先进的搅拌摩擦焊技术.pdf

第5 8 罄第1 期 2 006 年2 川 有色金属 N ㈣f esM e t a l sF e b r u a r y20 06 先进的搅拌摩擦焊技术 黄华1 一，董仕节1 ，刘静2 1 湖北汽车工业学院材料工程系，湖北十堰4 4 2 0 0 2 2 武汉科技大学材料与冶盘学院，武汉4 3 0 0 8 1 摘 要舟绍搅拌摩擦焊接技术特点及研究和应用现状，分析搅拌摩擦焊接技术的发展趋势。 关键词{ z I I L 材料；搅拌摩擦焊；综述 中国分类号T G 4 5 39 q G 4 5 71 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 6 0 1 0 0 6 0 1 4 搅拌摩擦焊 [ r i c t l o ns t i rw e l d i n g ，简称F S W 是 由英国焊接研究所 7 1 “ h eW e l d i n gI n s t i t u t e ，简称 T w I 于1 9 9 1 年提出的一种固态连接方法1 15 j ，于 1 9 9 3 年和1 9 9 5 年在世界许多国家申请了知识产权 保护[ 12 , 6 0 ] 。此技术原理简单，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 而具有广泛的工业应用前景和发展潜力。有关搅拌 摩擦焊接头的组织、力学性能 包括断裂、疲劳、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点。 搅拌摩擦焊技术是世界焊接技术发展史上自发 明到工业应用时问跨度最短和发展最快的一项固相 连接新技术一“。截止2 0 0 2 年9 月1 5 日，得到英国 焊接研究所 1 、v I 搅拌摩擦焊专利技术许可的用户 己经有7 8 家，与搅拌摩擦焊技术相关的专利技术有 5 5 1 项l “ 1 0J ，用户已覆盖2 4 个国家和地区。著名 的B o e i n g 、N A S A 、B A Y ．、H O N D A 、G E 、H I T A C H I 、 M A R T I N 等公司都购买了此项技术，并已在航天、 航空、车辆、造船等行业得到成功地应用- 1 0 ““。 l 搅拌摩擦焊原理覆工艺 搅拌摩擦焊的焊接原理如图1 所示[ 1 ”2 ⋯。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入两块对接板材之 间的焊缝处。一般来讲，搅拌指头的长度接近焊缝 收稿日期2 0 0 , 11 22 0 作者简介黄华 1 9 8 1 ，男，胡』匕荆州市人．硬士生，主要从事 搅拌摩擦焊工艺等方面的研究。 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周围形成大量的塑化 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，也可以用其他 焊接方法封焊住口1 2 “。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 圈1 搅拌摩擦焊原理 F i g1P r i n c i p l eo f [ f i c t i o ns t i rw e l d i n g 万方数据 第l 期黄华等先进的搅拌摩擦焊技术 6 的摩擦是主要的热量来源。 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周围产生的热量，并 且直接影响到焊缝的组织和性能。 2 搅拌摩擦焊技术优势 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[ 2 8 一圳。 绌幽刨邕 盼％眵诺j 图2 几种搅拌摩擦焊的接头形式 F i g2S e v e r a lt y p e so fF S wj o i n t s 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，而且能焊接许多熔化焊接性能差 的金属，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，容易产生热裂纹和变形，因此焊接缺陷率高， 并且随着铝合金中台金元素含量的增加，这些焊接 缺陷率会太大增加。若是采用搅拌摩擦焊，则因为 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问的连 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 缝组织和大大提高焊接接头的力学性能，并且排除 可能产生的熔焊缺陷。搅拌摩擦焊焊缝组织分区如 图3 所示0 1 2 - 1 4 _ 15 。，分为A ～D 四个区域。A 区为母 材区 b a s i cm e t a l ，简称B M 。B 区为热影响区 h e a t a f f e c t e di X h e ，简称H A Z ，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 t h e r em o m e c h a n i c a l l ya f f e c t e d ∞n e ，简称T M A Z ，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T M A Z 之问通常有明显的界限，但在其他没 有热致相变的材料中，如在纯钛、口钛合金、奥氏体 不锈钢和铜中，似乎T M A Z 整体已再结晶化，产生 了无应变再结晶．这可熊使得H A Z ／T M A Z 的边界 难以精确划分。D 区为焊核 d y n a m i c a l l yr e c r y s t a l ． 1 i z e dz o n e ，简称D X Z ．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 巾，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轻微的重结晶。焊核由 纤细的经动态再结晶的等轴晶构成，晶粒尺寸比母 材小得多。