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C型攪拌摩擦焊的現(xiàn)狀與發(fā)展
1 前言
1991年,英國(guó)焊接研究所（The Welding Institute-TWI）發(fā)明了攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding-FSW），這項(xiàng)杰出的焊接技術(shù)發(fā)明正在為世界制造技術(shù)的進(jìn)步做出貢獻(xiàn)。
在國(guó)外,攪拌摩擦焊已經(jīng)在諸多制造領(lǐng)域達(dá)到規(guī)?；?、工業(yè)化的應(yīng)用水平。如在船舶制造領(lǐng)域，在1996年攪拌摩擦焊就在挪威MARINE公司成功地應(yīng)用在鋁合金快速艦船的甲板、側(cè)板等結(jié)構(gòu)件的流水線制造。在軌道車輛制造領(lǐng)域，日本HITACHI公司首先于1997年將攪拌摩擦焊技術(shù)應(yīng)用于列車車體的快速低成本制造，成功實(shí)現(xiàn)了大壁板鋁合金型材的工業(yè)化制造。在世界宇航制造領(lǐng)域，攪拌摩擦焊已經(jīng)成功代替熔焊實(shí)現(xiàn)了大型空間運(yùn)載工具如運(yùn)載火箭和航天飛機(jī)等的大型高強(qiáng)鋁合金燃料貯箱的制造，波音公司的DELTA II型和IV型火箭已經(jīng)全部實(shí)現(xiàn)了攪拌摩擦焊制造，并于1999年首次成功發(fā)射升空。2000年世界汽車工業(yè)，如美國(guó)TOWER汽車公司等就利用攪拌摩擦焊實(shí)現(xiàn)了汽車懸掛支架、輕合金車輪、防撞緩沖器、發(fā)動(dòng)機(jī)安裝支架以及鋁合金車身的焊接。2002年8月，美國(guó)月蝕航空公司利用FSW技術(shù)研制出了全攪拌摩擦焊輕型商用飛機(jī)，并且首次試飛成功。
2 攪拌摩擦焊的技術(shù)特點(diǎn)
攪拌摩擦焊作為一項(xiàng)新型焊接方法，用很短的時(shí)間就完成了從發(fā)明到工業(yè)化應(yīng)用的歷程。目前,在國(guó)際上還沒有針對(duì)攪拌摩擦焊公布的統(tǒng)一技術(shù)術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)，在攪拌摩擦焊專利許可協(xié)會(huì)的影響下，業(yè)界已經(jīng)對(duì)攪拌摩擦焊方法中所涉及到的通用技術(shù)術(shù)語進(jìn)行了定義和認(rèn)可。下圖示出了攪拌摩擦焊所用到的主要描述性術(shù)語。
攪拌摩擦焊是一種在機(jī)械力和摩擦熱作用下的固相連接方法。如圖1所示，攪拌摩擦焊過程中，一個(gè)柱形帶特殊軸肩和針凸的攪拌頭旋轉(zhuǎn)著緩慢插入被焊接工件，攪拌頭和被焊接材料之間的摩擦剪切阻力產(chǎn)生了摩擦熱，使攪拌頭鄰近區(qū)域的材料熱塑化（焊接溫度一般不會(huì)達(dá)到和超過被焊接材料的熔點(diǎn)），當(dāng)攪拌頭旋轉(zhuǎn)著向前移動(dòng)時(shí)，熱塑化的金屬材料從攪拌頭的前沿向后沿轉(zhuǎn)移，并且在攪拌頭軸肩與工件表層摩擦產(chǎn)熱和鍛壓共同作用下，形成致密固相連接接頭。
