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搅拌摩擦焊技术应用现状及发展趋势

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搅拌摩擦焊技术应用现状及发展趋势

篇1：搅拌摩擦焊技术应用现状及发展趋势

搅拌摩擦焊技术应用现状及发展趋势

概述了搅拌摩擦焊技术的'原理及发展历程,详尽地介绍了搅拌摩擦焊在国内航空航天、船舶、轨道交通、汽车、兵器、电子等工业领域的应用现状,并指出搅拌摩擦焊发展中存在的问题及发展趋势.

作者：栾国红 Luan Guohong 作者单位：北京航空制造工程研究所中国搅拌摩擦焊中心刊名：航空制造技术 ISTIC英文刊名：AERONAUTICAL MANUFACTURING TECHNOLOGY 年，卷(期)： “”(z1) 分类号：V2 关键词：搅拌摩擦焊轻合金焊接航空航天

篇2：搅拌摩擦焊技术（五）－搅拌摩擦焊的应用

搅拌摩擦焊经历十几年的研究发展，已经进入工业化应用阶段，搅拌摩擦焊在美国的宇航工业、欧洲的船舶制造工业、日本的高速列车制造等制造领域得到了非常成功的应用。

船舶制造和海洋工业是搅拌摩擦焊首先获得应用的领域，主要应用于船舶零部件的焊接上，如甲板、侧板、防水壁板和地板；还有船体外壳和主体结构件等。已成功焊接了6m ×16m的大型铝合金船甲板。此甲板采用厚度甲板6mm、宽为200-400mm的6082-T6铝合金进行纵逢拼焊焊成。在航空制造方面，搅拌摩擦焊在飞机制造领域的开发和应用还处于试验阶段。主要利用FSW实现飞机蒙皮和衍梁、筋条、加强件之间的连接，以及框架之间的连接。图2-32 是欧洲计划用搅拌摩擦焊焊接的空中列车A319机、A321机和大型空中列车A380的机身结构图。图2-32 搅拌摩擦焊焊接的空中列车机身结构（图中箭头所指）在航天领域，搅拌摩擦焊已经成功应用在火箭和航天飞机助推燃料筒体的纵向对接焊缝和环向搭接接头的焊接，如图2-33 所示。用ESAB公司生产的称为SuperStir的搅拌摩擦焊机焊接了直径2.4m、板厚22.2mm、型号为-T6铝合金δ火箭燃料筒的纵缝，与MIG焊相比，搅拌摩擦焊缺陷率很低，MIG焊焊缝长832cm出现一个缺陷，而搅拌摩擦焊焊缝长7620cm出现一个缺陷，相当MIG焊的1/10。最近在δⅣ火箭中搅拌摩擦焊焊接的1200m长焊缝中无任何缺陷出现，图2-33 搅拌摩擦焊焊接的运载火箭低温燃料筒在铁道车辆中，搅拌摩擦焊已经用来制造高速列车、货车车厢、地铁车厢和有轨电车等；搅拌摩擦焊为汽车轻合金结构的制造也提供了巨大的可能。图2-34为高速列车用结构25m长的搅拌摩擦焊焊缝。图2-34 日本新干线高速列车结构在建筑工业方面，采用搅拌摩擦焊焊接了蜂窝状结构的大型地面。面板厚为2.5mm、翅板厚为5mm、中心高为100mm，焊接规范为搅拌头转速1500rpm，焊接速度250 mm/min。此外，搅拌摩擦焊在铝合金桥梁和铝合金、镁合金、铜合金的装饰板的制造中获得了应用。在电子工业方面，搅拌摩擦焊已用于大型铝合金散热片的焊接，使散热片具有很好的热性能和耐振动特性。铜的熔点和热传导率比铝高，铜及铜合金采用一般熔焊方法也是极困难的。在欧洲用搅拌摩擦焊制作了大型铜容器，用来储藏高能放射性物质，将盖和筒体焊接在一起，熔深为58mm，搅拌头的肩部直径为60mm，接头附近的温度高达750℃。与非真空电子束焊相比，非真空电子束焊的焊速为254mm/min，而搅拌摩擦焊为100.4mm/min，焊速较慢，但没增加热输入，所以能满足要求。为了实现搅拌摩擦焊的三维空间焊接，应积极研制和开发机器人搅拌摩擦焊，因受机器人臂的刚性和载荷能力的限制，目前有报道开发了缺陷修补的机器人搅拌摩擦焊。采用3kw的马达作为搅拌头的驱动，机器人臂载荷限制在150kg，搅拌头的转速为1000～1600rpm，焊速350mm/min。采用机器人搅拌摩擦焊焊接了6061-T6铝合金，接头强度为230Mpa，修补焊缝的强度为225 Mpa，其机械性能达到母材的55%～60%。随着人们对搅拌摩擦焊技术认识的提高，预计在不远的将来，铝合金材料的连接将主要由搅拌摩擦焊来完成，尤其在运载火箭、高速铝合金列车、铝合金高速快艇、全铝合金汽车等项目中搅拌摩擦焊技术将会占到主导地位。

