汽车制造新技术——搅拌摩擦焊
目前最先进的焊接工艺——搅拌摩擦焊
目前最先进的焊接工艺，搅拌摩擦焊，你知道原理吗搅拌摩擦焊是由英国焊接技术研究所于1991年发明的新型焊接技术，其原理如下图所示。
一根安装在主轴上的形状为蜗杆形式的搅拌针在一定压力下被插入焊缝位置，搅拌针的长度一般要比焊缝深度略浅，以此来保证主轴的轴肩能紧贴被焊接的工件表面。
当工件与搅拌针和轴肩摩擦生热，焊缝附近的材料会因受热产生严重的塑性变形，但是，并不是熔化，只是成为一种“半流体”的状态，随着主轴带动搅拌针沿着焊缝的走向进给，搅拌针不断把已经处于“半流体”状态的材料搅拌到身后，当主轴离开后，这些材料将冷却固化，从而形成一条稳定的焊缝。
大家都知道，以铝合金和镁合金为代表的轻质合金是航空航天器的主要结构材料之一。
然而这些轻质合金的可焊性都非常差，传统的各种熔焊工艺都无法从根本上杜绝热裂纹、气孔和夹渣等这些焊接缺陷的产生，需要靠操作者具有非常高超的技术和工艺才能保证焊接质量。
并且，熔焊的高温会产生大量热量和有毒的烟气，这对操作者的身体健康也造成了很大的威胁。
而搅拌摩擦焊的出现从根本上解决了这一系列问题。
其次，相较于传统熔焊工艺在焊缝附近形成重新铸造形态，搅拌摩擦焊由于主轴会给被焊接的工件部位施加一个很大的压力，所以在焊缝附近得到的是锻造形态，这种锻造形态组织比铸造形态组织致密得多，因而焊接后零件的机械性能也比传统熔焊工艺做出来的好得多。
而搅拌摩擦焊最大的优势体现在其本质是把机械能转化成焊接所需要的热能，所以可以用特定的公式相当准确的计算出焊接热及其引发的工件热变形的量，从而为事前的补偿和事后的纠正提供了几乎不依赖操作者经验的定量的依据，这是任何一种传统焊接工艺都望尘莫及的。
此外，搅拌摩擦焊不需要焊料，这节约了不少成本，因为高端焊料往往都是非常昂贵的。
当然，搅拌摩擦焊也有自身不少的局限性，比如，只适合焊接熔点相对较低的材料(如铝合金、镁合金或者铜合金);工件需要承受很大的紧固力固定在工作台上，并以很大的压紧力压紧，这可能造成额外的变形;对于不规则的异形焊缝的焊接速度较慢，搅拌针和轴肩材料损耗速度较快等。
搅拌摩擦焊原理
搅拌摩擦焊原理
搅拌摩擦焊是一种固态焊接方法，通过机械震动和摩擦热来实现焊接。
其原理基于热塑性材料的可塑性和可变形性，通过摩擦热加热两个焊接件的接触面，使金属软化并形成可塑性，然后施加压力，使两个焊接件发生塑性变形混合，最终形成均匀的焊缝。
搅拌摩擦焊主要包括以下几个步骤：
1. 两个待焊接的金属件通过紧密贴合。
2. 在接触面之间施加一定的压力。
3. 使用专用搅拌头，通过高速旋转在接触面上施加摩擦力，引发摩擦热。
4. 随着摩擦热的积累，金属开始加热并软化。
5. 一旦达到足够的软化温度，停止搅拌并继续施加压力，使两个金属件发生塑性变形。
6. 继续施加压力，使金属在接触面上混合，形成焊缝。
7. 冷却后，焊缝区域重新硬化，完成搅拌摩擦焊。
搅拌摩擦焊具有许多优点，包括焊接速度快、焊接接头强度高、焊接过程无火花、无气体和溶剂的排放等。
它可以应用于各种金属材料的焊接，特别适用于铝合金、镁合金等难焊性材料。
