先进的搅拌摩擦焊技术
摘要：本文扼要先容了搅拌摩擦焊接技术的工艺原理以及它的技术上风和发展远景。搅拌摩擦焊是摩擦焊方法的新发展，是英国焊接研究所提出的专利技术。它可以对多种熔化焊接性差的有色金属进行可靠的连接，而且焊接工艺简单。
关键词：搅拌摩擦焊 技术上风 产业应用 发展远景
1.绪论
搅拌摩擦焊是由英国焊接研究所(The Welding Institute，简称TWI)于1991年提出的一种固态连接方法[1-5],并于1993年和1995年在世界范围内的发达和发展中国家申请了知识产权保护[1,2,6,7]。此技术原理简单，且控制参数少、，易于自动化，可将焊接过程中的人为因素降到最低。搅拌摩擦焊技术与传统的熔焊相比，拥有很多优点，因而使得它具有广泛的产业应用远景和发展潜力。有关搅拌摩擦焊接头的组织、力学性能(包括断裂、疲惫、腐蚀性能)、无损检测以及工艺参数对焊缝质量的影响等的研究是推广应用搅拌摩擦焊的基础，有关这些方面的研究是这个领域的研究热门。
搅拌摩擦焊技术是世界焊接技术发展史上自发明到产业应用时间跨度最短和发展最快的一项神奇的固相连接新技术[8]。截止2002年9月15日，世界范围内得到英国焊接研究所(TWI)搅拌摩擦焊专利技术许可的用户己经有78家，与搅拌摩擦焊技术相关的专利技术有551项[8,9,10,11]，用户已覆盖24个国家和地区。著名的B o e i n g、NASA、 BAE、 HONDA、 GE、HITACHI、MARTIN等公司购买了此项技术，并已大量的在航天、航空、车辆、造船等行业得到成功地应用[10,12]。
2.搅拌摩擦焊原理及工艺
搅拌摩擦焊的焊接原理如图l所示[13-30]。置于垫板上的对接工件通过夹具夹紧，以防止对接接头在焊接过程中松开。一个带有特型搅拌指头的搅拌头旋转并缓慢的将搅拌指头插进两块对接板材之间的焊缝处。一般来讲，搅拌指头的长度接近焊缝的深度。当旋转的搅拌指头接触工件表面时，与工件表面的快速摩擦产生的摩擦热使接触点材料的温度升高，强度降低。搅拌指头在外力作用下不断顶锻和挤压接缝两边的材料，直至轴肩紧密接触工件表面为止。这时，由旋转轴肩和搅拌指头产生的摩擦热在轴肩下面和搅拌指头四周形成大量的塑化层。当工件相对搅拌指头移动或搅拌指头相对工件移动时，在搅拌指头侧面和旋转方向上产生的机械搅拌和顶锻作用下，搅拌指头的前表面把塑化的材料移送到搅拌指头后表面。在搅拌指头沿着接缝前进时，搅拌焊头前头的对接接头表面被摩擦加热至超塑性状态。搅拌指头和轴肩磨擦接缝，破碎氧化膜，搅拌和重组搅拌指头后方的磨碎材料。搅拌指头后方的材料冷却后就形成焊缝，可见此焊缝是在热——机联合作用下形成的固态焊缝。这种方法可以看作是一种自锁孔连接技术，在焊接过程中，搅拌指头所在处形成小孔，小孔在随后的焊接过程中又被填满,应该指出，搅拌摩擦焊缝结束时在终端留下个匙孔。通常这个匙孔可以切除掉，也可以用其它焊接方法封焊住[8,27]。在焊接过程中主要的产热体是搅拌指头和轴肩。在焊接薄板时，轴肩和工件的摩擦是主要的热量来源[13]。
图1：搅拌摩擦焊原理图
搅拌摩擦焊焊接工艺参数主要有：搅拌指头的焊接速度、搅拌指头的旋转速度以及压紧力。这些参数决定了焊接过程中搅拌指头四周产生的热量，并且直接影响到焊缝的组织和性能。
3.搅拌摩擦焊技术上风
搅拌摩擦焊除了具有普通摩擦焊技术的优点外，还可以进行多种接头形式和不同焊接位置的连接。如图2所示。
图2： 几种搅拌摩擦焊的接头形式
采用搅拌摩擦焊技术不仅能焊接几乎所有熔焊能够焊接的金属，而且能焊接很多熔化焊接性能差的金属，例如：铝合金、钛合金、铜合金等。就铝合金而言，铝合金在高温熔化时易吸附氢导致凝固后产生气孔，轻易产生热裂纹和变形，因此焊接缺陷率高，并且随着铝合金中合金元素含量的增加，这些焊接缺陷率会大大增加。若是采用搅拌摩擦焊，则由于焊接过程中无金属熔化而克服了上述缺点，因此搅拌摩擦焊可以使不适宜于熔焊的金属得到可靠的连接。此外，搅拌摩擦焊不仅能用于同质合金间的连接，而且还适用于异质合金间的连接。
采用搅拌摩擦焊取代传统的熔焊，还能改善焊缝组织和大大进步焊接接头的力学性能，并且排除了熔焊缺陷产生的可能性。搅拌摩擦焊焊缝组织分区示意如图3所示：焊缝组织可分为A、B、C、D四个区域:A区为母材区(basic metal，简称BM);B区为热影响区(heat affected zone，简称HAZ)，该区域的材料因受热循环的影响，微观组织和力学性能均发生了变化，但没有发生塑性变形;C区为热变形影响区(there momechanically affected zone，简称TMAZ)，该区域材料已经产生了剧烈的塑性变形。