搅拌摩擦焊工艺研究现状

２０１＇年第４期　（总第１４０期）　大众科技　ＤＡＺＨＯＮＧ　ＫＥ　Ｊ　Ｎｏ．４。２０１１　（Ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅｌｙ　Ｎｏ．１　４０）　搅拌摩擦焊工艺研究现状　党杰’＇２王俊勃’　（１．西安工程大学，陕西西安７１００４８；２．西安航空职业技术学院，陕西西安７１００８９）　【摘要】介绍了搅拌摩擦焊的原理、研究现状及应用，　并对该焊接方法的应用前景进行了展望。　【关键词】搅拌摩擦焊；工艺；合金；塑料　【中图分类号】ＴＧ４５３＋．９　【文献标识码】Ａ　【文章编号１　１００８—１１５１（２０１１）Ｏ４—０１３２—０１　搅拌摩擦焊（Ｆｒｉｃｔｉｏｎ　Ｓｔｉｒ　Ｗｅｌｄｉｎｇ，简称ＦＳＷ）是英国焊　接研究所（ＴＷＩ）于２Ｏ世纪９０年代开发的一种基于摩擦焊基本　原理的新型固相连接技术。搅拌摩擦焊不需要填充材料和保　护气体，能耗低，对环境无污染，是一种理想的绿色连接技　术。自其问世以来，就倍受世界各工业发达国家焊接界的青　睐。许多公司、大学、科研院所都投入了大量的资金，进行　与之相关的研究工作，以期将该技术推广应用于工业领域，　减轻结构重量，提高综合性能，促使航空航天、汽车、船舶　等工业迅速发展。　搅拌头特形指棒和搅拌头材料三个因素。　（二）研究现状及应用　１．金属　关于搅拌摩擦焊工艺的特点和应用，ＴＷＩ进行了较多的研　究，起初主要用于解决铝合金等低熔点材料的焊接。如今，　又主要与航空航天、海洋、道路交通、焊接设备制造厂等大　公司联合，团体合作研究开发包括钢的搅拌摩擦焊、交通构　件的搅拌摩擦焊、铝合金搅拌摩擦焊、钛的搅拌摩擦焊、汽　（一）搅拌摩擦焊概述　１．搅拌摩擦焊工作原理　搅拌摩擦焊是一种新兴的焊接工艺，其工作原理如图ｌ　所示，搅拌头由夹持器与特形指棒两部分构成。焊接时，搅　拌头高速旋转并首先使特形指棒迅速钻进被焊对接板的焊　缝，夹持器的圆柱体端面与工件表面紧密接触，进而夹持器　带着施焊特形指棒沿着焊接方向移动，由于旋转的特形指棒　与工件的摩擦作用而产生大量的热作用，加上夹持器轴间与　车轻型构件的搅拌摩擦焊等项目，不断扩大搅拌摩擦焊的应　用范围。美国的爱迪生焊接研究所、海军研究所、德克萨斯　大学、和阿肯色斯大学、马丁航空航天公司、马歇尔航天飞　行中心、德国的大学、澳大利亚焊接研究所等都从不同角度　对搅拌摩擦焊进行了专门的研究。　其中，美国空军研究所主要研究了搅拌摩擦焊接的参数、　温度场、异种材料的焊接等。日本大阪大学主要研究了搅拌　头旋转速度和焊接速度的影响，指出焊缝峰值温度产生于搅　拌区，其大小随着旋转速度和焊接速度增大而增大过低的旋　转速度和焊接速度会引起焊接缺陷。　从理论技术角度，Ｍｕｒｒ等研究了ｉ　１００铝合金搅拌摩擦焊　过程的动态再结晶，在搅拌头旋转速度和焊接速度分别为　４００ｒ／ｍ和ｌｍｍ／ｓ的条件下，对焊后铝合金板进行显微组织观　察，结果表明，柱状晶组织是搅拌摩擦焊的主要组织。　