哈工大搅拌摩擦焊接研究现状
搅拌摩擦焊镁铝异种材料研究现状
随着现代制造技术的不断进步，材料焊接技术也在不断发展。
搅拌摩擦焊作为一种新型的焊接方法，因其低能耗、无污染、高效率等优点而备受关注。
在工业界和学术界，对搅拌摩擦焊技术的研究也越来越深入。
一、搅拌摩擦焊简介1. 搅拌摩擦焊的原理和特点搅拌摩擦焊是一种无熔金属的固态焊接方法，通过机械搅拌和摩擦加热的方式将材料焊接在一起。
与传统的熔化焊接方法相比，搅拌摩擦焊具有温度低、热影响区小、焊接变形小等优点。
2. 搅拌摩擦焊的应用领域搅拌摩擦焊技术已广泛应用于航空航天、汽车制造、铁路交通等领域，尤其在焊接铝合金、镁合金等轻金属材料方面具有独特优势。
二、搅拌摩擦焊镁铝异种材料研究现状1. 镁铝异种材料的特点镁铝异种材料因其密度低、强度高、耐腐蚀等特点，被广泛应用于航空航天、汽车制造等领域。
然而，由于镁铝材料的化学性质和熔点差异较大，传统的焊接方法往往难以实现良好的焊接效果。
2. 搅拌摩擦焊镁铝异种材料的研究现状为解决镁铝异种材料的焊接难题，学术界和工业界进行了大量的研究。
目前，搅拌摩擦焊镁铝异种材料的研究已取得了一定进展，但仍存在一些挑战。
3. 研究现状的主要问题（1）焊接接头的组织和性能不稳定，需要进一步优化工艺参数和焊接头形貌。
（2）搅拌摩擦焊镁铝材料的金属间化合物生成机理和影响因素尚不清楚，需要深入研究。
（3）焊接接头的力学性能、耐腐蚀性能等方面还需要进一步评估和提升。
三、未来研究方向1. 优化焊接工艺参数针对搅拌摩擦焊镁铝异种材料存在的问题，未来研究可以进一步优化焊接工艺参数，包括搅拌转速、下压力、焊接速度等，以获得更稳定的焊接接头组织和性能。
2. 深入研究金属间化合物形成机理金属间化合物的生成对搅拌摩擦焊接头的性能具有重要影响，未来的研究可以针对金属间化合物的形成机理和影响因素进行深入探讨，为优化焊接工艺提供理论依据。
3. 综合评价焊接接头性能未来的研究还可以从焊接接头的力学性能、耐腐蚀性能等方面进行综合评价，探索提升镁铝异种材料搅拌摩擦焊接头综合性能的途径。
哈工大搅拌摩擦焊接研究现状
υ
υ
ω
ω
ω
后腔
前腔 搅拌针前部
后腔 搅拌针后部
前腔
前腔
后腔
后腔
(a)
υ
(b)
υ
(c)
ω
ω
前进侧
流动起始位置
接合线 弧峰
后退侧 软化层
前腔
流动终止位置
后腔
弧峰
(d) (e) 轴肩端面附近软化层流动模型
22
（2）搅拌针上部附近软化材料流动
υ
搅拌 针前 部 搅拌 针后 部
软化壳体
υ
搅拌 针前
ω
部
软化微元
z=0mm z=1mm z=2mm z=3mm z=4mm z=5mm
x=150 mm处
480 470
Temperature / ℃
Temperature / ℃
460 450 440 430 420
0 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60
Time /s
0
1
2
42.0
27.0
最 大压缩残余应力
41.5 26.5
残余应力, MPa
40.5
25.5
40.0
25.0
最 大拉伸残余应力
39.5
24.5
39.0 200
400
600
800
1000
24.0 1200
转 速, rpm
转速对最大残余应力的影响
转速的变化对焊缝区残余压应力以及热影响 区残余拉应力都有较明显的影响。转速增大过 程中，热影响区残余拉应力由小逐渐增大；而 焊缝区残余压应力由低升高最后趋于稳定。
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搅拌摩擦焊研究现状及创新设想
搅拌摩擦焊研究现状及创新设想张晶（天津机电职业技术学院，天津）摘要：搅拌摩擦焊是近二十年来新兴的焊接技术，和传统焊接技术相比，具有高效和环保的优势。
同时由于是固相连接，可以有效解决以往难焊甚至不能焊的金属，使得我国在航空、航天和船舶等领域的制造水平大幅提升。