搅拌摩擦焊广泛应用于汽车制造、航空航天、船舶制造等领域。
搅拌摩擦焊工艺
搅拌摩擦焊工艺搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding，简称FSW）是一种无焊接熔化的固态焊接技术，由英国剑桥大学的Thomas W. Thomas于1991年首次提出。
相比传统的熔化焊接方法，搅拌摩擦焊具有许多优点，如焊接强度高、焊缝外观美观等，因此在航空航天、汽车制造等领域得到了广泛应用。
搅拌摩擦焊的工艺流程相对简单，主要包括预装夹紧、搅拌摩擦焊接和冷却三个阶段。
首先，需要将两个待焊接的工件通过夹具夹紧，以确保焊接过程中的稳定性。
然后，通过高速旋转的搅拌钎具将焊接面加热至软化温度，同时施加一定的压力。
搅拌钎具的旋转和推进运动将焊接面上的金属材料搅拌在一起，从而实现焊接。
最后，待焊接的区域冷却后，焊缝形成，焊接过程完毕。
搅拌摩擦焊的工艺特点主要包括以下几个方面：1. 无熔化：搅拌摩擦焊是一种固态焊接方法，焊接过程中不产生熔化现象，避免了传统焊接方法中可能产生的气孔、夹杂物等缺陷，提高了焊缝的质量。
2. 焊接强度高：搅拌摩擦焊焊接产生的焊缝表面光滑，焊缝强度高，可以达到甚至超过基材的强度。
3. 焊接速度快：搅拌摩擦焊的焊接速度通常较快，可以在短时间内完成大面积焊接，提高了生产效率。
4. 适用性广：搅拌摩擦焊适用于多种金属材料的焊接，包括铝合金、镁合金、钛合金等，具有较好的通用性。
5. 环保节能：搅拌摩擦焊过程中不需要额外的填充材料和保护气体，无烟尘产生，减少了对环境的污染，同时节约了能源。
搅拌摩擦焊工艺在航空航天、汽车制造等领域得到了广泛应用。
例如，航空航天领域的发动机和机身结构常采用铝合金材料进行制造，而搅拌摩擦焊可以有效地实现铝合金的焊接，提高了零部件的性能和可靠性。
汽车制造领域中，搅拌摩擦焊可以用于车身结构、悬挂系统等部件的焊接，提高了汽车的安全性和耐久性。
尽管搅拌摩擦焊具有许多优点，但也存在一些挑战和局限性。
首先，搅拌摩擦焊的设备成本较高，需要专门的设备来实现焊接。
其次，对于某些材料，如高碳钢、不锈钢等，搅拌摩擦焊效果不理想，难以实现高质量的焊接。
搅拌摩擦焊技术
搅拌摩擦焊技术
1. 搅拌摩擦焊是熔接金属材料的无焊接方法,它对厚度较厚的工件,尤其是对零件中
厚度变化较大的坡口连接,效果更佳,也比剪切连接更可靠。
搅拌摩擦焊技术通过将原料金
属摩擦加热而使之融合。
搅拌摩擦焊结合了摩擦焊的融合金属诱导和搅拌的大量焊接固
溶效果的优点，神始看到应用更加广泛，已经成功应用于航空航天、汽车、船舶等领域。
2. 搅拌摩擦焊技术可分为三大部分：物料准备与预处理、搅拌摩擦焊系统与参数控
制和处理后台检验等。
其中物料准备与预处理包括材料选择、清理、切割、锻造等；搅拌
摩擦焊系统与参数控制部分要根据不同材料来确定一系列熔接参数，控制摩擦焊系统；处
理后台检验部分需要进行超声波探伤、熔合区显微组织分析以及力学性能检测。
3. 搅拌摩擦焊技术有很多优点，其中最重要的是可以节省焊材，并且可以达到同种