攪拌摩擦焊具有適合于自動(dòng)化和機(jī)器人操作的諸多優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于有色金屬材料（如鋁、銅、鎂、鋅等）的連接,在焊接方法、接頭力學(xué)性能和生產(chǎn)效率上具有其他焊接方法無可比擬的優(yōu)越性，它是一種高效、節(jié)能、環(huán)保型的新型連接技術(shù)。
但是攪拌摩擦焊也有其局限性，例如：焊縫末尾通常有匙孔存在（目前已可以實(shí)現(xiàn)無孔焊接）；焊接時(shí)的機(jī)械力較大，需要焊接設(shè)備具有很好的剛性；與弧焊相比,缺少焊接操作的柔性；不能實(shí)現(xiàn)添絲焊接。
攪拌摩擦焊對(duì)材料的適應(yīng)性很強(qiáng)，幾乎可以焊接所有類型的鋁合金材料，由于攪拌摩擦焊接過程較低的焊接溫度和較小的熱輸入，一般攪拌摩擦焊接頭具有變形小、接頭性能優(yōu)異等特點(diǎn);可以焊接目前熔焊“不能焊接”和所謂“難焊”的金屬材料如：Al-Cu(2xxx系列) 、Al-Zn(7xxx系列)和Al-Li(如8090、2090 和2195鋁合金)等鋁合金。
另外，攪拌摩擦焊對(duì)于鎂合金、鋅合金、銅合金、鉛合金以及鋁基復(fù)合材料等材料的板狀對(duì)接或搭接的連接也是優(yōu)先選擇的焊接方法；目前，攪拌摩擦焊還成功地實(shí)現(xiàn)了不銹鋼、鈦合金甚至高溫合金的優(yōu)質(zhì)連接。
攪拌摩擦焊可以較容易實(shí)現(xiàn)異種材料的連接，例如鋁合金和不銹鋼的攪拌摩擦焊接，利用攪拌摩擦焊可以較方便的實(shí)現(xiàn)鋁－鋼板材之間的連接和銅鋁復(fù)合焊接接頭。
3 攪拌摩擦焊在國(guó)外的發(fā)展
攪拌摩擦焊作為一種輕合金材料連接的優(yōu)選焊接技術(shù)，已經(jīng)從技術(shù)研究，邁向高層次的工程化和工業(yè)化應(yīng)用階段,形成了一個(gè)新的產(chǎn)業(yè): 攪拌摩擦焊設(shè)備的制造、攪拌摩擦焊產(chǎn)品的加工.如在美國(guó)的宇航制造工業(yè)、北歐的船舶制造工業(yè)、日本的高速列車制造等制造領(lǐng)域，攪拌摩擦焊得到了廣泛的應(yīng)用,均已形成新興產(chǎn)業(yè)。
4激光輔助攪拌摩擦焊
激光輔助攪拌摩擦焊（LAFSW）是一種新改進(jìn)的攪拌摩擦焊，攪拌摩擦焊是近10年開發(fā)的工藝。
在攪拌摩擦焊里，焊接熱能是來自工具和工件之間摩擦熱量。由于這種工藝需要相對(duì)大的力，因此，在攪拌摩擦焊中使用的設(shè)備笨重且昂貴。激光輔助攪拌摩擦焊用激光能源加熱工件，而攪拌頭的主要作用是攪拌和連接工件2部分。由于這種原因，激光輔助攪拌摩擦焊是一種相對(duì)簡(jiǎn)單和廉價(jià)的方法。
為了克服攪拌摩擦焊中存在的不足，如（1）裝夾焊接工件的夾具較大，需要很大的力向前移動(dòng)焊接工具，焊接工具磨損率相對(duì)高；（2）用感應(yīng)線圈方法加熱不能保證正確的位置、焊接攪拌頭和夾具裝置都受到加熱感應(yīng)線圈的影響及用感應(yīng)線圈作媒介加熱及僅適用于導(dǎo)體材料，并不能用于其他非金屬和非導(dǎo)體材料。人們開發(fā)了的激光輔助攪拌摩擦焊 。這種方法由通用銑床和Nd：YAG激光器改造成的。激光能源在旋轉(zhuǎn)攪拌頭前面有限范圍內(nèi)預(yù)熱工件。這樣，旋轉(zhuǎn)的攪拌頭前面的工件體積、塑性增加（插圖1）。然后，采用與普通FSW工藝一樣的方法連接工件。旋轉(zhuǎn)工具前面的高溫軟化了工件，并且可以不用強(qiáng)大夾具裝夾就能夠保證連接。向前移動(dòng)焊接工具只需很小的力，所以減少了磨損。對(duì)于激光能源這種工藝的優(yōu)點(diǎn)還有焊接能力較高，焊接中不會(huì)引起過多的磨損。商業(yè)用的激光器，具有很精確地激光直徑控制裝置，因此，控制工件的受熱區(qū)域和激光源到達(dá)工件的數(shù)量，并且保持系統(tǒng)的其他部位的受熱是比較容易的。
