搅拌摩擦焊的应用现状及发展前景

现代焊接　搅拌摩擦焊的应用现状及发展前景　哈工大现代焊接生产技术国家重点实验室林三宝　赵衍华　吴　林　哈尔滨理工大学材料学院　戴鸿滨　

摘要：介绍了搅拌摩擦焊（Ｆｒｉｃｔｉｏｎ　Ｓｔｉｒ　Ｗｅｌｄｉｎｇ—ＦＳＷ）￣工艺过程，分析了搅拌摩擦焊接过程的优缺点　以及适用材料的研究现状。对搅拌摩擦焊在国外各个行业的应用作了简要的描述　关键词：搅拌摩擦焊；铝合金；应用现状　

Ｊ予吾　搅拌摩擦焊（ＦＳＷ）是英国焊接研究所（ＴＷＩ）于１　９９　１年　发明的一种新型固相连接方法，并于同年的ｌ２月在世界　范围内申请了专利保护。自从搅拌摩擦焊发明以来，　引起了世界范同的广泛关注。现在已经有很多公司应　用这项技术进行实际工业生产，尤其是用来焊接铝合　金：　搅拌摩擦焊接过程如图ｌ所示。在焊接时，带有轴　肩和圆柱体探针的搅拌头一边高速旋转，一边缓慢地　插入到被焊材料接缝处。被焊Ｔ件后面要加一块垫板　以防焊穿：而且被焊工件也需要夹紧固定，防止焊接　时搅拌头插入和旋转造成被焊Ｔ件间隙过大。焊接过　程中，搅拌头与被焊工件摩擦产热。产生的热量可以　使Ｔ件软化达到塑性状态，呈塑性的金属在搅拌头旋　转压力的挤压作用下，沿搅拌头探针从前进面被搅拌　到回撤面：随着搅拌头的　移动，高度塑性变形的金　属流向搅拌头的后部，冷　却后形成焊缝。　１　搅拌摩擦焊接方　法的特点　图１搅拌摩擦焊接过程　因为在搅拌摩擦焊时，摩擦产生的热量使被焊金　属仅仅达到塑性状态，而未能达到金属熔点，冈而属　于固相连接技术。可以用来焊接一些传统熔焊方法难　以焊接的金属材料，如铝合金、镁合金、铅等。同熔　焊相比，搅拌摩擦焊具有一系列的优点…，包括：　（１）变形小，即使是焊接长焊缝，变形也比熔焊时　

作者简介：　林三宝：男，工学博－￣－／副教授．．主要研究方向为　高效化焊接以及搅拌摩擦焊，发表论文３ｆ）余篇。　

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小的多；　ｆ２１机械性能良好，经疲劳、断裂、弯曲等试验，机　械力学性能比熔化焊好的多；　ｆ３１无炯尘、飞溅，工作环境好；　ｆ４１搅拌头属于非消耗性材料，一个搅拌头已经证明　可以焊接６０００系列铝合金１０００米而不需要更换新的搅拌　头。不需填丝、不需要保护气体：节省能源；　ｆ５）焊接过程操作简便，工人不需要特别的培训就可　胜任；　ｆ６）不需要特别焊前准备，薄层氧化皮可以在焊接过　程中自动去除：　ｆ７）搅拌摩擦焊设备可以经过现有的机床改造而成，　设备简单，易于实现自动焊接和机器人焊接：　随着研究的深入和发展，搅拌摩擦焊的缺点正被逐　渐改进，目前搅拌摩擦焊的不足之处主要有：　（１）相对于熔焊（ＭＩＧ焊）来说，搅拌摩擦焊的焊接速　度不是很高；　（２）被焊工件必须要夹紧固定；　（３）需要在焊缝背面加垫板；　ｆ４）在焊接结束时会留下一个Ｊ］￣４Ｌ：　

２　ＦＳＷ可焊材料的研究现状　理论上讲，只要搅拌头的性能可以满足要求（在被　焊材料的塑性温度下具有足够的热强度），搅拌摩擦焊　可以用来焊接多种材料和合金　实验证明选择合适的搅　拌头制造材料和搅拌头形状，可以实现下列材料的搅拌　摩擦焊连接　·铜及铜合金　