金属材料熔接更佳的效果。
此外，搅拌摩擦焊技术还可以减少工件对焊接产生的受损，也
可以大大节约工序耗费的时间。
4. 搅拌摩擦焊技术在焊接应用中也有一些问题需要重视，其中最大的问题就是冷锤
在熔接区附近残留的块状熔接金属，这些块状熔接金属的残留会影响熔接的强度和密封性，从而增加故障率。
另外，在搅拌摩擦焊中摩擦力的控制也非常重要，过大的摩擦力会使焊
接的温度偏高，容易造成焊接变形或脆性断开。
5. 搅拌摩擦焊技术是一种新型的熔接技术，在实际应用中要根据不同材料来制定适
当的焊接工艺参数，控制摩擦力等要素，从而获得高质量的焊接。
汽车制造新技术——搅拌摩擦焊
搅拌摩擦焊技术
搅拌摩擦焊是一 种连 续的 、纯
． 擦和塑性 变形作功的增加又会使接 头温度升高 ，实际搅拌摩擦焊是一
图 ２ 铸造铝合金和 ６ ｍｍ铝合
机械的新型固相连接技术 ， 如图ｌ 所
金板材的搅拌摩擦焊 Ｔ ＷＩ
—
盖 ２６ ｏ ￣第５ ０ 期
Ｍ Ｃ 琨代零部件
维普资讯
应 用表 明 ，搅拌摩擦焊非常适合批量化产 品的制造 ，经过程序和参数优化 ，
图３ Ｔ 焊接的厚度为１ Ｏ ＷＩ Ｏ ｍｍ 的搅拌摩擦焊接头
基于机床和 自 动化实现的搅拌摩擦焊接头 质量具 有非常高的一致性 。 另外 ， 搅拌摩擦焊汽车零件的接头性能非常优越 ， 针对铝合金材料 ， 一 般条件下搅拌摩擦焊接头机械性能指标都大于普通熔焊技术指标和达到与接 近母材性能指标 ， 并且有些指标 ，如冲击韧性 ，还要高于母材指标 。 些特 这 点对于提高汽车的安全性非常重要 。 根据英 国焊接研究所资料分析 ， 搅拌 摩擦焊对于汽车零部件的制造具有
不 同形式 的轴 肩和搅拌针 。
个温度动态 自 适应 平衡过程 ，被焊 接材料 始终 保持 热塑 化 固相 状态 ， 由于整个焊接过程 中被焊接金属材 料 没有经过 “ 熔化一凝 固” 过程 ， 所 以得到 的是优 异的 固相接 头连接 ， 所以搅拌摩擦 焊接是一个 固态连接
过程 。
搅 拌摩擦 焊接技 术 （ｒ ｔ ｎ Ｆｉ ｉ ｃｏ Ｓｒ ｌｉ ， ｔ ｄ ｇ 简称 Ｆ Ｗ） 由位于 ｉＷｅ ｎ Ｓ 是 英国剑桥 的英 国焊接研 究所 （ ｈ Ｔｅ
Ｗｅｄ ｇＩｓ ｔｔ，Ｔ ）于 １９ 年 ｌｉ ｔｕｅ ｗＩ ｎ ｎｉ ９１
部向后部转移过渡，过渡后的热塑
化金属在搅拌轴肩的作用下 ，受 到 了挤压和锻造 ，最终得到 了由精细 的锻 造组织构成的焊缝 接头。如果
搅拌摩擦焊
搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊，是一种新型的焊接技术，也被称为搅拌摩擦联接。
它是通过在焊接区域旋转和挤压两个金属工件来产生热量和塑性变形，从而使两个工件达到联接的目的。
与传统的焊接技术相比，搅拌摩擦焊具有许多优点，如焊接速度快、焊缝质量高、金属变形小等。
本文将详细介绍搅拌摩擦焊的原理、应用和发展趋势。
一、搅拌摩擦焊的原理搅拌摩擦焊的原理是在两个金属工件之间施加旋转和挤压力，产生热量和塑性变形，从而使两个工件达到联接的目的。