就铝合金而言，再结晶区域和TMAZ之间通常有明显的界限，但在其它没有热致相变的材料中，如在纯钛、β钛合金、奥氏体不锈钢和铜中，似乎TMAZ整体已再结晶化，产生了无应变再结晶，这可能使得HAZ/ TMAZ的边界难以精确划分;D区为焊核(dynamically recrystallized zone，简称DXZ)，焊核是最接近轴肩的区域，组织结构通常有较大的变化。在焊接接头的热影响区中，除了腐蚀反应比母材快一些外，其金相组织与母材没有多大区别；在焊接接头的热变形影响区，焊接过程引起长晶粒的弯曲和稍微的重结晶；焊核由纤细的经动态再结晶的等轴晶构成，其晶粒尺寸比母材的晶粒尺寸小得多。5083铝合金的搅拌摩擦焊实验表明，焊缝最薄弱的环节不在焊核区，而是在热影响区。经过固溶处理和人工时效处理的2系列、6系列铝合金的搅拌摩擦焊焊缝，经过期效处理后，其强度接近于基体材料的强度[18]。
图3：搅拌摩擦焊焊缝分区示意图
4.产业应用
基于这种固相连接技术的明显优越性，例如：可焊金属范围广、优良的接头力学性能，不需要填充焊接材料，没有焊接烟尘和飞溅，很少的焊前预备和焊接变形等，在世界范围内的国际合作中开展了大量的研究和开发工作。特别是搅拌摩擦焊可以焊接各种铝合金材料，甚至以前所谓的不可焊铝合金材料都能焊接，如应用于航空、航天领域的2000系列(Al－Cu)、5000系列(Al－Mg)、6000系列(Al－Mg－Si)、7000系列(Al－Zn)、8000系列(Al－Li)高强铝合金[33, 34]，也可以利用这种先进的焊接方法得到高质量的连接。因此搅拌摩擦焊有着广泛的产业应用远景。
很多大学、研究所、公司都在继续进行与该技术相关的研究工作，以期将该技术更广泛地用于飞机、轻型节能汽车、高速列车、船舶等结构，减轻结构重量，进步它们的综合性能，促进航天航空、汽车、船舶等产业的发展[5,36-40]。
综合起来，搅拌摩擦焊在世界产业领域的应用主要包括以下方面：
● 船舶和海洋产业：快艇、游船等的甲板、侧板、防水隔板、船体外壳、主体结构件、直升机平台、离岸水上观测站、船用冷冻器、帆船桅杆和结构件；
● 航天：运载火箭燃料贮箱、发动机承力框架、铝合金容器、航天飞机外贮箱、载人返回仓等；
● 航空：飞机蒙皮、衍条、加强件之间连接、框架连接、飞机壁板和地板连接、飞机门预成形结构件、起落架仓盖、外挂燃料箱；
● 车辆产业：高速列车、轨道货车、地铁车厢、轻轨电车；
● 汽车产业：汽车发动机引擎、汽车底盘支架、汽车轮鼓、车门预成形件、车体框架、升降平台、燃料箱、逃生工具等；
● 在建筑行业：铝、铜、钛等制作的面板、门窗框架、发电厂和化工厂的反应器、铝管道、热交换器和空调器等；
● 其他产业：发动机壳体、冰箱冷却板、电器分封装、自然气、液化气贮箱、轻合金容器、家庭装饰、镁合金制品等。
5.发展远景
由于搅拌摩擦焊焊缝组织好、接头力学性能优异，因而在很多产业领域获得了广泛应用。在航天产业中，搅拌摩擦焊工艺在飞行器铝合金结构制造中的推广应用，在国外已显示出强劲的技术创新活力，给传统制造工艺带来了革命性的改造。1998年美国波音公司的空间和防御实验室引进了搅拌摩擦焊技术，用于焊接某些火箭部件;麦道公司也把这种技术用于制造Delta运载火箭的推进剂贮箱[41]；NASA及格·马公司正在评估该工艺用于连接2195A1—Li合金的可行性。在造船和车辆产业，欧洲已有数家公司将该技术用于生产大型预制铝板。用于研究和生产的搅拌摩擦焊设备已实现了商品化，其可焊板材的长度已达16m[42]。在设备开发和制造方面，挪威已建立了世界上第一个搅拌摩擦焊贸易设备，可焊接厚3～15mm、尺寸6×16m2的Al船板; ESAB公司正在制造可供贸易应用的搅拌摩擦焊机，计划安装在TWI，用来焊接尺寸为8 m×5m的工件，预计可焊接的工件厚度为1.5～18 mm。从上述产业应用和设备开发实例可以看出，搅拌摩擦焊已经在航宇、船舶、高速列车、汽车等制造领域的轻结构制造中显示出强劲的创新活力和广阔的应用远景，并得到了广泛应用。
1995年英国焊接研究所（TWI）在中国申请了有关搅拌摩擦焊和搅拌头专利保护(专利号:ZL95192193.2)，并且在1999年得到了中国知识产权局的批准(批准号:51451)；在 2002年4月18日，北京航空制造工程研究所和英国焊接研究所在北京正式签署搅拌摩擦焊专利许可和技术合作协议，并且在双方合作成立了中国搅拌摩擦焊中心的基础上，注册成立了中国首家专业化的搅拌摩擦焊技术公司——北京赛福斯特技术有限公司。北京赛福斯特技术有限公司负责中国搅拌摩擦焊中心在中国地区（包括：香港、澳门和台湾）的所有搅拌摩擦焊业务：主要从事搅拌摩擦焊技术的研究、FSW工程应用开发、FSW设备的制造和销售以及全权负责中国搅拌摩擦焊中心的FSW "二级许可权" 的发放和治理。中国搅拌摩擦焊中心和专业化北京赛福斯特技术有限公司的成立，标志着搅拌摩擦焊技术的开发和工程应用研究工作在中国市场的正式开始，是新世纪中国焊接技术发展史上一块瞩目的里程碑。国内某些院校和研究所也开始了这方面的研究工作，有理由相信，搅拌摩擦焊技术在中国也有着应用远景。