目前激光輔助攪拌摩擦焊的焊接工藝已經(jīng)被證明。激光能預(yù)熱工件的使用標(biāo)志著在焊接工具和工件中需要提供較大的力的降低，用這種改進(jìn)的方法簡(jiǎn)化了使用，因此使用經(jīng)濟(jì)的焊接方法已成為可能。另外，較高的焊接速度在改進(jìn)中獲得了較好的效益。
5攪拌摩擦焊――鑄鋁的高效連接技術(shù)
針對(duì)ZL114A合金廣泛應(yīng)用，中國(guó)攪拌摩擦焊中心對(duì)該材料的攪拌摩擦焊工藝適應(yīng)性進(jìn)行了開發(fā)， 試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該材料的攪拌摩擦焊工藝適應(yīng)性良好，接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到了母材的91%，接頭力學(xué)綜合性能優(yōu)于電子束等熔焊方法。 ZL114A合金（舊牌號(hào)為ZAlSi7Mg1A），是在ZL101A合金基礎(chǔ)上增加Mg元素的含量發(fā)展起來的Al-Si-Mg系高強(qiáng)度鑄造鋁合金。它既具有優(yōu)良的鑄造工藝性能，又具有較ZL101A合金更高的力學(xué)性能。由于其優(yōu)越特性，在航空航天制造業(yè)中，廣泛用于制造重要部位的大型薄壁結(jié)構(gòu)件。ZL114A合金應(yīng)用前景廣闊，產(chǎn)生了對(duì)材料高效連接技術(shù)的迫切需求。因采用熔焊方法，熱輸入量較大，焊接變形大，難以滿足薄壁件精度要求；并且焊縫易出現(xiàn)氣孔、夾渣、未焊透、燒穿、裂紋等缺陷，缺陷率高；而且焊前焊后處理工序較繁瑣。 攪拌摩擦焊是一種新興的金屬固相連接技術(shù)，金屬在焊接過程中不熔化，熱輸入量??；焊縫的連接是在金屬受擠壓的狀態(tài)下完成的，焊接接頭不會(huì)產(chǎn)生熔化焊焊接接頭的氣孔和裂紋等一類缺陷，焊縫缺陷少；攪拌摩擦焊類似于機(jī)械加工過程，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，而且沒有熔化焊中的電壓，電流，強(qiáng)光，金屬粉塵等現(xiàn)象，工作環(huán)境環(huán)保清潔。最重要的是，攪拌摩擦焊接頭的力學(xué)性能優(yōu)于熔焊接頭。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明焊接接頭的抗拉強(qiáng)度達(dá)到了母材的91％，試樣延伸率達(dá)到了2.5％，接頭組織晶粒細(xì)化、均勻而致密，消除了母材的鑄造缺陷。ZL114A母材與焊接接頭微觀組織對(duì)比，可觀察到焊核區(qū)微觀組織是無方向性的、細(xì)小的等軸晶粒，母材區(qū)為粗大的樹枝狀鑄造組織。攪拌摩擦焊是一種區(qū)別于熔化焊和機(jī)械連接的新型焊接技術(shù)，基于其技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在航空制造業(yè)中的應(yīng)用具有巨大的潛在性，為各種輕質(zhì)合金高效連接，提供了解決途徑和方法。
6攪拌摩擦焊接在運(yùn)載火箭上的應(yīng)用?