本文就搅拌磨擦焊的基本原理，揭示了其研究现状，主要是焊接设备的现状，并对未来的发展趋势做一些探讨，希望可以拓展思路，更加深入的开展对该技术的应用。
关键词搅拌摩擦焊FSW 设备创新前言近几年来，搅拌摩擦焊的出现受到国际焊接科学技术领域的极大关注，被认为是从基础研究到实际应用的重大科技成就，同时也对人们科学利用摩擦起到了促进作用。
目前，在摩擦焊基础上已发展起来的多种摩擦加工技术，材料的摩擦加工具有低耗能、无污染、高效率、加工质量好等优点，因而应用前景广阔。
搅拌摩擦焊（FSW）作为一种快速发展的新型固相焊接方法，正在成为世界范围内的热点焊接方法。
该方法自发明以来就受到制造工业关注，现正在逐渐成为轻合金金属的主导焊接方法，在新型飞机、空间飞行器、舰船、高速列车、汽车、电子、电力以及能源等行业得到推广应用。
一、搅拌摩擦焊基本原理搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding）是基于摩擦焊接技术一种固相焊接技术，1991年由英国焊接研究所（TWI）发明。
其原理是一个非耗损的搅拌头旋转扎入焊接工件的连接界面，当搅拌头向前沿着焊缝移动时，塑化金属在机械搅拌和顶锻作用下形成致密的固相联接。
焊接过程中没有弧光、烟尘等污染，是一种高效、环保的绿色技术。
图1搅拌摩擦焊原理示意图二、.搅拌摩擦焊研究现状1.异种金属焊接应用异种材料连接结构具有两种材料综合的优异性能，在航空航天、空间技术、核工业、微电子、汽车、石油化工等领域得到了广泛的应用，因此对异种材料焊接的深入研究有着十分重要的意义。
搅拌摩擦焊对材料的适应性很强，几乎可以焊接所有类型的铝合金材料，另外，它也是镁合金、锌合金、铜合金、铅合金以及铝基复合材料等材料的板状对接或搭接的优先选择。
搅拌摩擦焊材料塑性流动研究现状
搅拌摩擦焊材料塑性流动研究现状搅拌摩擦焊（Friction Stir Weld，FSW）是一种新型的固相连接技术，于1991年在英国焊接研究所（The Welding Institute，TWI）发明并获世界范围内专利保护。
这种新型连接技术的出现，克服了传统熔焊的缺陷，能够更加容易地实现铝合金等难焊接材料的焊接工艺过程，并且对能源的消耗少，对环境无污染，所以FSW被誉为“世界焊接史上的第二次革命”。
FSW的原理非常简单，由轴肩（Shoulder）和搅拌针（Pin）组成的搅拌头（Tool）插入焊接板材的对接处，搅拌头边旋转边前进，使前进侧（Advancing Side，AS）和后退侧（Retreating Side，RS）的金属产生塑性流动，形成焊接接头，完成固相连接的过程。
自FSW问世以来，大量学者对FSW的接头组织以及力学性能做了大量的研究，但是由于材料的不可见性，对于FSW焊缝金属在焊接过程中的塑性流动，尚处于探索阶段。
目前，主要通过实验和数值模拟的方法来研究材料的塑性流动。
A.P. Reynolds[2]分析了当前对于FSW塑性流动的研究，指出对于FSW流动场可以从与轴肩接触的材料表面、搅拌针周围以及搅拌针底部3个方面进行研究。
当前，对于FSW中的材料塑性流动的研究，主要存在的问题是：材料流动的机制到底是什么，FSW微观组织周期性变化的原因是什么，以及二者之间存在什么样的关系。
实验研究对于用实验来研究FSW中材料的流变行为，主要是应用一些示踪材料来跟踪焊缝金属的最初和最终的位置。
这些示踪材料主要包括铜箔、铝箔、钨线等。
但是示踪材料由于和母材的的力学性能等方面存在差异，往往会影响FSW中母材金属的流动。
所以，在有些实验中不加入任何示踪材料，只单纯地进行微观组织观察的方法进行研究。
在早期的研究中，Colligan[3]应用钢球跟踪技术，通过X射线检测和对切片进行观察的方式来研究铝合金FSW中材料的流动。
搅拌摩擦焊及其研究现状