搅拌摩擦焊的焊接区域主要由以下几个部分组成：1. 摩擦区：是指两个金属工件之间产生的热量和塑性变形的区域，也是焊接区域的主要部分。
在摩擦区，由于热量和挤压力的作用，金属工件的表面会产生摩擦热，从而使金属表面熔化和塑性变形。
在摩擦区，金属工件的晶粒也会受到影响，产生细化和变形，从而提高焊缝的质量。
2. 搅拌区：是指焊接区域中金属工件被挤压和旋转产生的区域。
在搅拌区，金属工件的晶粒也会受到影响，产生细化和变形，从而提高焊缝的质量。
3. 热影响区：是指焊接区域中受到热影响但未受到塑性变形的金属区域。
在热影响区，金属工件的晶粒也会受到影响，但不会产生细化和变形。
二、搅拌摩擦焊的应用搅拌摩擦焊的应用非常广泛，可以用于焊接各种金属材料，如铝合金、镁合金、钛合金、铜、钢等。
它在航空、汽车、船舶、铁路、电子、建筑等领域都有着广泛的应用。
1. 航空领域：搅拌摩擦焊可以用于制造航空器的结构件，如机翼、尾翼、机身等。
它可以提高焊缝质量，减少金属变形，从而提高航空器的性能和安全性。
2. 汽车领域：搅拌摩擦焊可以用于制造汽车的车身、底盘、发动机等部件。
它可以提高焊缝质量，减少金属变形，从而提高汽车的性能和安全性。
3. 船舶领域：搅拌摩擦焊可以用于制造船舶的船体、船舶设备等部件。
它可以提高焊缝质量，减少金属变形，从而提高船舶的性能和安全性。
4. 铁路领域：搅拌摩擦焊可以用于制造铁路车辆的车体、车轮等部件。
它可以提高焊缝质量，减少金属变形，从而提高铁路车辆的性能和安全性。
搅拌摩擦焊工艺及其应用
搅拌摩擦焊工艺及其应用1 搅拌摩擦焊的定义与原理搅拌摩擦焊是一种非常新颖的金属连接技术，其原理是将金属材料在高速旋转的条件下不断挤压与摩擦热而使金属材料发生塑性变形进而在次冷却时形成均匀的焊缝。
搅拌摩擦焊是一种采用振荡摩擦进行的钎焊技术。
摩擦过程中，金属材料被强制变形，形成皱纹和复杂的微细组织结构，这就是焊接区域。
这一过程不需要额外的附加材料，因此也被称为固态钎焊。
搅拌摩擦焊的原理是通过搅拌和摩擦的相互作用，为金属轴套表面提供局部加热来处理金属本身。
在摩擦过程中，摩擦产生的热量会使金属材料温度升高，而旋转工具逐渐伸进焊缝，在相对运动的作用下，产生了强烈的塑性变形以及显著的变形应变。
在形成初期焊缝时，相对运动引起的压力会把材料从环形清隙中抽出，形成时生成混味均匀的焊接界面。
这些过程中摩擦加热导致局部熔化，接长和冷却会使金属变形，并形成一个均匀的、与母材相似的焊缝。
2 搅拌摩擦焊的工艺流程及其特点2.1 搅拌摩擦焊的工艺流程（1）工件准备：首先需要准备待焊接的工件。
工件通常是板材、管材、棒材等形状，可以是相同材质，也可以是不同材质。
（2）夹紧工件：将工件夹紧在专用的工件夹具中，以保证工件在搅拌摩擦焊过程中不会移动或震动。
（3）起始摩擦：在工件接头处的摩擦面上施加旋转摩擦力，使工件表面熔融并形成可焊接的状态。
（4）搅拌摩擦：在不断施加旋转摩擦力的情况下，摩擦头沿着工件的接合面移动，搅拌工件的金属组织，从而形成焊接。
（5）升温保压：在搅拌摩擦焊完成后，保持摩擦头的位置不动，使焊缝部位升温到一定程度，再施加一定的保压力，使焊缝固化。