篇3：搅拌摩擦焊技术（二）－搅拌摩擦焊工艺

1.接头形式

关于这种新焊接方法的接头形式，推荐如图2-5所示的各种接头形状，

搅拌摩擦焊技术（二）－搅拌摩擦焊工艺

。通常搅拌摩擦焊采用平板对接和搭接形式进行焊接。它也可实现多种接头的焊接，如多层对接、多层搭接、T形接头、V形接头、角接等，并在实际工业制造中得到了应用。对于角接来说，由于此种焊接方法焊接的焊缝没有增高，原来的接头设计标准已不适用，必须对接头侧的形状进行很好的设计，才能实现焊接。由图2-5（d）可以看到，多重板可实现一次焊接，这是此种焊接方法的一大优点。图2-5 搅拌摩擦焊接头形状图除了以上典型接头形式外，经过不断的开发研究，针对不同的结构零件，研究人员设计了多种其它接头形式，如图2-6所示。图2-7所示为热容量差较大的厚大工件与小薄件的焊接接头。厚大工件为铸态材料，薄件为轧制板材。工业生产中，搅拌摩擦焊不仅可以焊接筒形零件的环缝和纵缝，还可以实现全位置空间焊接，如水平焊、垂直焊、仰焊以及任意位置和角度的轨道焊。图2-7 不同厚度的铸铝和锻铝的搅拌摩檫焊接头的宏观断面2. 工艺参数的选择(1)焊接速度焊接速度是根据搅拌头的形状和被焊金属来定。几乎与MIG焊相同，或稍比MIG焊快一些，一般为30-100cm/min不同的被焊金属在不同板厚情况下最大焊接速度如图2-8所示。由图可以看出，在板厚为5mm时，焊接铝的焊速最大为700mm/min；焊接铜的焊速为100mm/min；焊接铝合金时焊速处于500mm/min∽150mm/min范围内；异种铝合金的焊接焊速极低。镁的材料常数为400，比系铝合金的材料常数600还低，所以推荐在低速下进行焊接。图2-8 各种材料的搅拌摩擦焊临界焊接速度计算值焊接速度也可用如下公式进行计算：（mm/min）式中 ΦFSW: 材料常数；ΨFSW: 搅拌棒常数，通常为1，高效率的搅拌头可取为2；t: 板厚, 单位为mm材料常数ΦFSW的大小，除了以上给出的一些金属的数据外，可通过图2-8的数据用以上公式换算出来。在使用以上公式计算时，一定要注意，t是以mm为计量单位的无量纲数带入的。搅拌摩擦焊的焊接速度也与搅拌头转速有关，搅拌头的转速与焊接速度可在比较大的范围内选择，只有焊接速度与搅拌头转速相互配合才能获得良好的焊缝。图2-9为5005铝镁合金的搅拌摩擦焊焊接速度与搅拌头转速的关系图，从图中可以看出，焊接速度与搅拌头的转速存在一最佳范围。在高转速低焊接速度的情况下，由于接头获得了搅拌过剩的热量，焊缝金属由肩部排出形成飞边，使焊缝外观显著不良。在低转速或高焊速度范围内，由于获得的热量不足，焊缝金属的塑性流动不好，焊缝会产生空隙（中空）状的缺陷，乃至产生搅拌指棒的破损。最佳范围因搅拌头特别是搅拌指棒的形状不同而不同。对于同一合金材料的搅拌摩擦焊，目前都是在适合范围内的较高焊速下进行施焊。图2-9 5005铝合金搅拌摩擦焊的最佳规范图图2-10为不同合金的最佳焊接规范参数。由图可以看出，6000系Al-Si-Mg铝合金（6N01）的搅拌摩擦焊的工艺适用性比5000系Al-Mg合金适用范围要大得多。图2-10 各种铝合金的搅拌摩擦焊的最佳规范参数(2) FSW的热输入搅拌摩擦焊的热输入是以搅拌头的转速与焊接速度之比来表示，即1mm焊缝长度的搅拌头的转数，相对于电弧焊的焊接热输入定义来说，搅拌摩擦焊的热输入不是单位能的概念。