图 2 搅拌摩擦焊焊缝横截面金相组织图 通过对 搅拌摩擦焊焊 接接 头的金 相分 析以 及显微 硬度 分 析可以发现, 搅拌摩擦焊 的焊缝 组织 可分为 A、B、C、D 四个 区 域( 图 3) : A 区为母材区( basic metal, 简称 BM ) , 无热 影响也 无 热变形; B 区为热影响区( heat affected zone, 简称 HAZ) , 该区 域 的材料因受热循 环的 影 响, 微观 组 织和 力学 性 能均 发生 了 变 化, 但没有发生塑性变形; C 区为热 变形影响 区( thermomechanically affected zone, 简称 T M AZ) , 该 区域 材料 已经 产生 了剧 烈 的塑性变形。就铝合金而言, 再结晶区域和 T M AZ 之间通常有 明显的界限, 但在其它 没有热 致相变的 材料中, 如在 纯钛、B 钛 合金、奥氏体不锈钢和铜中, 似乎 T MA Z 整体已再结晶化, 产生 了无应变再 结晶, 这 可能使 得 HA Z/ T M AZ 的边 界难以 精确 划 分; D 区为焊核( dynamically recr ystallized zone, 简称 DX Z) , 焊核 是最接近轴肩的区域, 组织结构通常有较大的 变化。
接工件通过夹具夹紧, 以防止对接接 头在焊接 过程中松开。 一 个带有特型焊针的搅拌焊 头旋 转并缓 慢插 入两 块对接 板材 之 间的焊缝处。焊针的长度接 近焊 缝的 深度。 当旋 转的 焊针 接 触工件表面时, 与工件表面的快速摩擦 产生的摩 擦热使接触 点
材料的温度升高, 强度降低。焊针在外 力作用下 不断顶锻和 挤 压接缝两边的材料, 直 至轴肩 紧密 接触工 件表 面为止 。这时, 由旋转轴肩和焊针产生的 摩擦 热在轴 肩下 面和 焊针周 围形 成 大量的塑化层。当工件相对焊针移动或焊 针相对工件 移动时, 在焊针侧面和旋转方向上产生的机械搅拌 和顶锻作用 下, 焊 针 的前表面把塑化的材料移送到焊针后表 面。这样, 焊针沿着 接 缝前进时, 搅拌焊头前头的对接接头表 面被摩擦 加热至超塑 性 状态。结果 , 焊针磨擦接缝, 破碎氧化膜, 搅拌和 重组搅拌焊 头 后方的磨碎材料, 搅 拌 焊头 后方 的 材料 冷却 后 就形 成固 态 焊 缝。这种方法可以 看作 是 一 种自 锁 孔连 接 技 术, 在焊 接 过 程 中, 焊针所在处形成小孔, 小孔在随后的焊接过程中又被填满( 最 后形成的小孔例外, 这个小孔可以用其它方法填满或切除掉) 。
搅拌摩擦焊接技术研究现状与应用
慢；焊接时焊件必须夹紧，还需要垫 板；焊后焊缝上留有锁眼。目前，由 于搅拌头特形指棒材料所限，搅拌摩 擦焊仅用于铝合金产品的连接。据报 道，英国焊接研究所正在开展钛合金 搅拌摩擦焊的工艺研究［４］。 １．４ 新的摩擦焊方法
近年来为了适应新材料与新结构 的应用，国内外在摩擦焊接及相关技 术方面取得了重要进展，其中以线性 摩擦焊（Ｌｉｎｅａｒ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｗｅｌｄｉｎｇ）、摩 擦堆焊（Ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｓｕｒｆａ－ｃｉｎｇ）、搅拌摩 擦焊（Ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｓｔｉｒ ｗｅ－ｌｄｉｎｇ）、摩擦塞 焊（Ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｐｌｕｇ ｗｅ－ｌｄｉｎｇ）等被称为是 “科学摩擦（Ｓｃｉ－ｅｎｃｅ ｆｒｉｃｔｉｏｎ）”的先 进摩擦焊接技术最具代表性［５］。这些新 颖的摩擦焊接技术不仅拓展了摩擦焊 的应用范围。而且提高了焊接部件的 整体性能和可靠性。使那些难焊或不 能焊的材料也能获得高质量的焊缝。 研究先进摩擦焊接技术具有重大的理 论意义和工程应用价值［６］。
挪威Ｈａｕｇｅｓｕｎｄ的Ｇｙｄｒｏ Ｍａｒｉｎｅ Ａｌ－ ｕｍｉｎｉｕｍ铝板厂每年都要生产７０ｋｍ以 上无缺陷的ＦＳＷ铝板，主要用于造船
