近现代最伟大的发明之一——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。
汽车制造新技术——搅拌摩擦焊
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。
搅拌摩擦焊
搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding ，简称FSW ）是由英国焊接研究所于1991年提出的一种固态连[1]接方法。
与传统的熔化焊接方法相比较，搅拌摩擦焊具有晶粒细小、力学性能良好、焊接时不需使用保护气体、焊接后残余应力和变形小等优[2]点。
搅拌摩擦焊自提出以来，引起了各国学者和研究机构的广泛重视，成为了国内外的研究热点。
经过十几年的发展，搅拌摩擦焊这种新型固相焊接方法已经从技术研究层面迈向高层次的工程化和工业化应用阶段，成为铝及铝合金首选的连接工艺。
目前，搅拌摩擦焊在航空航天工业、造船业、汽车业等工业领域有了广泛的应用。
近年来，国内轨道车辆制造技术快速改进，搅拌摩擦焊技术开始用于铝合金车体制造。
搅拌摩擦焊铝合金车体的成功试制，标志着搅拌摩擦焊技术在国内轨道车辆工程化应用的开始。
1、搅拌摩擦焊工艺及接头组织性能特点1.1 搅拌摩擦焊焊接工艺过程[3]搅拌摩擦焊的焊接工艺如图1-1所示。
置于垫板上的对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1-接缝；2-搅拌头前沿；3-前进侧；4-母材；5-搅拌针；6-搅拌头后沿；7-焊缝；8-搅拌头旋转方向；9-后退侧图1-1 搅拌摩擦焊焊接工艺过程件表面为止。
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轴向压力 前进方向12 34 56789超塑性状态。
结果，焊针摩擦接缝，破碎氧化膜，搅拌焊头后方的磨碎材料。
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。
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。
一文读懂搅拌摩擦焊
1搅拌摩擦焊概览搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding，FSW）作为一种固相连接技术，在1991年由英国焊接研究所（The Welding Institute, TWI）发明。
与传统熔化焊相比，FSW无需添加焊丝、不需要保护气体，焊接过程无污染、无烟尘、无辐射，焊接接头残余应力低，因此具有焊接效率高、焊接变形小、能耗低、设备简单、焊接过程安全等一系列优点。
经过20多年的发展，FSW已经在航空航天、轨道交通、舰船等领域得到了广泛应用。
搅拌摩擦焊的原理如图1所示。
高速旋转的搅拌头扎入被焊工件内，旋转的搅拌针与被焊材料发生摩擦并使其发生塑化，轴肩与工件表面摩擦生热并用于防止塑性状态的材料溢出。
在焊接过程中，工件要刚性固定在背部垫板上，搅拌头边高速旋转边沿工件的接缝与工件相对移动，在搅拌头锻压力的作用下形成焊缝，最终实现被焊工件的冶金结合。
图1 搅拌摩擦焊接原理搅拌摩擦焊广泛适用于各类材料，目前已成功实现了铝、镁等低熔点金属及合金、铜合金、钛合金、钢铁材料、金属基复合材料以及异种金属（铝/铜、铝/镁、铝/钢等）的焊接。
在传统技术的基础上，搅拌摩擦焊有了五大创新发展：双轴肩搅拌摩擦焊、静轴肩搅拌摩擦焊、搅拌摩擦点焊、复合能场搅拌摩擦焊、搅拌摩擦增材制造。
双轴肩搅拌摩擦焊（Bobbin Tool Friction Stir Welding，BT-FSW）与传统FSW相比，其搅拌头为上、下轴肩结构，两个轴肩通过搅拌针连接，下轴肩取代了传统FSW的背部刚性支撑垫板，对工件进行自支撑，实现中空部件的焊接。
其焊接原理如图2所示。
上、下双轴肩的结构在焊接过程中降低了接头厚度方向的温度梯度，减小了接头组织不均匀性，可实现根部全焊透的焊接。
图2 双轴肩搅拌摩擦焊接原理1.上轴肩2.前进侧3.熔合线4.后退侧5.工件6.搅拌针7.下轴肩静轴肩搅拌摩擦焊（Stational Shoulder Friction Stir Welding,SS-FSW）采用轴肩与搅拌针分体式设计，在焊接过程中内部搅拌针处于旋转状态，而外部轴肩不转动，仅沿焊接方向行进。
搅拌摩擦焊资料
搅拌摩擦焊一、搅拌摩擦焊的定义及原理搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding，简称FSW）是基于摩擦焊技术的基本原理，由英国焊接研究所（TWI）于1991年发明的一种新型固相连接技术。
与常规摩擦焊相比，其不受轴类零件的限制，可进行板材的对接、搭接、角接及全位置焊接。
与传统的熔化焊方法相比，搅拌摩擦焊接头不会产生与熔化有关的如裂纹、气孔及合金元素的烧损等焊接缺陷；焊接过程中不需要填充材料和保护气体，使得以往通过传统熔焊方法无法实现焊接的材料通过搅拌摩擦焊技术得以实现连接；焊接前无须进行复杂的预处理，焊接后残余应力和变形小；焊接时无弧光辐射、烟尘和飞溅，噪音低；因而，搅拌摩擦焊是一种经济、高效、高质量的“绿色”焊接技术，被誉为“继激光焊后又一次革命性的焊接技术”。
搅拌摩擦焊方法与常规摩擦焊一样，搅拌摩擦焊也是利用摩擦热作为焊接热源。
不同之处在于搅拌摩擦焊焊接过程是由一个圆柱体形状的焊头(伸入工件的接缝处，通过焊头的高速旋转，使其与焊接工件材料摩擦，从而使连接部位的材料温度升高软化同时对材料进行搅拌摩擦来完成焊接的。
二．搅拌摩擦焊焊接过程搅拌摩擦焊是利用摩擦热作为焊接热源的一种固相连接方法，但与常规摩擦焊有所不同。
在进行搅拌摩擦焊接时，首先将焊件牢牢地固定在工作平台上，然后，搅拌焊头高速旋转并将搅拌焊针插入焊件的接缝处，直至搅拌焊头的肩部与焊件表面紧密．接触，搅拌焊针高速旋转与其周围母材摩擦产生的热量和搅拌焊头的肩部与焊件表面摩擦产生的热量共同作用，使接缝处材料温度升高而软化，同时，搅拌焊头边旋转边沿着接缝与焊件作相对运动，搅拌焊头前面的材料发生强烈的塑性变形。
随着搅拌焊头向前移动，前沿高度塑性变形的材料被挤压到搅拌焊头的背后。
在搅拌头轴肩与焊件表层摩擦产热和锻压共同作用下，形成致密的固相连接接头。
搅拌摩擦焊接过程如图所示:三．搅拌摩擦焊工艺（一）、搅拌摩擦焊接头形式搅拌摩擦焊可以实现棒材一棒材、板材一板材的可靠连接，接头形式可以设计为对接、搭接、角接及T形接头，可进行环形、圆形、非线性和立体焊缝的焊接。
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在传统焊接中，焊接后容易出现焊接质量缺陷，变形难控制等问题。
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