Ｒｈｏｄｎｅｖ　Ｃ　Ｇ等研究了７０７５板搅拌摩擦焊的显微组织，　结果表明，焊缝组织为典型的再结晶组织，其晶粒尺寸为　２－４　Ｉｌ　ｍ，强化相在焊接过程固溶，在随后的冷却过程中形成　大量的沉淀强化相。　Ｓａｊｍ　Ｈａｎａｄｉ　Ｇ等研究了２０９５铝合金薄板搅拌摩擦焊后　的超塑性，通过比较焊接区与母材的超塑性，发现焊后材料　的超塑性被保留了下来。　Ｃｏｎｔｒｅｒａｓ　Ｆ等研究了Ｂｅ—Ａ１粉末冶金合金的搅拌摩擦焊　被焊板件表面辅助的摩擦热，使得在搅拌头特形指棒周围的　材料熔融，由于搅拌力的作用被转移到特形指棒后侧，形成　焊缝。　图ｌ　２．搅拌头的选定　搅拌头是搅拌摩擦焊接过程中的核心，高速旋转时会使　被焊材料得到热塑化，从而使搅拌头能够沿着待焊接结合面　向前移动。在搅拌头的作用下，热塑化的被焊接材料从前部　向后部转移，并形成可靠的焊缝。　搅拌头外形设计和材料的选择会直接影响到搅拌摩擦焊　接，焊接区的硬度比母材高４３％，这是由于焊接区发生再结晶，　形成细小的Ｂｅ和Ａｌ等轴晶组织之故。　我国目前己有很多家单位、学校、科研院所等都在进行　搅拌摩擦焊方面的研究。这些研究单位包括北京搅拌摩擦焊　中心、哈尔滨工业大学、南昌航空工业学院、西北工业大学、　大连铁道学院、上海交通大学、华东船舶工业学院、兰州理　工大学、清华大学、中南大学、天津大学等。研究的主要内　焊缝质量的好坏，所以搅拌头的选定主要包括搅拌头轴间、　【收稿日期】２０１１一叭一２０　容涉及接头微观组织、接头力学性能、材料流动行为、焊接　温度场和热循环及焊接设备等。　（下转第１２４页）　【作者简介】党杰（１９７９一），男，陕西澄城人，西安航空职业技术学院教师，西安工程大学在职研究生；王俊勃（１９６６　一），男，西安工程大学硕士生导师，从事材料学教学与研究。　１３２—　．操作简单，胶合强度好，但耐水、耐热性差；脲醛树脂胶胶　合强度较高，耐水、耐热比聚酯酸乙烯乳液胶好，但胶层易　老化，耐久性差；酚醛树脂胶强度最高，但成本高，施工条　件高，胶层颜色深。皮胶、骨胶的粘合强度也较高，但遇水　易溶。所以，使用环境湿度高或木料含水率高的榫接合应尽　量不选用皮胶、骨胶，而应选用脲醛树脂胶或酚醛树脂胶。　而榫接合的胶层有表面质量要求的榫接合，应尽可能不用脲　醛树脂胶。通过合理选择使用粘剂，可以更好保证榫接合的　强度。　胶粘剂的浓度大小，对木制品的榫接合强度也有直接影　响。胶粘剂的浓度过低，胶的固体份含量少，胶层干燥后达　不到应有的厚度，很难保证胶层的胶合质量，胶的浓度过大，　施工操作时，难于涂布均匀，也同样难于保证胶层质量，同　样不便于保证榫接合强度。在自然固化的条件下，冬天使用　的胶粘剂应选用浓度大些，夏天温度高、固化速度快，胶粘　剂的浓度可选低些。如果榫接合的木料是密度较大，硬度较　高的木质，胶粘剂的浓度小些，利于胶液浸入木材表面，材　质松软的木料，宜选用浓度大的胶粘剂，使胶粘剂不会浸透，　流失形不成理想胶层，以便保证榫接合强度。　在生产实践中，常常看到一些年轻的工人师傅在装配榫　头涂布胶液时，往往是把胶液涂在榫头的端面，榫头装配后，　很难在榫头两侧形成胶层，榫接合的强度就会很难保证。