攪拌摩擦焊

攪拌摩擦焊的原理及其應(yīng)用

摘要：摩擦焊是利用焊件接觸面之間的相對(duì)摩擦運(yùn)動(dòng)和塑性變形所產(chǎn)生的熱

量使接觸面及附近區(qū)域的材料達(dá)到熱塑性狀態(tài)，通過(guò)兩側(cè)材料間的相互擴(kuò)散和動(dòng)寫觀后感

態(tài)再結(jié)晶而完成焊接，文章分析了攪拌摩擦焊的工作原理，并論述了其相關(guān)的應(yīng)

用。

關(guān)鍵詞：攪拌摩擦焊焊接變形焊接工藝

引言

攪拌摩擦焊是英國(guó)焊接研究所發(fā)明的新型固態(tài)塑化焊接技術(shù)，是世界焊接技

術(shù)發(fā)展史上自發(fā)明到工業(yè)應(yīng)用時(shí)間跨度最短并且發(fā)展最快的一項(xiàng)連接技術(shù)。攪拌

摩擦在材料的熔點(diǎn)以下進(jìn)行，屬于固相焊接，因此可以避免熔化焊所產(chǎn)生的氣孔、

裂紋、變形和氧化等問(wèn)豬肝湯怎么做 題。更重要的是焊接加熱溫度低，使焊接接頭軟化程度得

到減輕，性能得到改善。

攪拌摩擦焊在國(guó)外鋁合金車體制造方面得到了一定的應(yīng)用，日本、法國(guó)、

德國(guó)、瑞典等國(guó)車輛制造商己經(jīng)采用攪拌摩擦焊技術(shù)制造列車車體，焊接接頭性

能得到改善，效果良好。國(guó)內(nèi)攪拌摩擦焊在鐵道車輛制造方面的應(yīng)用尚屬空白。

文章分析了攪拌摩擦焊的工作原理，并論述了其相關(guān)的應(yīng)用。

1攪拌摩擦焊的工作原理及特點(diǎn)

攪拌摩擦焊接時(shí)，攪拌頭一邊高速旋轉(zhuǎn)，抽薪止沸 一邊沿著焊接方向前進(jìn)，焊接過(guò)程

中，攪拌頭軸肩與被焊工件表面摩擦產(chǎn)生熱量使工件達(dá)到塑性狀態(tài)，塑性狀態(tài)的

金屬在攪拌頭旋轉(zhuǎn)壓力的擠壓作用下，沿?cái)嚢栳槒那斑M(jìn)側(cè)被攪拌到后退側(cè)，隨著

攪拌頭的移動(dòng)，高度塑性變形的金屬流向攪拌頭的后部，冷卻后形成焊縫。在實(shí)

際工作中，攪拌摩擦焊的焊核由于受到攪拌頭的高速旋轉(zhuǎn)擠壓作用，該區(qū)原始的

組織晶粒被攪拌破碎，同時(shí)在軸肩與母材摩擦產(chǎn)生的熱作用下，發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，