业的船甲板、壳体、船舱壁等部位的 焊接。日本住友轻金属公司采用ＦＳＷ生 产铝质蜂窝结构板件和耐海水的板材， 其中耐海水的板材由５块宽度为２５０ｍｍ 的５０８３铝合金挤压板连接成一块尺寸 为１２５０ｍｍ×５０００ｍｍ的铝合金板，由 于其焊缝根部和背面具有良好的平整 性而被用作船舱壁板。ＦＳＷ在船舶轻 合金预成形结构件上的应用，在外观、 重量、性能、成本以及制造时间上具 有明显的优越性，不仅能用于船舶轻 合金结构件的制造，还可用于现场装 配，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。 ３．３ 陆路交通
搅拌摩擦焊缺陷分析及其无损检测现状
４ ４・
科技论 坛
搅 拌摩擦焊缺 陷分析及其无损检测现状
郑 波
（ 建 锅 炉 压 力容 器检 验 研 究 院 ， 建 福 州 ３ ０ ０ ） 福 福 ５ ０ ０
摘 要： 搅拌摩擦 焊具有焊接质量高的显著特点 ， 但工艺参数 选择不 当时仍会存在焊接 缺陷。依 据国 内外学者 对搅拌摩擦焊缺 陷分 析及检测方 面的研究 ， 文总结搅拌摩擦焊过程可能产生的缺陷种 类和原 因， 本 及缺 陷检 测方法现状 ， 具体 包括孔洞 、 沟槽 、 未焊透 和 ｚ线 等 四大类缺 陷。 目前对搅拌摩擦焊缺 陷的研 究， 主要是从焊缝成形过程 方面进行研 究， 对缺陷的形成规律及影 响因素之 间的 关系和检测 方法有待进 一步研 究， 最终 实现对缺陷的控制。 关键词 ： 搅拌摩擦焊 ； 缺陷 ； 影响因素； 无损检测现状
１ 述 概 中并 呈现半连续状 ， 被称为 Ｚ线或 Ｓ线 。要避免焊接 过程 中出现 Ｚ 搅 拌摩擦焊 （ｒ ｔｎ Ｓ ｒＷｅ ｉ ， Ｆｉ ｉ ｔ ｌ ｎ 简称 Ｆ 是一种 新型 固相 线，在焊接开始前要对工件表面彻底清洗 和打磨，以去除表面油污 ｃｏ ｉ ｄｇ ｓ 焊接工 艺 ， 是英 国焊接研 究所 于 １９ 年开发 的专利技术 。Ｆ Ｗ 适 和氧 化 层 。 ９１ Ｓ 于连接 同质或异质的多种结构材料 ， 尤其适 于连接常规焊接工艺难 ３缺 陷产 生 的 影 响 因 素 以焊接 的高强铝合金 ； 它具有焊接 温度低 、 焊件变形 小 ， 接头机械性 从 国内外学者对 Ｆ Ｗ 工艺参数和接头组织及性 能的研 究结果 Ｓ 能好不产生类似熔焊接头 的铸造组织缺陷 ， 并且焊缝组织 由于塑性 来看 ， 多因素能对 Ｆ Ｗ 接头组织造成影 响 ， 很 Ｓ 如搅拌头 的形状和尺 流动而细化等优点。 对熔焊方法易于焊接的材料 ， 使用 Ｆ Ｗ 也可显 寸、 转速度和焊接速度 、 Ｓ 旋 搅拌针 扎入 的深度和倾斜 角度 、 对接板 间 著提高接头的性能 ｌ 目前 Ｆ Ｗ 的研究主要集中于不 同材料 Ｆ Ｗ 隙等 。当工艺参数选择不当时 ，Ｓ 接头会 出现典型的孔洞 、未焊 １ ｌ 。 Ｓ Ｓ ＦＷ 工艺参数的优化和接头组织性 能（ 包括拉伸 、 疲劳 、 弯曲等 ） 焊缝 透等缺陷 。 及 检测 的研究上 。虽然 Ｆ Ｗ 能够避免熔焊 中产生 的裂纹 、气孔等缺 Ｓ ３１搅 拌头 。搅拌头是搅拌摩擦焊技术 的核心 ； ． 因此 ， 在焊接前 陷，但是若焊接参数选择不当也会 引入新 的缺陷，例如孔洞、 沟槽 、 合理选择 搅拌头的形状和尺寸 、扎入深度 和倾 斜角度 ，将 有利于 未焊透和 ｚ线等 。依据国内外学者对 Ｆ Ｗ 焊缝缺陷分析及检测方 Ｆ Ｗ 焊缝成形 ， Ｓ Ｓ 从而 降低焊缝出现缺陷 的可能。 法 的研究 ，本文总结 Ｆ Ｗ 过程产生的缺陷种类和原因及缺陷检 测 Ｓ ３２工艺参数 。 ． 若搅拌头固定不变时 ， 搅拌头的旋转速度 ｒ焊接 ｘ 方法 。 速度 ｖ 和焊接压力 Ｐ等 工艺参数 的选取 ，也会 直接影 响焊 缝 的成 ２ Ｆ Ｗ 缺 陷分 析 Ｓ 形 ， 以要避免如孔洞 、 所 沟槽和吻接等危 害性缺 陷的产生 ， 当更慎 应 Ｆ Ｗ 焊接过程中产生 的缺 陷主要有以下几种 ： Ｓ 孔洞 、 沟槽 、 未焊 重地选择这些焊接工艺参数。 