5 0 8 3 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，经过时效处理后，强度接近于 基体材料的强度L 1 “。 图3 搅拌摩擦焊焊缝分区示意 F i g3 F o u ra r e ao ff r i c t i o n8 t i tw d d3 c a n 2 3工业应用 基于这种固相连接技术的明显优越性，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，很少的焊前准备和焊接 变形等，国内外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2 0 0 0 系列 A 1C u 、5 0 0 0 系列 A t M g 、6 0 0 0 系列 A I M g S i 、7 0 0 0 系列 A I Z n 、 8 0 0 0 系列 A I I ，i 高强铝台金‘如q 1 | ，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 擦焊有着广泛的工业应用前景。 许多大学、研究所、公司都在继续进行与该技术 相关的研究工作，以期用于飞机、轻型节能汽车、高 速列车、船舶等结构的焊接，减轻结构质量，提高的 综合性t f E 5 , 3 2 3 6 】。 综合起来，搅拌摩擦焊在世界工业领域的应用 主要包括以下方面。 1 船舶和海洋工业。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。 2 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。 3 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 万方数据 有色金属第5 8 卷 件、起落架仓盖、外挂燃料箱。 4 车辆工业。高速列车、轨道货车、地铁车厢、 轻轨电车。 5 汽车工业。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。 6 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。 7 其他工业。发动机壳体、冰箱冷却板、电器 分封装、天然气、液化气贮箱、轻合金容器、家庭装 饰、镁合金制品等。 4 发展前景 由于搅拌摩擦焊焊缝组织好、接头力学性能优 异，因而在许多工业领域获得了广泛应用。在航天 工业中，搅拌摩擦焊工艺在飞行器铝合金结构制造 中已显示出强劲的技术创新活力，给传统制造工艺 带来了革命性的改革。1 9 9 8 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 D e l t a 运载火箭的推进剂贮箱- 3 刘；N A S A 及格马公 司正在评估该工艺用于连接2 1 9 5 A 1L i 合金的可行 性。在造船和车辆工业，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1 6 m [ ⋯。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商业设备，可焊接厚3 ～ 1 5 r a m 、6 m 1 6 m 的A l 船板，E S A B 公司正在制造可 供商业应用的搅拌摩擦焊机，计划安装在T w I ，用 来焊接尺寸为8 m 5 m 的工件，预计可焊接的工件 厚度为1 ．5 ～1 8 r a m 。搅拌摩擦焊已经在航字、船 舶、高速列车、汽车等制造领域的轻结构制造中显示 出广阔的应用前景。 1 9 9 5 年英国焊接研究所 T w I 在中国申请了 有关搅拌摩擦焊和搅拌头专利保护 专利号 Z 1 ．9 5 1 9 2 1 9 3 ．2 ，并且在1 9 9 9 年得到了中国知识产 权局的批准 批准号5 1 4 5 1 。2 0 0 2 年4 月1 8 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，并在 双方合作成立的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、F S W 工程应用开 发、F S W 设备的制造和销售以及全权负责中国搅拌 摩擦焊中心的F S W “二级许可权”的授权和管理。 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工程应用 正式进入中国市场。国内某些院校和研究所也开始 了这方面的研究工作，搅拌摩擦焊技术在中国也有 着应用前景。 5 结语 由于搅拌摩擦焊接技术拥有其他焊接技术不可 比拟的优势，因此拥有广泛的工业应用前景。随着 搅拌摩擦焊过程中的塑性流动行为研究，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，搅拌头形 状的设计与优化以及异种金属间的连接等方面研究 工作的进一步深入，搅拌摩擦焊技术将不断得到完 善，应用将更加广泛。 参考文献 【1 ] T h o m a sWM ，N i c h 。l a jED ，N e e d l ⅪmjG ，na iF r i c t i o ns t i rb u t tw e l d i n g B r i t i s h G BP a t e n tA p p l i g a t i o n ，9 1 2 5 9 7 8 ．8 【P ] 】9 9 1 ，0 9 0 6 [ 2 ] D a w e sCJ A n i n t r E x l u c t i o n I o f r i c t i o n5 t I r w e l d i n ga n d i t sd e v e l o p m e n t [ J ] ．W e l d i n g ＆M e t a l F a b f i c m i c a ，1 9 9 5 ， 1 1 2 1 6 [ 3 ] T h o m a sMW ，N i c h o l a sED ，N e e d h a mJC ，e ta 1 ．F r i c t i o ns t i rw e l d i n g ．