運(yùn)載火箭貯箱常用的材料是比強(qiáng)度高、比剛度高的鋁合金，如2014，2219和7075 鋁合金?，F(xiàn)在，運(yùn)載火箭貯箱又采用性能更好的2195鋁鋰合金。在航天產(chǎn)品中，特別是在制 造運(yùn)載火箭貯箱中，焊接工藝是一項(xiàng)關(guān)鍵的制造技術(shù)。熔焊技術(shù)如氣體鎢極電弧焊（GTAW ）和氣體金屬電弧焊（GMAW）自20世紀(jì)50年代起，在雷神、宇宙神、大力神、土星和德爾它 系列運(yùn)載火箭貯箱的制造中使用了幾十年，從焊接設(shè)備、焊接材料、焊接工藝等方面作了大量的研究工 作，滿足了焊接質(zhì)量的需要。同時(shí)，為了提高焊接質(zhì)量和降低成本，20世紀(jì)80年代美國(guó)又采 用了變極性等離子弧焊（VPPA）焊機(jī)，并配備了先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，代替了GTAW和GMAW ，焊接了2219-T87鋁合金制的航天飛機(jī)外貯箱，使焊接工藝在貯箱的制造中向前邁進(jìn)了一 大步。迄今為止，雖然焊接質(zhì)量有所提高，焊接時(shí)間有所縮短，但仍不能徹底解決焊縫及近縫區(qū)的裂紋和減少焊接氣孔等缺陷問題。1991年英國(guó)劍橋大學(xué)焊接研究所（TWI）發(fā)明了攪 拌摩擦焊接(FSW)。這種焊接技術(shù)焊接的鋁合金變形小、冶金和力學(xué)性能高、成本低和焊接時(shí)間短。
挪威在世界上最早用FSW焊接技術(shù)焊接過6 mm×16 m2的6068-T6鋁合金船面板和20 m長(zhǎng)的鋁合金制的快艇，焊接總長(zhǎng)達(dá)10 000 m。瑞士也研制出FSW焊機(jī)。為了加速FSW焊 接技術(shù)在工業(yè)上的應(yīng)用，1995年國(guó)際合作公司贊助了一項(xiàng)計(jì)劃，由TWI研究所牽頭繼續(xù)研究FSW，并用FSW焊接2000系（AlCu）、5000系（AlMg）、6000系（AlMgSi）等鋁合金，并均獲得滿意的焊接質(zhì)量。TWI研究所、美國(guó)愛迪生焊接研究所（EWI）等部門，除了研究用FSW焊接鋁合金外，還研究用它焊接黑色金屬及其它金屬。美國(guó)的航空航天工業(yè)部門對(duì)F SW開展了更多的應(yīng)用性研究，如洛馬公司、波音公司投入了大量的研制經(jīng)費(fèi)，僅花在FSW 焊接工藝和設(shè)備研制上的費(fèi)用就達(dá)1500萬美元，成功地焊接了德爾它Ⅱ～Ⅳ的運(yùn)載火箭貯箱 。
由于FSW是在比被焊合金材料熔點(diǎn)溫度低的條件下完成的固態(tài)連接，所以金屬材料沒有熔化，焊接收縮變形小和力學(xué)性能損失低，與傳統(tǒng)的GMAW和GTAW熔焊技術(shù)焊接鋁合金相比，有著突出的優(yōu)點(diǎn)：
a）不需要?dú)?、氦保護(hù)氣體和填充材料，焊接時(shí)不需要控制焊接電流和電弧電壓參數(shù)，節(jié)省了大量材料的消耗。
b）焊前不需要對(duì)被焊接材料和焊絲仔細(xì)清理、酸洗、打磨和烘干等，不必對(duì)被焊接材料機(jī)械加工開剖口，節(jié)省了許多操作時(shí)間。
c）焊工不要求有高的操作技術(shù)。
d）焊接能量效率高，單層焊接6000系鋁合金可達(dá)12.7 mm厚度，因此適合于自動(dòng) 化生產(chǎn)。
e）不存在鋁合金焊接主要缺陷，即裂紋敏感性問題，因此，容易焊接難以焊接的鋁合金材料，如7075鋁合金。
f）由于FSW可以保持合金的冶金性能，所以可焊接金屬基復(fù)合材料和快速凝固材料。
g）采用最佳的焊接參數(shù)，可以獲得無氣孔的焊縫。
h）可以焊接異種金屬，如鑄造和擠壓、鑄造和鍛造材料等。
i）用FSW可以焊接許多通常不能夠焊接的長(zhǎng)而大的橫截面零件。
J）焊接大尺寸擠壓件變形很小。
k）焊接前工件裝配要求低，待焊接表面根部不必緊配合，根部裝配間隙允許公差低， 1.6 mm厚薄板根部裝配間隙為0.2 mm，12.7 mm厚板為1.25mm。