透 、 等缺 陷。缺陷产生 主要是 由于在焊接过程 中， 同部位的焊 ｚ线 不 ３３对接板 的间隙。 ． 对接板的间隙也会影响焊缝成形 ； 若对接板 缝金属经历不 同的热机过程过热或塑性材料流动 不足都会导致 缺 的间隙越大越不利于热量向焊核 区扩散 ，导致热影 响区温度升高 ， 陷 的形成。 若将 焊缝分成顶部 、 中部和底部三个部分 ， 只有输入焊缝 晶粒尺寸变大。 间隙越大 ， 焊缝 区出现的孔 洞越大 ， 甚至会在焊缝 中 底部的热量最少而输 出最大 ， 以当焊接工艺参数或焊具尺寸选 择 出现隧道型缺 陷； 所 是由于间隙的存在使得焊缝连接所需的塑性金属 不 当时底部最容易产生焊接缺陷。 减少 ， 在没有塑性金属补充 的情况下焊缝 中只能形成隧道型缺 陷。 ２１孔洞 。孔洞 的形成 主要是 由于焊接过程 中热输 入不 够 ， ． 使 Ｆ Ｗ 焊缝缺陷的产 生是 由多种 因素共 同作用 的结果 ， Ｓ 对于不同 达到塑性 化状态 的材料不足 ， 材料流动不充分而导致在焊缝 内部形 的焊接材 料和焊接工艺 ， 各种因素是相互影响 的。 成材料未完全闭合现象 。 若采用不带螺纹的柱状 或锥状搅拌针进行 ４ Ｆ Ｗ 缺陷的无损检测方法研究现状 Ｓ 焊接更容易产生孔洞缺陷。 该类缺 陷通常位于接 头前进侧的中下部 随着 Ｆ Ｗ 技术在各个领域 的推广应用 ，对焊缝 的成形 质量有 Ｓ 以及 焊 缝 表 面 附近 。 位 于 焊缝 表 面附 近 的 孔洞 方 向与 焊 接 方 向一 更高的要求 。Ｆ Ｗ 焊缝缺陷具有明显的紧贴 、 若 Ｓ 微细和取 向复杂等特 致， 在焊缝 长度方 向上延 伸较 长时也被称为隧道型缺 陷； 它是 Ｆ Ｗ 点 ， Ｓ 这对焊缝缺陷的无损检测有更高的要 求。 目前 ， 国内外 Ｆ Ｗ 的 Ｓ 过程中 比较典 型而且危害最大的一种缺陷。 如果想要避免该类缺 陷 无损检测技术处于缺陷表征 与检测方法探索及技 术积 累阶段 。 通常 除 了要选择适 当的焊接工艺参数外 （ 搅拌头转速 、 焊速 、 压力 ） 还要 采用常规无损检测技术 以及 金相 观察 等方法进行检测 ； 伴随着微机 保证适 当的搅拌 头倾 角一般为 １ 。 ０≤４５’另外还要避免待焊 与 电子技术 的发展 和应用 ，近年来无损检测技术 得到 了快 速的发 ．≤ ５ ． Ｕ 件 之 间存 在 间 隙 。 展， 从而产生了一些高效率 的检测新 方法 。 ２ ． ２沟槽 。沟槽是搅拌头在对接板表面机械搅动后未形成连接 ４１Ｘ射线 。胶片射线照相技术是射线源发出的射线透过被检 ． 的一种严 重缺 陷， 常位于前进侧焊缝表面。它的产生 主要是 由于 物体 ， 通 利用被检物体与其 内部缺陷介质对射线强度衰减的程度不 同 焊接过程中压力过小 ， 导致热输人严重不足发生塑性变形 的材料 大 来携带被检物体 内部信息 ， 并用射线胶片记录下来 ， 经显影 、 定影等 量减少 ， 而且材料流动性 能降低 ， 造成焊缝前进侧 的塑性材料从后 处理 ， 在胶片上形成透视投影影像 ， 通过对影像 的识别来评定被 检 退侧绕流以后不能 回填到前进侧 ， 从而在前进侧焊缝表 面附近形成 物体内部是否存在不连续性 的一种射线无损 检测方法 。 该检测方法 孔洞 ；当材料流动能力进一步 降低时形成孔洞 的范围发生扩展 ， 对材料没有 限制 ， 由于 Ｆ Ｗ 缺 陷可能存在于任意方 向， 得射线 最 但 Ｓ 使 终贯穿焊缝上表面形成 沟槽 。 照射方向很难保持与缺 陷平行 ， 这样 的缺 陷很难被检测 出来 。 ２ ． ３未焊透 。未焊透是 Ｆ Ｗ 焊缝背 面最 常见 的焊接缺陷， Ｓ 是指 洛克希德 马丁公司使用胶 片和数字方法 完成对搅 拌摩擦焊 测 在焊缝底部未形成连接或不完全连接而 出现的“ 裂纹状 ” 缺陷 ， 由于 试板材的射线检验结果显示 具有 ９ ％的概率或 ９ ％的信心能够检 ０ ５ 采用长度 略小于接头厚度 的搅拌头压人 焊缝结合面 ， 利用 搅拌头 测大于或等于材料 厚度 ３ ％的不连续性 未焊透然而 ，在异 种合 金 ０ 轴肩与焊缝表面的摩擦 热进行加 热 、 搅拌而形成连接，所 以总存在 焊接射线胶片方面遇到了严重 的问题 ， 结果 表明探 测不 连续 性的未 定厚度 的未焊透 。 