学术干货│关于搅拌摩擦焊你想知道的都在这

1 搅拌摩擦焊的原理

搅拌摩擦焊是指利用高速旋转的焊具与工件摩擦产生的热量使被焊材料局部塑性化，当焊具沿着焊接界面向前移动时，被塑性化的材料在焊具的转动摩擦力作用下由焊具的前部流向后部，并在焊具的挤压下形成致密的固相焊缝。

常用术语解释

（1）前进侧（Advancing Side, AS）和后退侧（Retreating Side, RS）：以搅拌摩擦焊缝中心为界，焊缝分为两侧，它由焊具的旋转方向和前进方向所决定。在焊缝的前进侧，焊具的旋转方向与焊具的前进方向相一致；而在焊缝的后退侧，焊具的旋转方向与焊具的前进方向相反。

作用：在前进侧有部分材料向前流动，也有部分材料向后流动，并在该侧发生较大的混合；而在后退侧的材料只是向后流动，且有部分材料进入前进侧。焊具前上部区域的塑化金属主要向下流动，焊具前下部区域的塑化金属主要沿焊具由后退侧向前进侧流动；焊具后部区域上层的塑化金属有向前、向上流动的趋势，焊具附近中下部区域的塑化金属向下、向后流动。

（2）焊具或搅拌头（Welding Tool）：用于搅拌摩擦焊接的特制焊接工具称为搅拌摩擦焊具，简称焊具或搅拌头。搅拌摩擦焊具由针部（Pin）和肩部（Shoulder）组成，二者又称搅拌针和轴肩。

作用：轴肩—通过摩擦提供焊接区材料塑化所需的热能。轴肩端部形状是内凹的，可保证其下方的软化材料在焊接过程中受到向内的作用力并发生聚集，防止已经塑性化的材料从焊接区中溢出，并对搅拌针后方所形成的空腔进行填充，保证焊缝良好成形。搅拌针—除了通过摩擦提供焊接所需的一部分热量外，主要是机械地破坏待焊母材原有的对接面，并使附近区域受到强烈的搅拌，造成对接表面及其附近材料的充分混合，形成具有大变形特征的、由细小等轴晶粒组成的焊核。

（3）焊核区（Weld Nugget Zone, WNZ）：焊缝中心部分称为焊核区，该区域在焊具强烈搅拌摩擦作用下发生显著的塑性变形和完全的动态再结晶，形成细小、等轴晶粒的微观组织。

（4）热力影响区(Thermal-Mechanically Affected Zone, TMAZ)：邻近WNZ的外围区域为TMAZ，在焊具的热力作用下发生塑性变形和部分再结晶，形成由弯曲而拉长晶粒组成的微观组织。

（5）热影响区 (Heat Affected Zone, HAZ)：TMAZ以外的部分区域为HAZ，没有受到焊具的机械搅拌作用，只在摩擦热的作用下发生晶粒长大现象，形成较为粗大的微观组织。

搅拌摩擦焊过程如图1所示，微观组织区的分布如图2所示。

图1 搅拌摩擦焊的原理图

图2 接头的微观组织区的组成（BMZ为母材）

搅拌摩擦焊的优点：FSW焊缝经由塑性变形和动态再结晶形成，其微观组织细密、晶粒细小、不含熔焊的树枝晶。与传统的熔焊方法相比，没有飞溅和烟尘，没有合金元素烧损、裂纹和气孔等缺陷，不需要添加焊丝和保护气体；在焊接接头力学性能方面，比TIG和MIG焊具有明显的优越性；对于有色金属材料(如铝、镁、锌、铜等)的连接，在焊接方法、接头力学性能以及生产效率等方面．FSW都显现出其他焊接方法无可比拟的优越性。

2 搅拌摩擦焊的应用

日前应用FSW成功连接的材料有Al合金、Mg合金、铅、锌、铜、不锈钢、低碳钢等同种或异种材料，搅拌摩擦焊主要应用在航天、航空、船舶、车辆和核能等领域。

航空：波音公司首次投资1500万美元，由GMAW工艺转向FSW工艺，焊接缺陷率降低10倍，产品性能提高30%以上。应用搅拌摩擦焊接的飞机已经在波音公司起飞。

船舶：中航工业北京赛福斯特技术有限公司自主研发成功了中国第一台船舶带筋壁板搅拌摩擦焊设备，该设备可以焊接长度 12m、宽度6m、厚度 12mm 的铝合金带筋壁板，满足了中国海军新型导弹快艇的研制需求。

汽车工业：轿车车门的连接已经采用搅拌摩擦焊技术连接，效果良好，如图3所示。

图3 轿车车门的FSW连接

3 搅拌摩擦焊的发展方向

（1）搅拌摩擦焊接复合技术

包括复合运动式，热源辅助式、随焊激冷式，图4为往复式搅拌摩擦焊的原理图，原理是搅拌头在搅拌摩擦焊接过程中周期性地进行正转与反转的往复运动；图5为歪斜式搅拌摩擦焊的原理图，原理是利用不对称的搅拌头实现搅拌摩擦焊接。焊接过程中，搅拌头中心轴与焊机旋转中心轴存在一个倾角，从而对焊缝实现歪斜式搅拌。

图4 往复式搅拌摩擦焊

图5 歪斜式搅拌摩擦焊

（2）搅拌摩擦改性技术

包括表面直接改性和铸造材料改性等。表面直接改性的原理为利用只有轴肩而没有搅拌针的搅拌头对工件表面进行摩擦，搅拌头所经过的区域即形成了一道表面改性层，多道搭接即可实现表面改性的目的。

参考文献：

[1] 姚君山, 张彦华, 王国庆, 等．搅拌摩擦焊技术研究进展[J]．宇航材料工艺, 2003, (4):23-29.

[2] 栾国红, 郭德伦. 搅拌摩擦焊技术在中国的发展和推广应用[J]. 航空制造技术2014, (17):71-75.

本文由材料人编辑部金属材料学术组teliduxing供稿，材料牛编辑整理。

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