搅拌摩擦焊是把机械能转变成热能，它的产热与搅拌头的转速大小有关。因而以搅拌头的转速与焊接速度的比值大小，可定性的说明在搅拌摩擦焊焊接过程中对母材热输入的大小。比值越大，说明对母材的热输入越大。此值的大小，也对应着被焊金属焊接的难易程度。搅拌头的转速与焊速的比值，一般在2～8之间。搅拌摩擦焊的热输入在此值范围内，可获得无缺陷的优良焊接接头。搅拌摩擦焊对母材的热输入即搅拌头的转速与焊速的比值，根据被焊合金不同而取不同的数值。在实际生产中，焊接5083铝合金时此值可以取较小的值，焊接7075铝合金时可以取稍大一些，焊接2024铝合金时此值可以取较大的值。在实际应用时此比值不能取得过小，如果过小，焊缝会产生缺陷。(3)接头的精度被焊工件对接接头的装配精度比电弧焊要求更加严格。在搅拌摩擦焊时，接头的装配精度要考虑如图2-11所示的几种情况，即接头间隙、错边量大小和搅拌头中心与焊缝中心的偏差。①接头间隙及接头错边量图2-11接头间隙、错边量及中心偏差图2-12 接头精度对机械性能的影响接头的精度和搅拌头的位置有关。图2-13表示了搅拌头肩部的直径与允许接头间隙的关系。从图中可以看出搅拌头的肩部直径越大，允许接头间隙越大。这是因为搅拌头肩部本身也与被焊金属的塑性流动现象有着极大的关系，间接说明了搅拌头的形状、肩部直径或形状有一个最佳形状。图2-13 搅拌头直径对允许接头间隙的影响搅拌头肩部表面与母材表面接触程度，在焊接过程中也是一个很重要的因素。可通过焊接结束后的搅拌头肩部外观来判别焊接时的搅拌头旋转的方向，以及搅拌头肩部表面与母材表面接触程度。即搅拌头肩部表面完全被侵蚀，说明搅拌头肩部表面与母材表面接触是正常的；当肩部周围75%表面被侵蚀，说明搅拌头肩部表面与母材表面接触程度是在允许的范围内；肩部表面被侵蚀在70%以下，说明搅拌头肩部表面与母材表面接触不良，这种情况是不允许的。② 搅拌头中心的偏差在搅拌摩擦焊时，搅拌头的中心与焊接接头中心线的相对位置，对焊接接头的质量，特别是焊接接头的机械强度有很大的影响。图2-14是搅拌头的中心位置对焊接接头抗拉强度的影响。此图也表示出了搅拌头中心位置与焊接方向以及搅拌头旋转方向之间的关系。图2-14 搅拌棒中心位置对接头抗拉强度的影响从图中可见，对于搅拌头旋转的反方向侧，在搅拌头的中心与焊接接头中心线偏差2mm时，对焊接接头的机械性能几乎无影响；而在与搅拌头旋转方向相同方向一侧，搅拌头的中心与焊接接头中心线偏差2mm时，便会造成焊接接头的机械性能显著降低。当搅拌头的搅拌指棒直径为5mm时，搅拌头的中心与焊接接头中心线允许偏差为搅拌指棒直径的40%以下，这是对于FSW焊接性好的材料而言，而对于焊接性较差的其它合金，允许范围就小得多。为了获得优良的FSW焊接接头，搅拌头的中心位置必须保持在允许的范围内。接头间隙和搅拌头中心位置都发生变化时，对其中一个因素必须要严格控制。例如，接头间隙在0.5mm以下，搅拌头的中心位置大致允许偏差2.0mm。另外，还要考虑接头中心线的扭曲、接头间隙的不均匀性、接合面的垂直度或平行度等。在确定FSW工艺参数时，要考虑搅拌指棒的形状及焊接胎夹具等因素。此外还应考虑FSW焊机的其它部分对缺陷产生的可能性。这些因素对确定FSW最佳规范也有一定的影响。