6.结语
由于搅拌摩擦焊接技术拥有其它焊接技术不可相比的上风,因此它拥有广泛的产业应用远景,它将成为21世纪的研究热门。此外随着搅拌摩擦焊过程中的塑性活动行为的研究，焊接过程热力耦合作用的有限元分析，各种典型材料搅拌摩擦焊工艺参数的优化和接头性能的评定，搅拌头外形的设计与优化以及异种金属间的连接等方面的研究工作的进一步深进，搅拌摩擦焊技术将不断得到完善，其应用将更加广泛。
参考文献
[1] Thomas W M, Nicholas E D, Needham J C, et al. Friction Stir Butt Welding [p]. International Patent Application PCT, GB92, 02203, GB Patent Application 9125978.8, 6 Dec.1991 and US Patent 5, 460, 317;
[2]Dawes C J. An introduction to friction stir welding and its development[J]. Welding&Metal Fabrication,1995;(1): 12-16;
[3] Thomas M W, Nicholas E D, Needham J C, et al. Friction Stir Welding. GB Patent Application. 9125978. 1991-12-08;
[4] Rhodes C G, Mahoney M W et al. Effect of frication stir welding on micro structure of 7075 aluminum. Scripta Materialia, 1997, 36(1): 69-75;
[5] Dawes C J. Thomas W M. Friction stir process welds aluminum alloys. Welding journal (Mia mi, Pal), 1996,75(3) 41～45;
[6] Thomas W M, Nicholas E D, Needham J C, Murch M G, Temple-Smith P and Dawes C J (TWI): Improvements relating to friction welding. European Patent Specification EP 0 615 480 BI;
[7] Midling O T: Marley E J. Sandvik A (Norsk Hydro, rights transferred to TWI). Frication stir welding. European Patent Specification EP 0752 926 BI;
[8] 栾国红 关桥 搅拌摩擦焊——革命性的宇航制造新技术 航天制造技术2003年8月第4期;
[9] D.J.Waldron and R.W Roberts Friction Stir Welding——A Revolutionary New Joining Method, Aerospace Automated Fastening Conference and Exposition, Long Beach, California, September 15-17,1998;
[10] 栾国红 郭德伦 张田仓 李 辉 革命性的宇航结构件焊接新技术——搅拌摩擦焊 航空制造技术 2002年第12期;
[11] An excel list with 551 FSW patents is available at
www.twi.co.uk /j32k /unprotecteded/bicary/FSWPatents.xls;
[12] 郝长岭 亢世江 陈学广 不断发展的固态焊接技术 焊接技术 工艺与新技术 2002年10月第31卷第5期;
[13] http://www.weld.labs.gov.cn ;
[14] http://www.weldinfo.net/front/weldmag/info_show.php?id=3555 ;
[15] 张田仓 郭德伦 栾国红 陈沁刚 固相连接新技术——搅拌摩擦焊技术 航空工艺技术 新工艺•新技术•新设备 1999年第2期;
[16] 王德庆 刘日明 丁成钢 刘书华 搅拌摩擦焊接技术的发展现状 大连铁道学院学报 第23卷第1期 2002年3月;
