面。　　

控制措施：優(yōu)化焊接參數(shù)，降低轉(zhuǎn)速，提高焊速。

• 表面鼓皮　　

鼓皮通常在FSW焊后熱處理之后出現(xiàn)，位于焊縫表面0.3mm以內(nèi)的雜質(zhì)鼓包。焊縫鼓包是由于焊縫表面氧化膜夾雜在熱處理過程中由于溫度的升高，雜質(zhì)物分解膨脹造成?！　?/p>

控制措施：焊前將氧化膜或油污清理干凈。

• 背部焊瘤　　

背部焊瘤表現(xiàn)為焊縫別不的金屬向外凸出。形成的原因是由于攪拌針頂部與焊縫底部的間隙過小，或產(chǎn)品裝配時(shí)，焊縫底部存在較大間隙，導(dǎo)致焊接過程中，攪拌針的軸向擠壓力擠壓底部的金屬向焊縫底部凸出，呈現(xiàn)焊瘤狀?！　?/p>

控制措施：保證被焊材料與工裝良好貼合，保證間隙盡量小，稍微減小攪拌針的長度

輔助技術(shù)

為了強(qiáng)化金屬攪拌摩擦焊接頭的性能，研究人員通過在金屬材料表面預(yù)先設(shè)置幾何形狀的機(jī)械式輔助攪拌摩擦焊技術(shù)，以期通過機(jī)械強(qiáng)化行為和冶金結(jié)合雙重作用來優(yōu)化接頭性能。

機(jī)械輔助攪拌摩擦焊示意圖

傳統(tǒng)的攪拌摩擦焊方法存在著攪拌頭磨損的問題。攪拌頭磨損，不僅會嚴(yán)重降低其使用壽命，增加焊接成本，還容易導(dǎo)致焊接過程不穩(wěn)定，進(jìn)而使得接頭性能和質(zhì)量難以得到保證。為了減輕攪拌頭磨損的問題，通過外部熱源輔助的方式，焊前對鋼進(jìn)行預(yù)熱，軟化鋼合金，從而減小攪拌頭的磨損。復(fù)合的方法包括電熱輔助攪拌摩擦焊、激光輔助攪拌摩擦焊和電弧輔助攪拌摩擦焊。

外加能源輔助攪拌摩擦焊示意圖

行業(yè)應(yīng)用

航天制造工業(yè)

目前攪拌摩擦焊技術(shù)已廣泛應(yīng)用于美國Delta 系列、Atlas 系列火箭貯箱、航天飛機(jī)外貯箱縱縫的高質(zhì)量焊接。

NASA航空制造工業(yè)攪拌摩擦焊裝備庫

國內(nèi)首個(gè)全攪拌摩擦焊液氧箱

航空制造工業(yè)

攪拌摩擦焊可以在飛機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)、翼盒結(jié)構(gòu)、機(jī)身結(jié)構(gòu)、艙門結(jié)構(gòu)、裙翼結(jié)構(gòu)、機(jī)艙氣密隔板以及貨物裝卸結(jié)構(gòu)等方面得到應(yīng)用。

攪拌摩擦焊接的C-17軍用運(yùn)輸機(jī)裝卸平臺

歐美攪拌摩擦焊接技術(shù)大型國際合作項(xiàng)目

船舶工業(yè)

在船舶工業(yè)中，攪拌摩擦焊焊接方式主要應(yīng)用于甲板、側(cè)板、地板、帆船桅桿以及水上觀測站、防水壁板、船體外殼、主體結(jié)構(gòu)件等的制造，還有直升機(jī)升降平臺以及漁船用冷凍中空板等。目前，攪拌摩擦焊已經(jīng)代替了傳統(tǒng)的船舶加強(qiáng)件結(jié)構(gòu)的制造方式。

陸地交通

在陸路交通方面，攪拌摩擦焊技術(shù)主要應(yīng)用于軌道列車、高速列車以及集裝箱等方面。而攪拌摩擦焊在汽車方面則主要應(yīng)用于底盤、引擎以及車身支架等零部件上。

攪拌摩擦焊在廣州地鐵3號線城軌車輛車體