篇4：搅拌摩擦焊技术研究与应用

搅拌摩擦焊技术研究与应用

陈湘陵谢振中

课题：湖南省科技厅自然科学课题，课题编号：CK3056。

搅拌摩擦焊技术，即Friction Stir Welding，简称FSW。其作为固态连接技术范畴内的新型焊接技术，自CJ?Dawes等科学家正式宣布发明之后，以其较好的使用性能很快被推广开，并应用于各个方面，特别是在一些重工业，例如核电核能、航空航天、车辆船舶等。由于搅拌摩擦焊接技术本身的发展需要，加之其独特性与不可替代性，都将会是未来焊接技术发展必然方向之一。本文概述搅拌摩擦焊技术相关概念，同时介绍焊接技术在国内外的发展趋势，还较为详细地分析了该技术在航天、船舶、道路交通之中的应用，为提高并强化搅拌摩擦焊技术的理论基础尽一份小小的薄力，促进搅拌摩擦焊技术的发展。

一、搅拌摩擦焊技术概述

1.搅拌摩擦焊技术简介及原理

作为新技术的搅拌摩擦焊（该项专利技术由T h eWelding Institute，即英国焊接研究所开发，开发时间1991年），与常规摩擦焊相比，虽然焊接热源同是利用摩擦热产生，但是其最大的不同之处就在于利用高速旋转搅拌头缓慢插入到被焊工件的待焊部位，利用搅拌头和被焊材料之间的摩擦阻力而产生的摩擦热，高温软化连接部位材料，并在搅拌头轴肩的压力作用下，达到工件间永久性连接的目的。该技术是以固相连接工艺实现的焊接技术。

2.搅拌摩擦焊技术优点

与传统焊接方法相比，搅拌摩擦焊技术具有以下几个优点。

一是焊前不需进行复杂的准备，被焊材料不熔化，焊接接头性能优良，固相连接接头强度高，可实现全方位焊接；

二是焊接过程可靠性高，尺寸精度高，生产率高，成本低且节能；

三是具有广泛的工艺适应性，能有效减小或消除冶金化学反应问题，能焊接性能差异很大的异种金属材料，亦可焊接同一台设备的金属和非金属材料；

四是安全环保，焊接过程整洁，不会产生飞溅、辐射的情况，或产生有害物质。

二、搅拌摩擦焊技术研究现状

1.国外研究现状

在国外，搅拌摩擦焊接技术的发展已是十分成熟，理论体系也较为系统。但目前的搅拌摩擦焊的研究和应用主要还是铝合金、钢材等高熔点材料。而最早提出的英国焊接研究所早已在世界各国申请专利，寻求知识产权的保护，并向世界许多机械行业的科研院、大学或公司授权搅拌摩擦焊接技术的非独占性专利许可。各国研究人员在此基础上，又加快了设备的研制和材料搅拌摩擦焊接的工程化实验技术，以及多样化焊接接头形式的研究。

例如，美国航空航天局的Delta系列火箭与Eclipse小型商务机，以及阿里亚娜火箭发动机、日本新干线等等。而在挪威，已用该技术焊接快艇的长为20m的铝合金结构件；美国洛克希德-马丁航空航天公司用该技术焊接了航天飞机外部储存液态氧的低温容器，在马歇尔航天飞行中心，也已用该技术焊接了大型圆筒形容器。

2.国内研究现状

早在，我国就已展开了搅拌摩擦焊技术的研究，并在的第九届全国焊接学术会议上，以及出版的新版《焊接手册》中介绍了该项技术。此后，由关桥院士主持在航天系统开展搅拌摩擦焊技术的.研究和应用；4月份，“中国搅拌摩擦焊接中心”在北京饭店成立，被英国焊接研究所授予独家许可权，即拥有发放和管理中国区域的搅拌摩擦焊接技术的专利许可。直至今日，研究搅拌摩擦焊接技术与设备的学院、研究所已达到20几家单位，其中包括有清华大学、南昌航空工业学院、哈尔滨理工大学、中科院沈阳金属所等。

历经几十年的发展，该技术在国内已经具备了从工艺、设备、控制、检验等整套完备的专业技术规模，并且在基础理论研究上也形成了一定的独立体系。我国科技工作者高度重视，除了对搅拌摩擦焊的机理、力学性能、搅拌头等展开深入研究外，还先后开展了对铝合金紫铜、PVC塑料、钛合金、镁合金等材料搅拌摩擦焊工艺的研究。