[17] 栾国红 郭德伦 关桥 张田仓 飞机制造产业中的搅拌摩擦焊研究 航空制造技术 专题综述 2002年第10期;
[18] 傅志红 黄明辉 周鹏展 贺地求 搅拌摩擦焊及其研究现状 焊接2002(11) p6-11;
[19] 柯黎明 邢丽 刘鸽平 搅拌摩擦焊工艺及其应用 南昌航空产业学院学报 1999年9月第13卷第3期;
[20] 张华 林三宝 吴林 冯吉才 栾国红 搅拌摩擦焊研究进展及远景展看 焊接学报 第24卷第3期 2003年6月;
[21] 赵衍华 林三宝 吴林 冯吉才 搅拌摩擦焊应用及焊接设备简介 电焊机 第34卷第1期 2004年1月;
[22] 范平章 搅拌摩擦焊在航天产业中的应用与发展 航天制造技术 2003年6月第3期;
[23] 王元良 周有龙 胡久富 屈金山 解决运载工具铝合金焊接困难的新途径——搅拌摩擦焊 电焊机 第34卷第1期 2004年1月;
[24] 栾国红 柴鹏 孙成彬 关桥 汽车制造驶上搅拌摩擦焊之路 电焊机 第34卷第1期 2004年1月;
[25] 严铿 蒋成禹 李敬勇 邹家生 先进的搅拌摩擦焊 轻合金加工技术 2003，Vol. 31，No 11 ;
[26] 曹朝霞 刘书华 王德庆 陈春焕 搅拌摩擦焊工艺探索与研究 大连铁道学院学报 第23卷 第4期 2002年12月;
[27] 史耀武 唐伟 搅拌摩擦焊的原理与应用 电焊机研究与设计，vol30，2000(1):6-9;
[28] 栾国红 郭德伦 张田仓 孙成彬 铝合金的搅拌摩擦焊 焊接技术 第32卷第1期 2003年2月;
[29] 栾国红 南利辉 孙成彬 关桥 新型船舶制造技术-搅拌摩擦焊 《热加工工艺》2004年第1期;
[30] 何建军 刘明宇 杨宗辉 搅拌头——搅拌摩擦焊的心脏 电焊机 第34卷第1期 2004年1月;
[31] 赵家瑞 一种焊接新工艺在迅速发展——搅拌摩擦焊 焊接技术 2000年12月第29卷增刊;
[32] 夏德顺 王国庆 搅拌摩擦焊接在运载火箭上的应用 导弹与航天运载技术 2002年第4期 总第258期;
[33] 姚君山 张彦华 王国庆 孟凡新 搅拌摩擦焊技术研究进展 宇航材料工艺 2003年第4期;
[34] 栾国红 搅拌摩擦焊的应用现状与发展趋势 机械工人（热加工） 第17届中国焊接展览会专辑 2003年第5期;
[35] What is friction stir welding. TWI Frequently asked question,
www.twi.co.uk/j32k/band_9/faqplt002.html;
[36] Joelj D. The friction stir welding advantage. Welding journal, 2001, 80(5): 30-34;
[37] Li Y, Trillo E A, Murr L E. Friction-stir welding of aluminum alloy 2024 to silver. Journal of Materials Science Letters, 2000, 19(12): 1047-1051;
[38] Sato Y S, Koka Wa H, Enomoto M et al. Precipitation sequence in frication stir weld of 6063 aluminum during aging. Metallurgical and Materials Transactions A: Physical Metallurgy and Materials Science, 1999, 30(12): 3125-3130;
[39] Oerrelt G, Babu S S, David S A et al. Effect of thermal cycling on frication stir welds of 2195 aluminum alloy. Welding journal (Mia mi, Fla), 2001, 80(3): 71-79;
[40] Benavides S, Li Y, Murr L E, Brown D, McClure J C. Low-temperature frication-stir welding of 2024 aluminum. Scripta Mater., 1999; 41(8): 809-815;
[41] 刘萝威 轻合金焊接工艺在航空航天上的应用 航天制造技术 2002年4月第2期;
[42] COLLIGAN K J. Weld Root Closure Method for Friction Stir Welds[P].Us Patent 5，769，306，1998;(end)
