铝合金搅拌摩擦焊技术研究存在的问题及趋势资料下载.pdf

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如焊接过程不需要坡13准备、填充金属及保护气体；

焊接接头质量及力学性能获得明显改善：

焊接变形小、缺陷水平低、容易实现自动化及生产效率高等。

FSW可以成功地实现各种铝合金、镁合金等轻合金的连接尤其是收稿日期：

2009-0430242009年第7期能够可靠连接熔焊方法很难焊接的A1一Cu（2000系列）和A1一Zn（7000系列）等高强铝合金。

随着目前全球环境保护和能源供应的日趋严峻采用铝、镁等轻合金减轻结构重量和降低制造成本已成为航空、航天及高速客车等结构制造领域极为关注的问题；

FSW为在工业结构制造领域广泛应用铝、镁等轻合金开辟了新途径。

在航空航天结构制造领域，码W为替代传统的铆接搭接紧固连接工艺提供了极为广阔的前景：

在汽车工业、高速客车与船舶建造领域，FSw为大量采用高强铝合金替代传统结构钢材料、实现各种结构轻量化发展提供了重要基础E6-91。

该文在讨论FsW技术特征、工艺特点及应用研究万方数据篪够衍鲵磁修形缈。

篪锄彩轻金属焊接专题r蜉掳的基础上。

对目前国内外有关FSW技术的研究现状、发展趋势及存在问题进行了综述所涉及的问题是在工业化铝合金结构制造领域（如飞机机身结构、高速客车及汽车车体结构等）大规模推广应用FsW技术必须解决的基础性问题：

最后对基于FSW研究开发的新思路及新工艺，尤其是搅拌摩擦点焊技术（FrictionStirSpotWelding-FSSW）的原理、特点及在汽车车体轻量化开发中的巨大应用前景进行了评述其目的是为在国内航空、航天及轻量化结构制造工业领域有效促进和推广应用FSW技术提供重要依据。

1FSW技术特征图l为英国焊接研究所（neWeldingInstituteTWI）公布的FSW原理示意图，也是目前引用最为普遍的FSW图片【l-5，91。

FSW采用一种非消耗、旋转的具有特殊几何形状的摩擦搅拌工具（T001）挤入被连接工件（WorkPiece）接头处，通过沿连接线的旋转（rads）和横向移动秽（mms）实现金属材料的冶金连接。

与传统摩擦焊采用两个工件接触面产生摩擦热方式明显不同FSW的关键创新点在于应用了第三个非消耗的摩擦搅拌工具（T001），通过摩擦下具与两个工件连接界面的挤压接触产生摩擦热源形成致密连接接头。

基于这种摩擦热源方式，FSW将只适用于对接接头的传统摩擦焊方式拓宽到了对接、搭接、角接及T形接头形式M。

a一未影响母材区（UnoffectedMaterial）b一热影响区（HAZ）c一热机影响区（TMAZ）d焊核（部分热机影响区）图l咧I公布的FSW原理示意图FSW技术特征主要体现在两方面：

（1）将传统焊接界面的整体摩擦转变为连续不断的局部摩擦使固定摩擦热源变为移动焊接热源，这样将有效降低焊接过程中摩擦载荷：

（2）采用带有轴肩（ToolShoulder）和搅拌头（ProfiledPin）的非消耗摩擦工具，实现局部摩擦界面的连续挤压结合。

工具轴肩（ToolShoulder）的关键作用是将传统摩擦焊中通过整体移动工件施加的顶锻压力，转换为利用轴肩施加挤压顶锻力而工件固定不动搅拌头（Pr06ledPin）沿连接界面的高速旋转即产生局部摩擦热源，又搅拌旋压局部塑性金属并将搅拌头前缘的塑性金属旋转回填到后面。

在工具轴肩的顶锻压力下形成冶金连接。

由于具有上述特征，与传统摩擦焊相比FSW设备功率明显降低摩擦压力与顶锻载荷明显降低连接接头形式也多样化。

FSW技术的关键是非消耗搅拌工具，其主要作用为：

维持焊接过程中稳定摩擦热输入和焊接温度场、旋转搅动塑性流动金属消除初始界面、包围顶锻塑性金属形成冶金连接。

搅拌工具决定着焊接热输入、焊核（Nugget）及附近的金属塑性流动形态、焊缝形状及焊接缺陷形成机制。

搅拌头的旋转回填作用是形成焊缝的必要条件，而轴肩对塑性金属的限制包围和顶锻压力（将传统移动工件的横向顶锻载荷转化为垂直顶锻压力）则是形成焊缝的充分条件。

为了获得更多摩擦热生成和深宽比更大焊缝。

对搅拌工具几何形状进行了大量研究（图2）：

而工业化生产为保证工艺参数稳定性和焊缝质量重复性，对搅拌工具的高温强度（焊接铝合金温度在400500）和耐磨损性提出很高的要求【9。

图2搅拌工具的几何形状示意f90FSW焊缝微观组织保留了传统摩擦焊的全部优势。

且具有其独特性。

7珊I将FSW焊缝附近划分为三个区域：

焊核区（WeldNugget）、热机械影响区（TMAZ）和热影响区（HAZ），这也被以后大量的铝合金等硒W工艺所证实L3-9。

由于焊缝是在搅拌工具的旋转、挤压、粉碎等热机械力作用下形成的致密冶金连接FSW焊核区是具有动态重结晶特征的细化等轴晶粒结构而TMAZ2009年第7期25万方数据俘携轻金属焊接专题雅卿鳜施移形黟。