正　确的做法应该是把胶液均匀涂布在榫头厚度的两个侧面，从　而保证榫接合的胶合质量，才能提高榫头的接合强度。　性、木材横向干缩要成倍高于纵向干缩。榫头的厚度和榫头　的宽度方向均为木材的横向，所以在选择用料时要有所区分，　材质好、硬度高，干燥质量好的木料应用作榫头的用料。做　榫孔的木料，它的材质与榫头的材质相同或稍软。选用木料　时，还应注意避开斜纹、节疤及其他缺陷。通过正确选择用　料，能保证榫接合有足够的强度。　（五）正确选择接合方式　以榫头贯通或不贯通来分，榫接合有明榫接合和暗榫接　合，明榫接合的榫头端面暴露于外表面，影响美观，但明榫　的榫头较长，装配后再加木楔，因此，明榫的要比暗榫的强　度高，所以，受力大的结构的非透明装饰的木制品都应采用　明榫接合，当木制品美观要求与榫接合强度要求相矛盾时，　才应采用暗榫接合。　插入式圆榫与整体式方榫相比，通常情况下，圆榫的接　合强度要低于整体方榫的接合强度，用中密度等人造板制作　的木制品，就只宜采用圆榫接合。为保持较高的接合强度，　必须使榫头榫孔接触面紧密，形成０．１毫米左右的过盈量，　同时又能形成胶层，所以，使用圆榫接合应选用表面有压缩　纹路的圆榫，来进行接合。螺旋状压缩纹的圆榫，具有木螺　钉那样的抗拨能力，需要边拧边拨才能使木圆榫拨起，在人　造板中选用这插入式圆榫接合，便能有效提高榫接合的强度。　单榫与双榫比较，单榫的接合强度要比双榫的接合强度　低，所以单榫应适用方料断面小的零件或受力不大的部位。　而双榫的接合强度大，则应用于方料断面大或受力大的接合　部位。为什么不把单榫都改成双榫，如果把断面小的方料加　成双榫，榫头厚度就很难保证应有的尺寸。一般榫头厚度约　为榫孔方料宽度的一半。榫头的厚度越小，榫头强度下降越　大，榫头因厚度过小易被拆断，榫头接合就无保证强度可言。　单肩榫与双肩榫相比，单肩榫的接合强度要低于双肩榫　的接合强度。因此，一般情况都应采用双肩榫接合，单肩榫　只能用于方料尺寸过小，或接合强度要求不是很高的地方。　榫头的结构形式繁多，榫接合的方式多种多样。如何能　正确选择使用榫接合的种类方式，要根据榫接合的受力大小，　使用部位、材质、工艺要求等因素进行综合考虑，正确选择　榫接合的方式才有利于提高榫接合的强度。　（四）正确选用木材材质　不同的树种，木材的材质决然不同，同一树种，产地不　同，木材的材质也不同，同一树种不同的部位，木材的材质　也有明显的差别。如弦切部分的木料，花纹美丽，但材质易　变形，干缩湿胀现象严重，而径切部分的木料，虽然花纹不　好看，但木质的尺寸稳定性能好，不易产生干缩变形，力学　性能、机械强度也是最好。在制作榫接合，就应选用这一部　分材质来进行制作。树种差异，材质的差异也就更加明显。　水曲柳、花梨木、榉木等一类硬木树种的密度大，硬度高，　尺寸稳定性好，选作榫接合的木料，是最理想的用料。泡桐　树，杉木等软木树种，由于其材质松软，硬度、强度差，这　种软材树种就不宜选作榫接合的用料。