?FSW是一項(xiàng)適合于焊接鋁合金的新技術(shù)。因?yàn)樗枪虘B(tài)焊接，與熔焊鋁合金技術(shù)相比，具有3個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)：
a）固態(tài)連接消除了與熔焊有關(guān)的裂紋，即液化或固化裂紋。在最佳焊接條件下完全消除氣孔。
b）不存在焊縫金屬蒸發(fā)產(chǎn)生的合金元素?fù)p失，焊縫合金元素得到保存，因此焊接質(zhì)量得到保證。
c）由于焊接工具對(duì)材料產(chǎn)生的碾壓、攪拌和鍛造作用，可得到比基體金屬更為細(xì)小的再結(jié)晶組織，焊縫金屬?gòu)?qiáng)度超過了焊接熱影響區(qū)材料的強(qiáng)度。
用于運(yùn)載火箭貯箱的材料2014-T6高強(qiáng)度鋁合金（中國(guó)牌號(hào)為L(zhǎng)D10）是比較難焊接的金屬材料，其焊接熱裂紋傾向性高，焊接接頭強(qiáng)度系數(shù)為0.5左右，塑性不高，延伸率僅2%～3 %，補(bǔ)焊性能差。FSW焊接后的接頭彎曲試樣證明：接頭塑性明顯提高，彎曲角達(dá)180°，拉 伸試樣均斷在焊縫金屬外的熱影響區(qū)。2014-O狀態(tài)拉伸試樣破壞均斷在基體金屬。與熔焊接頭相比，F(xiàn)SW焊接接頭 的抗拉強(qiáng)度高30%～50%，焊接接頭的強(qiáng)度系數(shù)達(dá)0.7，斷裂韌性提高，疲勞性能與鉚接 的相同。2519-T87高強(qiáng)度鋁合金有優(yōu)異的沖擊性能，用于海軍先進(jìn)的水陸兩用攻擊型戰(zhàn)車，但用普通熔焊時(shí)，焊接接頭塑性低，不能通過必須的沖擊驗(yàn)收試驗(yàn)，經(jīng)FSW焊接后的焊接接頭比熔焊接頭塑性提高，強(qiáng)度相同，成功地通過了彈道沖擊試驗(yàn)。2195-T8鋁鋰合 金采用FSW焊接，焊接接頭力學(xué)性能比VPPA焊接接頭力學(xué)性能高得多。
FSW發(fā)展很快，已有10年。自從1995年以來，歐洲、美國(guó)和日本等一些國(guó)家對(duì)FSW開展了應(yīng)用性研究，特別是美國(guó)航空航天工業(yè)部門高度重視該技術(shù)，并用它 成功地焊接了以往難以焊接的7075鋁合金低溫燃料貯箱，其力學(xué)性能很好。5454鋁合金焊接后有很好的抗腐蝕性。?
當(dāng)前各國(guó)都在研究不同鋁合金，不同接頭形狀的焊接，著手建立材料焊接力學(xué)性能數(shù)據(jù)庫，建立飛機(jī)和航天工業(yè)用鋁合金焊接標(biāo)準(zhǔn)，并將FSW應(yīng)用擴(kuò)大到汽車、造船 、鐵路 、建筑、壓力容器等部門。同時(shí)研究熔點(diǎn)高的鈦合金材料，包括金屬基材料在內(nèi)的泡沫鋁合金材料的焊接。?
FSW焊接主要依靠設(shè)備完成，研究的重點(diǎn)是夾持器和特型指棒。研究證明：工具的形狀決定了焊縫金屬塑性加熱、熱塑性材料的流動(dòng)和鍛造形式；夾持器的尺寸決定了焊縫 的尺寸、焊接速度；工具材料決定了摩擦加熱速度、夾持器的強(qiáng)度、工件溫度；所以，夾持器決定了焊縫的最終質(zhì)量。在各國(guó)的專利中，為了焊接出最好的力學(xué)性能和冶金性能、完全 無氣孔、光滑表面的焊縫，對(duì)各種各樣的特型指棒的形狀分別作了研究；對(duì)圓柱形夾持器的直徑2rs、幾何形狀、焊接速度ω、向下的作用力F以及 焊接材料厚度W的最佳配合作了研究，得出了以下結(jié)論：
FSW是一種最新的非常適合于焊接鋁合金的工藝技術(shù)，具有焊接變形小、質(zhì)量高和成本低等優(yōu)點(diǎn)。雖然發(fā)展時(shí)間不長(zhǎng)，在運(yùn)載火箭貯箱制造等領(lǐng)域已經(jīng)獲得應(yīng)用，并在進(jìn)一步 擴(kuò)大。由于這種焊接工藝在航空航天工業(yè)部門的重要性，又極具潛力，目前關(guān)鍵性的焊接規(guī)范參數(shù)和工具技術(shù)還處于保密階段。我國(guó)應(yīng)要盡早開展 FSW在航天工業(yè)上的研究，用于高強(qiáng)度鋁合金制造的產(chǎn)品中。?