黝组织结构具有剧烈塑性变形与流动特征。

搅拌工具旋转与焊接方向的差异导致FSW焊缝存在明显微观组织非对称性：

前进侧（AdvancingSideAS）和后退侧（RetreatingSideRS），而在AS处微观组织突然变化界面在某种程度上将具有“非均质”界面缺陷作用10-11。

在传统旋转摩擦焊中，由于轴向顶锻、挤压和径向速度的作用。

焊接初始表面的氧化物或杂质将被挤出焊缝形成飞边，因而旋转摩擦焊具有“自清洁”作用；

但在FSW中将不再具有这种“自清洁”作用焊接界面氧化物或杂质只有被搅拌工具破碎后弥散分布于焊缝微观组织中，而这一过程显然与搅拌工具形状、旋转速度、移动速度和顶锻压力直接相关。

这将成为影响FSW焊缝综合力学性能的重要因素，也是导致FSW工艺参数不具有普遍适用性的关键所在。

2FSW研究现状及存在问题21研究现状目前国内FSW研究内容评述已有许多文献公开发表12-14】，在此仅从宏观角度讨论FSW现状。

FsW技术被称为继激光焊后焊接技术的又一重要突破，在国际材料加工与连接研究领域和铝合金结构制造领域引起巨大冲击。

其潜在的应用前景在航空航天、汽车工业、船舶建造及铁路车辆等领域受到极大关注15-16。

在近17年的发展过程中，全世界范围内的各大工业集团（Boeing，LockheedMartin。

Airbus，GeneralDynamics，Alcoa，Nova，Sapa，Hitachi，Ford，GE等）和研究机构（TWI，GKSS，EWI，M佟，BWI，ARL。

USC，PNNLORNL，BYU，CTC，SDSM&

T，AJT等）都在FSW技术原理、冶金材料、工艺性能、自动化设备及工业应用方面进行了大量的研究开发工作3-5,91。

欧洲空中客车公司（Airbus）1995年就开始评估FSW进行飞机机身结构制造的可能性，目前已在机身与机翼产品应用方面完成许多基础性研究【17】：

日本日立公司（Hitachi）1995年开始FSW应用于高速客车车体制造的开发研究，目前已成功制造各种车体结构300多辆：

美国波音公司（Boeing）于1995年用胯W进行航天飞行器的大型燃料贮箱的制造。

目前在国外FSW工业应用拓宽到航空、航天、船舶、汽车及国防等各领域mJ。

2002年为了促进和提升中国航空航天工业制造水平，北京航空制造工程研究所与英国焊接研究所（TWI）签定了FSW专利转让与实施许可合同成为中国唯一的FSW设备制造商负责在中国地区全面推广应用262009年第7期FSW技术“21。

截止2008年由该单位授权的国内FSW专利许可用户已达26家（其中联合研究许可15家，主要为高等院校；

：

r程应用许可3家单位：

产品制造许-口I7家主要为航天产品制造单位；

设备制造许可1家，为北京赛福斯特技术有限公司）。

2004年美国为促进FSW技术在工业领域的广泛应用，在其国家自然科学基金会（NationalScienceFoundationNSF）组织下成立了搅拌摩擦焊加T中心（CenterforFrictionStirProcessingCFSP）。

目前该中心已发展为5所大学（SouthDakotaSchoolofMinesUniversityofSouthCarolina，BrighamYoungUniversity，MissouriUniversityofScienceandTech，WichitaStateUniversity），24个工业和国家研究机构组成的团体一】。

CFSP的研究目标包括：

（1）FSW工艺焊接过程参数优化（焊接参数、搅拌头材料、搅拌工具设计）、焊接过程模型化（热力、金属流动、残余应力、变形、微观组织演化）、微观组织表征、焊接接头性能表征（疲劳、断裂、蠕变和腐蚀）、焊接缺陷无损检测评估、新合金开发；

（2）FSW焊缝微观组织改性处理如超塑性、晶粒细化、表面离子注入、表面缺陷的消除：

（3）FSW后处理焊后热处理、锻压成形（碾压、时效和蠕变处理）、机械加工、表面防腐处理；

（4）FSW结构设计和应用替代电弧和铆接接头、FSW结构静动态响应、有效设计和分析方法：

（5）FSW过程智能控制和高效加工焊接过程传感器与控制、柔性自适应工