（6）退火处理：对焊接完成后的工件进行退火处理，可以进一步提高焊接质量和性能。
2.2 搅拌摩擦焊的特点（1）搅拌摩擦焊是一种无焊接接头凸出、无端部凸出的焊接方法，焊缝起伏很小，对焊接部件外观和尺寸精度要求较高的场合比较适用。
（2）搅拌摩擦焊过程中没有明显的电弧和喷溅现象，不需要额外的保护气体，易于操作。
焊接工艺中的摩擦搅拌焊技术
焊接工艺中的摩擦搅拌焊技术摩擦搅拌焊技术在焊接工艺中的应用摩擦搅拌焊（Friction Stir Welding，FSW）技术，作为一种新兴的焊接工艺，正在逐渐得到人们的关注和认可。
它的出现不仅改变了传统焊接方法，还带来了许多优势和创新。
本文将从摩擦搅拌焊技术的原理、应用范围和未来发展等方面，探讨其在焊接工艺中的重要性和价值。
一、摩擦搅拌焊技术的原理摩擦搅拌焊技术是一种无熔区焊接方法，它利用回转的焊接工具，通过摩擦加热和搅拌的作用，将金属板材相互连接。
其原理主要包括以下几个方面：1. 摩擦加热：焊接工具通过与工件的摩擦产生热量，将工件表面加热至可塑性温度，但不达到熔点。
这种无熔区的加热方式是摩擦搅拌焊的特点之一。
2. 塑性流动：在摩擦作用下，金属材料开始发生塑性变形，产生较强的流动性，但保持了原有的晶体结构。
通过搅拌工具的旋转和推进，工件的材料被搅拌成连续的焊接接头。
3. 冷却固化：在搅拌过程中，焊接接头由于摩擦加热而达到可塑性状态，但在离开焊接工具后，温度迅速下降，接头被固化为连续的金属接合部分。
二、摩擦搅拌焊技术的应用范围摩擦搅拌焊技术以其独特的焊接原理和优异的性能，广泛应用于不同材料的焊接领域。
其主要应用范围包括以下几个方面：1. 航空航天领域：摩擦搅拌焊技术可以用于航空航天器件的连接，例如飞机翼板、舱壁、涡轮发动机叶片等。
这种焊接方法能够减少热输入，提高焊接质量和强度，减小了焊接变形和应力集中的问题。
2. 轨道交通领域：摩擦搅拌焊技术可以应用于轨道交通车辆的制造和维修。
例如，高铁列车的车体焊接、地铁车辆的连接等。
由于摩擦搅拌焊能够避免焊接变形和减小焊接缺陷，因此能够提高车辆的运行平稳性和安全性。
3. 汽车制造领域：摩擦搅拌焊技术可以应用于汽车车身的焊接。
与传统的焊接方法相比，摩擦搅拌焊能够提供更强的接头强度和密封性，同时还能够降低噪音和振动，提高车身的刚性和安全性。
4. 电子设备领域：摩擦搅拌焊技术可以用于电子设备的组装和连接。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
图１ 搅拌摩擦焊工作原理
图２ 铸造铝合金和６ｍｍ铝合ＦＳＷ接头
６ｍｍ ６０８２铝合金板材
铸造铝合金
对于焊接材料而言，搅拌摩擦焊可以焊接所有牌号的铝合金，包括可以熔焊的５０００、６０００系列铝合金和熔焊难以焊接的２０００、７０００和铝锂合金材料；同时搅拌摩擦焊还可以实现不同种材料的连接。
正常情况下，搅拌摩擦焊不需要焊丝和保护气，焊接过程消耗较少。
焊接接头强度可以达到母材金属的８０％以上。
搅拌摩擦焊目前可以实现所有的熔焊焊接结构，通过搅拌摩擦焊设备，可以实现１Ｄ、２Ｄ和３Ｄ结构的焊接。