三、搅拌摩擦焊技术应用现状

1.航空应用

在航空领域中，自1995年，美国、日本、英国等发达国家开展了对FSW在航天工业中的应用性研究后，便开始一系列的研究与应用。例如，飞机制造零部件的装配一改传统的铆接和螺栓连接技术，采用FSW，不仅可提高制造速度，同时又能减轻飞机结构重量。而目前波音公司已经成功实现了飞机门的曲线FSW焊接，战斗机裙翼上薄板T形接头的搅拌摩擦焊连接，并用FSW焊接生产了DeltaⅡ和Ⅲ运载火箭的贮箱等等。巴西航空工业公司采用了FSW技术为莱格赛500喷气公务机实现了首次应用。FSW技术的出现为航空航天工业设计和制造提供了一种新的方法和途径，并逐步投入到实际生产过程中。

2.船舶应用

在船舶工业中，FSW的应用主要是船舶甲板、侧板，以及水上观测站、防水壁板、船体外壳、主体结构件等的制造，还有直升机降落平台、海洋运输结构件等。此技术的应用，特别是在船舶轻合金预成形结构件上的应用，不仅能减少铆接和弧焊连接所带来的时间、人力和物力上的浪费，还能有效地减少铝合金熔焊时所产生变形、缺陷和烟尘等问题，是促使船舶制造技术发展和革命性变化的重要角色，为现代船舶制造提供了新的连接方法，也是现代焊接技术发展的又一次飞跃。例如，由挪威Gydro MarineAluminium铝板厂生产的无缺陷FSW铝板，用于船舶的甲板、壳体、船舱壁等部位的焊接；日本住友轻金属公司采用FSW生产的铝质蜂窝结构板件和耐海水板材等等。

3.陆路交通应用

在陆路交通上，FSW主要的应用领域为高速或轨道列车，以及地铁车厢、有轨电车，汽车的引擎、底盘、轮毂、车身支架、载货车尾部升降平台、汽车起重器，以及装甲车的防护甲板等等。而法国Alstom、丹麦DanStir正致力于车辆部件FSW工业化的研究；日立公司市郊特快列车车辆的单层和双层挤压件连接时也采用FSW技术；日本住友轻金属公司已将FSW工艺用于地铁车辆，并生产FSW焊接板用于日本新干线车辆的制造。

，在我国，FSW在列车制造领域应用取得了突破性进展。例如，中国搅拌摩擦焊中心通过静龙门式搅拌摩擦焊设备实现车钩座的批量化焊接应用；南车集团株洲电力机车厂研制的地铁车厢侧墙壁板通过了技术鉴定，并首次在广州三号地铁车辆中投入了批量化制造。

四、结论

随着人们对搅拌摩擦焊技术认识的提高，除了在以上所述三个方面之外，在其他如铝合金桥梁、装饰板、发动机壳体、电气连接件等方面，FSW也将会有广泛的应用。因此，如何提高焊接的速度，提高接头的性能，有效地降低成本……都是我们业内人士必须要认真思考的问题。笔者相信，随着我们进一步地深入研究，FSW会朝着更为成熟、多元的方向发展，并被广泛地应用于人们日常生活、工作、学习的各个方面。

（作者单位：湖南化工职业技术学院）

篇5：绿色船舶制造技术-搅拌摩擦焊

绿色船舶制造技术-搅拌摩擦焊

基于船舶制造的`要求和搅拌摩擦焊技术的特点,搅拌摩擦焊技术在船舶上的应用可以部分实现船舶制造的绿色化.铝合金在船舶上的应用经历了焊接件、挤压型材和搅拌摩擦焊拼焊挤压型材3个阶段.本文阐述了搅拌摩擦焊用于船舶制造的优点,介绍了该技术在国内外船舶制造方面的发展现状.

作者：季亚娟栾国红 Ji Yajuan Luan Guohong 作者单位：北京航空制造工程研究所刊名：航空制造技术 ISTIC英文刊名：AERONAUTICAL MANUFACTURING TECHNOLOGY 年，卷(期)：2007 “”(z1) 分类号：V2 关键词：船舶搅拌摩擦焊挤压型材铝合金

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