由母材軋制狀組織變?yōu)榧?xì)小的等軸晶。熱機(jī)械影響區(qū)在攪拌頭的高速旋轉(zhuǎn)作用下

發(fā)生明顯塑性變形，受到的摩擦熱低于焊核，不足以使組織發(fā)生再結(jié)晶，因此只

發(fā)生部分長(zhǎng)大。熱影響區(qū)在熱循環(huán)作用下，組織晶粒發(fā)生二次長(zhǎng)大，該區(qū)組織明

顯粗化，甚至比母材還粗大。焊接時(shí)攪拌頭緩慢插入母材中，摩擦頭的軸肩與板

材的表面緊密接觸并壓入一定深度。焊接時(shí)摩擦頭高速旋轉(zhuǎn)并沿待焊板材的接縫

向前運(yùn)動(dòng)。摩擦頭的軸肩、攪拌針與試件摩擦生熱，產(chǎn)生的摩擦熱使攪拌針周圍

金屬處于熱塑性狀態(tài)。在摩擦攪拌過(guò)程中軸肩一方面提供了大部分的摩擦熱，另

一方面軸肩的下壓作用防止了塑性狀態(tài)金屬的溢出，攪拌針前方塑性狀態(tài)下的金

屬在摩擦頭的驅(qū)動(dòng)下向后方流動(dòng)。在攪拌頭的摩擦攪拌作用下，攪拌針周圍的材

料形成塑性層，從而形成了攪拌摩擦焊焊縫，使待焊件焊為一個(gè)整體。同時(shí)，因

為攪拌摩擦焊焊接溫度在鋁合金熔點(diǎn)以下，使其與普通熔化焊有不同的本質(zhì)，相

應(yīng)地帶來(lái)了一系列優(yōu)點(diǎn)：

（1）多種材料混合焊。攪拌摩擦焊作為一種固相連接方法，幾乎能夠焊接

所有的鋁合金材料，包括那些難于用熔化焊方法連接的高強(qiáng)鋁合金材粗心男 料，隨著攪

拌摩擦焊焊接工具的開發(fā)和焊接技術(shù)的發(fā)展，攪拌摩擦焊技術(shù)己能夠焊接其它有

色金屬，如鉛、鋅、鎂及鎂合金、銅及銅合金、欽合金，甚至能夠用于焊接不銹

鋼、低碳鋼等黑色金屬。

（2）不受接頭形式的限制。攪拌摩擦焊可以進(jìn)行多種接頭形式的焊接，如

對(duì)接接頭、搭接接頭、角接接頭及T形接頭等。攪拌摩擦焊也適用于環(huán)形、圓

形、非線性和立體焊縫。由于重力對(duì)這種固相焊接方法沒有影響，攪拌摩擦焊可

以用于全位置焊接，如橫焊、立焊、仰焊、環(huán)形軌道自動(dòng)焊等。攪拌摩擦焊已經(jīng)

成功地焊接了星際(宇宙)飛行器鋁合金燃料箱的縱向?qū)雍缚p和環(huán)形搭接焊縫。

2攪拌摩擦焊的應(yīng)用方向

攪拌摩擦焊也是利用摩擦熱作為焊接熱源的一種固相連接方法，但與常規(guī)摩

擦焊有所不同。在進(jìn)行攪拌摩擦焊接時(shí)，首先將工件牢牢地固定在工作平臺(tái)上，

然后，攪拌焊頭高速旋轉(zhuǎn)并將攪拌焊針插入工件的接縫處，直至攪拌焊頭的肩部

與工件表面緊密接觸，攪拌焊針高速旋轉(zhuǎn)與其周圍母材摩擦產(chǎn)生的熱量和攪拌焊

頭的肩部與工件表面摩擦產(chǎn)生的熱量共同作用，使接縫處材料溫度升高而軟化，

同時(shí)，攪拌焊頭邊旋轉(zhuǎn)邊沿著接縫與工件作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，攪拌焊頭前面的材料發(fā)生

強(qiáng)烈的塑性變形。隨著攪拌焊頭向前移動(dòng)，高度塑性變形的材料被擠壓到攪拌焊

頭的背后，肩部所施加的鍛造力使接縫處的變形金屬通過(guò)相互擴(kuò)散與再結(jié)晶而牢

固地結(jié)合在一起，從而完成攪拌摩擦焊接過(guò)程。在焊接過(guò)程中，攪拌焊頭具有與

其周圍材料摩擦產(chǎn)熱、破碎工件表面氧化層、轉(zhuǎn)移塑性流變材料等重要作用。因

而，攪拌焊頭是攪拌摩擦焊技術(shù)的核心，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)決定了整個(gè)焊接過(guò)程的各個(gè)

工藝參數(shù)和焊縫的質(zhì)量。英國(guó)焊接研究所不斷改進(jìn)攪拌焊頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，已經(jīng)開