焊接压力过小时容 易形成根部未焊合 。 Ｆ Ｗ 焊透缺陷的能力是有限的。 在 Ｓ 主要的原因是铜和锂 的焊件具有不同的 过程中 ， 如果搅拌针长度 比正常尺寸短，搅拌针在焊接过程 中不能 化学成分 。 ４２渗透 。 ． 渗透是采用毛细管作用 的原理 ， 检测 固体材料及其制 完全搅拌 焊缝厚度方 向上的材料 ， 尤其是接头下部的材料 ， 加上板 材对接 面氧化物 的存 在，在焊接后接头根部 会出现 “ 裂纹状 ” 的未 件的表面与近表 面缺 陷。渗透检测用于检测焊接件 的表面 开 口裂 焊透 缺 陷 。 纹 、 氏体钢和有色金属， 奥 具有检测速度快 、 作简便缺 陷显示 直观 操 ２４ Ｚ线 。 ． 由于焊前表面氧化膜 的存在 ， 焊后在焊缝表面可能形 且检测灵敏度较高等特点 。 渗透检测的主要不 足之处是表面粗糙度 成一层与焊缝 内部不 同的氧化物层 。 由于对接表 面氧化膜在焊接过 影响缺陷的检 出率 以及难以定量控制检验操作的程序。 程中可能未被完全搅拌打碎 ， 氧化物颗粒沿着晶界 分布残 留在焊缝 Ｋｎｈ ｎ ｉ ｅ 研究 了在蚀刻条件 下对 Ｆ Ｗ 测试板材进行渗透检查 ， ｃ Ｓ
搅拌摩擦焊技术应用现状及其发展趋势
搅拌摩擦焊技术应用现状及其发展趋势摘要：搅拌摩擦焊是利用一种特殊形式的搅拌头边旋转边前进，通过搅拌头与工件的摩擦产生热量，摩擦热使该部位金属处于热塑性状态，并在搅拌头的压力作用下从其前端向后部塑性流动，从而使待焊件压焊为一个整体。
本文简述了搅拌摩擦焊的工作原理及优缺点，重点分析了搅拌摩擦焊技术在航空航天、汽车、船舶、电力电子、轨道交通、国防军工以及其它领域的应用现状及发展趋势。
关键词：搅拌摩擦焊；航空航天；汽车；轨道交通；应用；发展趋势引言搅拌摩擦焊作为一项革命性新型焊接技术，其有效解决了轻合金材料焊接方法问题，可达成铝、镁、铜等轻质合金材料高效、优质、绿色的非熔化连接。
中国发展和应用搅拌摩擦焊是时代的召唤，是我们所需肩负的重要使命。
由此可见，对搅拌摩擦焊技术应用现状与发展趋势开展研究，既有着十分重要的现实意义，又有着十分重要的战略意义。
一、工作原理搅拌摩擦焊，本质上是一种固相焊接，它需要借助一个非自耗的搅拌头（一般包括四部分，分别是搅拌针、轴肩、过渡部分和夹持部分）。
首先将待焊工件刚性固定，接着将搅拌针高速旋转着插入到被焊工件内部，直到轴肩下压到被焊工件内，然后搅拌针沿着焊接方向与工件做相对运动，在摩擦热和塑形变形热的作用下，焊缝两侧金属在搅拌针的牵引下进行塑性流动，在搅拌针的搅拌和轴肩的锻压共同作用下，形成焊接接头。
二、优缺点搅拌摩擦焊的优点：1）固态焊接技术，没有材料熔化；2）高质量，高效率，低成本；3）可实现多种接头形式的焊接；4）焊件中残余应力低，残余变形小；5）搅拌摩擦焊接头强度高，断裂韧度高；6）焊缝为细晶组织，没有气孔、裂纹、夹渣等缺陷，节省修理费用；7）操作简单，便于实现自动化。
搅拌磨擦焊存在的主要缺点：由于焊缝不形成增强焊波，难以用于填角焊等焊接，其接头形状有限；焊接形式受限，曲线焊接操作较难；焊缝的始端与终端有残孔。
三、缺陷（1）搅拌摩擦焊过程属于热力复合作用过程，通常在焊缝正下方存在刚性支撑，在开展难以提供刚性支撑的工件焊接时，难度十分大。
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温度, 0c
柱形螺纹面搅拌 头
特征 特征 特征 特征 特征
点1 点2 点5 点6 点7
温度 , 0c
450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 0
柱形光面搅拌 头
特征 特征 特征 特征 特征