B r i t i s h G BP a t e mA p p l i c a t i o n ，9 1 2 5 9 7 8 [ P ] 1 9 9 1 1 2 - 0 8 [ 4 ] R h o d e sCG ，M a h o n e yMWE f f e c to ff r i c a t i o ns t i rw d d i n go nm i c r as t r H c s H r eo f7 0 7 5a l u m i n u m [ J ] S c n p t aM a t e r i a l l a ， 1 9 9 7 ，3 6 1 6 9 7 5 [ 5 ] D a w c sCJ ，T h o m a s WM ．F r i c t i o ns t I r p r o c e s s w d d sa t u m m u ma l l o y s [ J ] W d d i n gJ o u m d M i a m i ，P a l ，1 9 9 6 ，7 5 3 4 1 4 5 [ 6 T h o m a s W M ，N i c h o l a ．s E D ，N c c d h a mJC ，e ta 1 ．T e m p l e S m i t hPa n d D a w e s CJ T W l l m p r o v m n e m sr e l a t i n g t o { r l c t i o n w e l d i n g E u r o p e a nP a t e n t ，E P06 1 5 4 8 0B I [ P ] 1 9 9 4 0 9 2 1 ． [ 7 ] M i d l i n g O T ，M a r l e y EJ ，S a n d v i k AF r i c a t i o ns t i r w e l d i n g E u r o p e a nP a t e n l ，E P0 7 5 29 2 6B I [ P ] 1 9 9 7 0 1 1 5 ． 万方数据 第1 期黄华等先进的搅拌摩擦焊技术 [ g ] 栾雹红．关桥搅拌摩擦焊革命性的宇航制造新技术【J ] 航天制造技术2 0 0 3 4 1 62 3 ． 【9JW a I d r o D ．DJ ，R o b e r t s R WF r i c t i o ns “r W c I d m g ar e v o l u t i o n a r yn e w 】o i n l n gn l c t h o d 【CJ ／／A e r o s p a c e A u t o m a t e dF a s t e n i n g C o n f e r e n c ea n dE x l x Ⅺi t i o nL o n gB c a c k ，C a l i f o r n i a1 9 9 8 1 5 1 7 【1 0J 栾昌红，郭德伦，张田仓，等革命性的宇航结构件焊接新技术一一搅拌摩擦焊[ J ] 航空制造技术，2 0 0 2 ， 1 2 3 l 一3 6 [ 儿] 郝长岭，亢世江，陈学广不断发展的固态焊接技术[ J ] 焊接技术，2 0 0 2 ，3 l 5 1 8 1 9 ． [ 1 2 ] 张田仓．郭德伦，栾国红，等．固相连接新技术搅拌摩擦焊技术[ J ] 航空工艺技术，1 9 9 9 ， 2 2 4 2 9 [ 1 3 ] 王德庆，刘日明，丁成钢，等搅拌摩擦焊接技术的发展现状[ J ] 大连铁道学院学报，2 0 0 2 ，2 3 1 7 5 7 8 ． [ 1 4 ] 栾国红，郭德伦，关桥，等飞机制造工业中的搅拌摩擦焊研究[ J ] 航空制造技术，2 0 0 2 ， 1 0 4 34 6 [ 1 5 ] 傅志红，黄明辉，周鹏展，等．搅拌摩擦焊及其研究现状[ J ] 焊接，2 0 0 2 ， 1 1 - 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M l i g a nKJW d dr o o tc l o s u r e Ⅱl e t h o df o rf r i c t i o ns t Ⅱw e l d s U S A ，5 7 6 9 3 0 6 【P J 1 9 9 8 0 62 3 ． A d v a n c e dF r i c t i o nS t i rW e l d i n gT e c h n o l o g y H U A N GH u n l2 ，D O N GS h i - j i e l ，L I U J i n 9 2 1 1D e p n r t ；n e m lo f M a t e r i a l E n g i n 删r l n g ．H “k A u t o m o t i w I n d u s t r i e s I n s t i t u t e ，S h i 3 口n4 4 2 0 0 2 ，H “船2 ，C h i n a ； 2o l l e g eo l M a t e r i a la m t M m e t a l l u r g y ，W u h a nU n i f J e r s i t yo f S c i e n c ea n d T e c h n o l o g y ，W u k a n4 3 0 0 8 1 ， 3 } i n a A b s t r a c t T h et e c h n o l o g i c a lf e a t u r e s ，r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o ns t a t u so ft h ef r i c t i o ns t i rw e l d i n gl e c h n o l o g ya r ed e s c r i b e d ．T h ed e v e l o p m e n tf o r e g r o u n do ft h ef r i c t i o ns t i rw e l d i n gt e c h n o l o g yi sp r o s p e c t e d K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；f r i c t i o ns t i rw e l d i n g ；r e v i e w 万方数据