由于木材存在各向异　（上接第１３２页）　王希靖对铝合金、铜合金等的搅拌摩擦焊机理、焊缝性　行焊接。对于一定厚度的塑料板，只要焊接参数选择恰当，　就能获得令人满意的焊接接头。　能、异种材料的搅拌摩擦焊等进行了实验研究，汪建华等研　究了搅拌摩擦焊的传热和力学计算模型，张田仓等分别研究　了ＬＦ６及ＬＦ１２搅拌摩擦焊的接头强度和残余应力，栾国红等　研究了５０８３铝合金搅拌摩擦焊接头的疲劳性能。　２．塑料　塑料材料作为有机高分子材料的重要分枝，应用已遍及　国民经济各个部门和人们生活的各个领域，在工业、农业、　交通运输到国防建设等各行各业中发挥着越来越重要的作　用。实践证明，它与传统的金属材料相比，具有质轻（质量　仅为钢材的Ｉ／７～１／５），比强度高（目前承载压力可达　２．５ＭＰａ），比刚度高，耐腐蚀性能好等优点。在不少场合，　采用塑料解决了用不锈钢所不能解决的腐蚀难题，以及还具　有耐磨、绝缘、符合能力强等特点。为此，塑料的连接问题　也日益重要，传统的焊接塑料的方法有热风焊、热压焊、热　（三）前景展望　搅拌摩擦焊能形成较好地焊缝，可以应用于超塑性成型　领域。从理论上讲，如果焊针在被焊材料的塑化温度下具有　足够的热强度，则所有能够受摩擦加热局部塑化的材料都能　进行搅拌摩擦焊。因此，可以预见，随着材料科学和焊接工　具的发展，可应用ＦＳＷ焊接的材料会更加广泛，ＦＳＷ技术也会　在各个工业领域得到更好的推广。　【参考文献】　『１１　Ｔｈｏｍａｓ　ＷＭ．Ｆｒｉｃｔｉｏｎ　ｓｔｒｉ　ｂｕｔｔ　ｗｅｌｄｉｎｇ．Ｉｎｔｅｒｍａｔｉｏｎａｌ　Ｐａｔｅｎｔ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．　Ｎｏ．ＰＣＴ／ＧＢ９２／０２２０３　ａｎｄ　ＧＢ　Ｐａｔｅｎｔ　Ａｐｐｈｃａｔｉｏｎ　Ｎｏ．９１２５９７８．８，Ｄｅｃ．１９９１．　［２］ＣｏＵｉｇａｎ　Ｋ　Ｊ，Ａｖｉｌａ　Ｓ　Ｊ．Ｆｒｉｃｔｉｏｎ　Ｓｔｉｒ　Ｗｅｌｄｉｎｇ．ＵＳ　Ｐａｔｅｎｔ　５７９４８３５，１９９８．　［３】张田仓，郭德伦，栾国红，等．固相连接新技术一搅拌摩擦焊　技术Ⅱ】．新工艺・新技术・新设备，１９９９，（２）：３５２３９．　对挤焊等，但它们的焊前准备时间都太长，而且焊接工艺参　数难于控制。因此，考虑研究用搅拌摩擦焊方法焊接塑料。　目前，关于这方面的报道非常少。但也已经有人研究用搅拌　摩擦焊方法焊接聚氯乙烯（ＰＶＣ）和聚乙烯（ＰＥ）塑料板材，　且试验及结果分析表明：塑料板材可以用搅拌摩擦焊方法进　．［４】李亚江，王娟，夏春智．特种焊接技术及应用【Ｍ］．北京：化学　工业出版社（第二版），２００８：２３０－２３１．　『５１　Ｌｉ　Ｙ，Ｔｒｉｌｌｏ　Ｅ　Ａ，Ｍｕｒｒ　Ｌ　Ｅ．Ｆｒｉｃｔｉｏｎ－ｓｔｉｒ　ｗｅｌｄｉｎｇ　ｏｆ　ａｌｕｍｉｎｕｍ　ａｌｌｏｙ　２０２４　ｔｏ　ｓｉｌｖｅｒ．　Ｔｏｕｍａｌ　ｏｆ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｌｅｔｔｅｒｓ，２０００，１９（１２）：１０４７－１０５１．　１２４．