点1 点2 点5 点6 点7
温度, 0c
250 200 150 100 50 0 0 100 200 300 400 500 600 700
40 30
v=160mm/min
40 30
残余应力, Mpa
残余应力, Mpa
20 10 0 -10 -20 -30 -50
20 10 0
-10 -20
后退侧
-40 -30 -20 -10 0 10
前 进侧
20 30 40 50
-30 -50
后退侧
-40 -30 -20 -10 0 10
前 进侧
20 30 40
v扎=1.0
300
400
500
600
转 速, rpm
700
800
900 1000 1100 1200
转速对预热峰值温度的影响
转速低，预热峰值温度也相应较低，预 热峰值温度随着转速增大而升高。
11
350
w=300rpm
300
350
w=500rpm
300
250
温度, 0c
200
温度, 0c
0 100 200 300 400 500 600 700 800
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Flow direction
Rotate direction
流动位置标定示意图
25
三维FSW过程数值模拟
底部模拟结果
焊缝底部材料流动规律性较明显，材料都是从后退侧发生绕流， 流动迹线较光滑。仅靠近搅拌针附近的材料发生了塑性流变，距离探针 稍远位置的材料仍然逆焊接方向沿直线运动，前进边发生变形和流动的 材料要多于后退侧材料，且前进侧材料发生变形幅度较大。
19
残余应力, MPa
41.0
26.0
41
最 大拉伸残余应力
26.4 26.2
40
残余应力, MPa
39
25.8 38 25.6 25.4 25.2 36 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
0
37
4.5
5.0
25.0 5.5
仰角,
仰角对最大残余应力的影响
随着仰角的增大，焊缝区残余压应力上升趋势较 明显；而热影响区残余拉应力降低幅度较大。
搅拌
搅拌针
软化壳体
(a)
(b)
(c)
(d)
搅拌针上部软化材料的流动模型
23
搅拌 针后 部
针后
部
搅拌针后部
ω
搅拌 针前 部
（3）搅拌针端部附近软化层流动
ω
搅拌针前部
ω
搅拌针前部 L1 流动到搅拌针 后部的软化层 软化层流动方向 搅拌针后部
L1
搅拌针后部 搅拌针前部形 成的软化层
L L
L L
L3
搅拌针端部附近软化材料流动模型
20
残余应力, MPa
最 大压缩残余应力
26.0
2、三维塑性流动模拟
（1)轴肩端面附近软化层的流动，如图中的L1段； （2)搅拌针上部软化层的流动，如图中的L2段（L2为搅 拌针的主体）；
（3)搅拌针端面附近软化层的流动，如图中的L3段。
ω
轴肩端面
L1 L L
搅拌针端面
21
（1）轴肩端部附近软化层流动
42.0
27.0
最 大压缩残余应力
41.5 26.5
残余应力, MPa
40.5
25.5
40.0
25.0
最 大拉伸残余应力
39.5
24.5
39.0 200
400
600
800
1000
24.0 1200
转 速, rpm
转速对最大残余应力的影响
转速的变化对焊缝区残余压应力以及热影响 区残余拉应力都有较明显的影响。转速增大过 程中，热影响区残余拉应力由小逐渐增大；而 焊缝区残余压应力由低升高最后趋于稳定。
3
1、焊接热循环及接头残余应力
热输入数学模型 （1）搅拌头扎入过程热输入数学模型 （2）焊接过程中的轴肩热输入数学模型
（3）焊接过程中的搅拌针热输入数学模型
4
1、焊接热循环及接头残余应力
Z
Rs Shoulder Pin root
2R1
dr
r R2 dθ
Pin side face
Δθ Micromelent
a) t=5s Tmax=21.2℃
b) t=15s Tmax=35.6℃
c) t=25s Tmax=82.6℃