發(fā)出多種新型攪拌焊頭。改進(jìn)后的攪拌焊頭，其焊針采用特殊的結(jié)構(gòu)形狀，并優(yōu)

化攪拌焊頭的肩部設(shè)計(jì)，能夠使焊接區(qū)內(nèi)摩擦產(chǎn)生熱量提高，更加有利于塑性流

變材料在攪拌焊針的周圍流動(dòng)，有利于焊件表面的氧化膜的破碎并使其在焊接區(qū)

內(nèi)彌散分布，可以實(shí)現(xiàn)在相對(duì)較高的焊接速度下焊接較厚的板材。隨著攪拌摩擦

焊的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域主要可以概括為如下幾個(gè)方面：

（1）航空工業(yè)：目前攪拌摩擦焊技術(shù)己用于輕質(zhì)鋁合金飛機(jī)的載重梁、地

板、機(jī)身、機(jī)翼、蒙皮等結(jié)構(gòu)件的焊接。與過(guò)去常采用的鉚接和機(jī)械加工相比，

攪拌摩擦焊技術(shù)降低了制造成本，減輕了飛機(jī)的重量，因而攪拌摩擦焊在民用及

軍用飛機(jī)制造業(yè)具有很好的應(yīng)用前景。如美國(guó)航空領(lǐng)域正在使用攪拌摩擦焊技術(shù)

將飛機(jī)蒙皮和翼梁、翼肋和縱向加強(qiáng)肋焊接在一起。德國(guó)空中客車公司應(yīng)用攪拌

摩擦焊技術(shù)成功地焊接了空中客車機(jī)體及機(jī)翼結(jié)構(gòu)。

（2）船舶工業(yè)：英國(guó)勞埃德船級(jí)社對(duì)船用攪拌摩擦焊技術(shù)進(jìn)行了深入研

究。斯堪的納維亞和日本的造船公司在船舶的結(jié)構(gòu)制造過(guò)程中采用攪拌摩擦焊技

術(shù)，也取得較滿意的效果，如制造漁船上的冷藏箱板、高速貨船的甲板、側(cè)墻及

船體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)件。采用攪拌摩擦焊技術(shù)拼接的大型中空復(fù)合型板材，由于熱輸

入較低，焊縫的扭轉(zhuǎn)變形小、焊接應(yīng)力低，是熔化焊無(wú)法比擬的。

（3）鐵路及公路：日本在1992年就開始研究在高速列車及地鐵列車的

結(jié)構(gòu)制造過(guò)程中采用攪拌摩擦焊技術(shù)，目前己成功地將攪拌摩擦焊技術(shù)應(yīng)用于制

造高速列車的車身，攪拌摩擦焊制造汽車的底盤、大梁、車輪、油箱等結(jié)構(gòu)的報(bào)

導(dǎo)己屢見不鮮。其它領(lǐng)域建筑橋梁、海岸設(shè)施、飲料啤酒罐、電氣電機(jī)座、導(dǎo)電

板、電接插件、電子設(shè)備的封裝壓力容器制造和液化氣罐等結(jié)構(gòu)件均有采用攪拌

摩擦焊工藝的實(shí)例。

3結(jié)語(yǔ)

摩擦焊是在外力作用下，利用焊件接觸面之間的相對(duì)摩擦運(yùn)動(dòng)和塑性變形所

產(chǎn)生的熱量，使接觸面及附近區(qū)域的材料達(dá)到熱塑性狀態(tài)，并產(chǎn)生適當(dāng)?shù)暮暧^塑

性變形，通過(guò)兩側(cè)材料間的相互擴(kuò)散和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶而完成焊接。由于攪拌摩擦焊

接技術(shù)具有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，自其問(wèn)世以來(lái)，就受到考研復(fù)試線 了世界上主要工業(yè)化國(guó)請(qǐng)假條病假 家焊接界

的重視。

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