并且由于焊透控制可以通过搅拌头来保证，所以迄今搅拌摩擦焊最大焊接深度还没有得到定义，图３为英国焊接研究所焊接的１００ｍｍ厚度的搅拌摩擦焊接头。
图３ ＴＷＩ焊接的厚度为１００ｍｍ的搅拌摩擦焊接头
汽车铝合金材料
汽车通常选用能够大批量制造的商业化金属材料制造，使用比较普遍的一种是薄板低碳钢，另一种是铝合金。
铝合金材料很早就在国外越野汽车如ＬＡＮＤ ＲＯＶＥＲ、运动赛车和高档轿车奥迪中使用， 并且由于汽车发展轻量化趋势的要求，铝合金在汽车中的使用越来越多，有资料显示，铝合金代替传统的钢铁制造汽车可使整车重量减轻３０％～４０％，制造发动机可减轻３０％，制造缸体和缸盖可减轻３０％～４０％，制造车轮可减轻５０％。
图４为美国福特公司２００５年利用搅拌摩擦焊
汽车焊接Automobile Welding
挪威Ｈｙｄｒｏ Ａｌｕｍｉｎｕｍ公司首
先利用搅拌摩擦焊实现了铝合金汽
车轮毂的搅拌摩擦焊制造，如图６所
示，即利用铝合金板材搅拌摩擦焊
成为筒体结构，再利用液压滚压成
形技术压制成设计形状，然后再利
用搅拌摩擦焊将锻压或铸造轮副连
接在轮鼓上，这种制造工艺既减轻
了轮箍重量也简化了生产成本和提
高生产效率。
目前，该技术已经在
日本、澳大利亚和中国等地投入批
量化铝合金轮毂生产。
汽车悬挂臂目前已经实现搅拌
摩擦焊制造，如图７ａ所示，日本
Ｓｈｏｗａ Ａｌｕｍｉｎｕｍ和Ｔｏｋａｉ Ｒｕｂｂｅｒ公
司在２００４年就利用搅拌摩擦焊把挤
压型材制造的悬挂头与直径２０～
３０ｍｍ的铝合金管材焊在一起，实
现汽车悬挂系统铝合金悬臂搅拌摩
擦焊批量化制造。
在美国，Ｔｏｗｅｒ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ公
司首先利用搅拌摩擦焊为Ｆｏｒｄ公司
生产铝合金悬挂臂（如图７ｂ所示），
这是美国汽车市场第一次将搅拌摩
（ａ）ＡＥＩ公司
（ｂ） 中国搅拌摩擦焊中心
图６ 搅拌摩擦焊铝合金轮毂
ＦＳＷ焊缝
厚板材料
薄板材料
Automobile Welding
汽车焊接
（ｂ）Ｔｏｗｅｒ公司产品
（ａ）ＡＥＩ公司产品
最初德国Ａｕｄｉ公司和ＧＫＳＳ公司将搅拌摩擦焊短焊技术用于铝合金汽车零件的制造，如图９所示。
但是汽车零件的批量制造，搅拌摩擦焊短焊不能满足汽车零件的生产效率要求。
经过进一步的改进，搅拌摩擦点焊已经代替了搅拌摩擦短焊技术，并且日本马自达公司已将该
技术用于“马自达ＲＸ－８”型跑车后门框的焊接（如图１０所示）。
结论
综上所述，
汽车的轻量化发展
以及铝合金材料的大量应用使得搅
拌摩擦焊在汽车中的应用越来越广泛。
通过改善设计和结构，搅拌摩擦焊可以提高接头的强度和结构刚
度，
减少材料的厚度和减轻汽车的重量。
搅拌摩擦点焊是一种新型的
铝合金汽车制造技术，基于该技术
在生产效率、节省能源、投资成本低等方面的优势，未来可能会发展
成为铝合金汽车的主导制造技术。
图９ 搅拌摩擦焊短焊接头
图１０ 马自达公司用搅拌摩擦点焊制造ＲＸ－８铝合金汽车门及后盖
文章查询编号：Ｗ０５１８
等级些性能指标完全满足汽车设计要求。