d) t=35s Tmax=200.5℃
e) t=40s Tmax=298.1℃
f) t=45s Tmax=435.1℃
9
400 350 300 250
w=300, v扎=1.0 w=500, v扎=3.0 w=700, v扎=0.5 w=800, v扎=1.0 w=900, v扎=0.5 w=1100, v扎=0.5
3
4
5
a)Z轴温度循环
500
b)Z轴温度梯度
500 450
Thickness /mm
Temperature / ℃
Temperature / ℃
450 400 350 300 250 200 150 100 50 36 39 42 45 48 51 54
y=0mm y=5mm y=10mm y=15mm
700
800
900
转速和预热时间对预热温度的影响
长时间预热对提高预热温度作用不大，预热峰值温度 一般出现在搅拌头轴肩接触工件表面后的较短预热时间 （约10s）内。 12
500 450 400 350 300
锥 形螺纹面搅拌 头
特征 特征 特征 特征 特征
点1 点2 点5 点6 点7
温度, 0c
500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
时 间, s
时 间, s
螺纹面搅拌头温度上升速率较光面搅拌头大。锥 形搅拌头焊缝中心峰值温度与两侧峰值温度出现 时间不同步。 13
500 450 400 350
锥 锥 柱 柱
形螺纹 形光头 形螺纹 形光头
针 针 针 针
0
c
300 250 200 150 100 50 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
50
距离, mm
距离, mm
残余应力曲 线呈“M”形分 布，不同焊速 残余应力分布 情况大致相同 。焊缝区均存 在较小的残余 压应力，而热 影响区同时都 存在较大的残 余拉应力。
17
不同焊速获得的残余应力曲线
44.0 43.5 43.0
26.6
最 大拉伸残余应力 最 大压缩残余应力
26.5 26.4 26.3 26.2 26.1 26.0 25.9
温度, 0c
200 150 100 50 0 0
100
200
300
400
500
600
700
800
时 间, s
不同转速对最高预热温度的影响
较小的扎入速度更容易获得较高 的预热温度
10
390 380 370 360
v扎=1.0 v扎=0.5 v扎=3.0
v扎=0.5
v扎=0.5
温度, 0c
350 340 330 320 310 200
锥形搅拌针热输入数学模型为：
Qcone =
3 2 4 . .F .R2 . R0 .L . . z L3 tg 2 ( . ) ＋ 3R 2 . 12 Cos Cos
7
多点测温仪
测温范围：0-900℃ 测温精度：±1℃ 采样周期：800ms 通道数目：1-8
8
搅拌针扎入过程温度分布
υ
υ
υ
ω
ω
ω
后腔
前腔 搅拌针前部
后腔 搅拌针后部
前腔
前腔
后腔
后腔
(a)
υ
(b)
υ
(c)
ω
ω
前进侧
流动起始位置
接合线 弧峰
后退侧 软化层
前腔
流动终止位置
后腔
弧峰
(d) (e) 轴肩端面附近软化层流动模型
22
（2）搅拌针上部附近软化材料流动
υ
搅拌 针前 部 搅拌 针后 部
软化壳体
υ
搅拌 针前
ω
部
软化微元
残余应力, Mpa
42.5 42.0 41.5 41.0
25.8 40.5 40.0 40 60 80 100 120 140 160 25.7 25.6
焊速, mm/min
焊速对最大残余应力的影响
随着焊速的增大，热影响区的残余拉应力有明 显降低的趋势；而在焊缝区内的残余压应力有增 大的趋势。
18
残余应力, Mpa
250
200
150
150
100
100
预 热时 间, s
0
100
200
300
预 热时 间, s
400
500
600
700
800