·多种系列铝合金　·铝基金属复合材料　·铅、锌　·钛及其合金　

维普资讯 http://www.cqvip.com ·镁合金，镁合金与铝合金的异种材料焊接　·低碳钢　表１给出了目前已经用于实际生产以及处于研究开　发状态的各系列铝合金材料以及相应的厚度。表２给出　了其它金属的ＦＳｗ研究情况。　表１各系列铝合金材料的ＦＳＷ研究情况　已经用　生产前　热门　探索　铝合金材料　于生产　研发阶段　的研究　性研究　ＩＸＸＸ　、／　２ｘｘｘ　２５．５０ｍｍ　、／　２ＸＸＸ＜２５ｍｍ　、／　３ｘｘＸ＜５ｍｉｎ　、／　４ＸＸＸ（５ｍｍ　、／　５ｘｘｘ＜２５ｍｍ　、／　６ｘｘｘ　２５一＞５０ｍｍ　、／　６ｘｘｘ＜２５ｍｍ　、／　７ｘｘｘ　２５．５０ｍｍ　、／　７ｘｘｘ＜２５ｍｍ　、／　８ｘｘｘ　、／　ＡＩ基复合材料　、／　ＡＩ—Ｍｇ铸件　、／　ＡＩ．ｓｉ铸件　、／　表２其它非铝合金材料的ＦＳＷ研究情况　材料种类　已经用于生产　生产前研发阶段　热门的研究　探索性研究　铜　纯铜　纯铜（厚件）　铜合金。黄铜和青铜　镁　注塑模铸件　铸件以及合金　钛　Ｔｉ－６ＡＩ—４Ｖ　合金　纯钛　Ｃ—Ｍｎ钢　各种级别　奥氏体不锈钢　３０９。３１６Ｌ以及３０４Ｌ　马氏体不锈钢　３Ｃｒ１２　镍　纯镍　锌　纯锌　铅　纯铅　３搅拌摩擦焊技术的应用情况　搅拌摩擦焊白发明以来，已经在造船、铁道车　辆、航空航天、汽车等制造领域显示出强劲的创新活　力和广阔的应用前景，并得到了广泛应用　”。　３．１　ＦＳＷ在造船业的应用　造船业是最早采用搅拌摩擦焊进行商业运作的产　业之一。每年挪威Ｈａｕｇｅｓｕｎｄ的Ｇｙｄｒｏ　Ｍａｒｉｎｅ　ＡＩｕｍｉｎｉｕｍ　铝板厂都要生产７０ｋｍ１）２　无缺陷ＦＳＷ铝板。这些材料　主要是用于造船业的船甲板、壳体、船舱壁等部位的　焊接。　３．２　ＦＳＷ在铁道车辆上的应用　搅拌摩擦焊由于其固有的优点，在铁路车辆上得　到了很好的应用。　日立公司在做单层和双层挤压件连接时都采用了　ＦＳＷ技术，用于市郊列车和特快列车车辆的制造。日本　轻金属公司已将Ｆｓｗ工艺用于地铁车辆，采用这种工艺　现代焊接　进行的接合工作量工件长度已经超ｘ：＿￣Ｔ３ｋｍ。由住友轻金　属公司生产的ＦＳＷ焊接　板用于日本新干线车　辆的制造。　３．３　ＦＳＷ在飞机制造　业中的应用　目前国外公司已　经在数控多坐标铣床　和焊接机器人系统上　应用搅拌摩擦焊技术，　

图２挪威全铝船的ＦＳＷ焊接　

实现搅拌摩擦焊的变截面或空间　曲线轨迹的焊接。波音公司已经成功地实现了复杂结构　的飞机门的曲线搅拌摩擦焊焊接，另外在战斗机的裙翼　上成功地实现了薄板Ｔ形接头的搅拌摩擦焊连接，并进　行了相关飞行测试。　３．４　ＦＳＷ在航空航天中的应用　美国航天部门成功地焊接了以往难以焊接的７０７５铝　合金低温燃料　箱。　５４５４铝合金经ＦＳＷ焊　接后有很好的抗腐蚀　性。波音公司用　ＦＳＷ焊接生产了Ｄｅｌｔａ　ＩＶ运载火箭的贮箱。　材料为２２　１　９一Ｔ８７铝合金。　

誓墨■　－巴一　■—■●■　●—●＾●■Ｆ殂ｆ　ｌ　●　－　Ｉ　目　－Ｅｃｌｉｐｓｅ　５ｌ１Ｉ１商用喷气式飞机的ＦＳＷＪ　●　要　

洛一马公司制造航天飞机外贮箱的Ｍｉｃｈｏｕｄ３－＿厂利用　现有Ｔ装设备，采用ＦＳＷ方法，成功焊接厚度１６～２０ｍｍ，直　径２ｍＤ￣ＪＺ，长４．５７ｍ的２１９５一Ｔ７铝锂合金贮箱圆筒壳段，预计　将会采用ＦＳＷ代替ＧＴＡＷ方法焊接航天飞机外贮箱。　３．５　ＦＳＷ在其他工业方面的应用　轿车制造业也正在采用ＦＳＷ３￣艺。例如日本的ｓｈ。ｗ　Ｄｅｎｋｏ公司采用该工艺制作悬臂梁，其优点是ＦＳＷ热输入　量低，在焊接之前可以进行硫化处理，并且焊后变形　小、质量高。　４国内的研究情况　国内许多高校（如哈尔滨Ｔ业大学、南昌航空学院、　上海交通大学等）和研究所（北京航空制造工程研究所１针　对ＦＳＷ技术进行了广泛的研究，其中北京航空制造工程　研究所下属的北京赛福斯特公司已经为国内多家企业和　高校制造了搅拌摩擦焊设备。哈尔滨工业大学近年来也　针对各系列的铝合金、镁合金、铝锂合金等材料及异种　

（下转第６８页）　瑗代焊接２００４年第１期总第２５期　６５　

维普资讯 http://www.cqvip.com 现代焊接　２　模型工作原理：　在焊接过程中，当输出缓冲区（Ｓ　）有自由空问时，　待焊工件由Ｔ件源装载到缓冲区中；如果控制系统证　实变位机空闲，待焊工件将被装卡到变位机上（ｓ＾）；　旦Ｔ件准备好，焊接过程开始进行（Ｓ。）；如果焊缝　熔透传感器检测到调整信号，电源控制参数将被调整　以适应良好焊缝成形的要求（ｔＪｔ。），焊缝跟踪传感器　检测信号并调　整焊枪姿态的　过程（ｔ．　）与　此相同；焊接　结束后进行后　处理工序　（Ｓ，　），同时　检查输出缓冲　区是否存在自　图２单机器人ＦＭｓ的ＳＷＴＣＰＮ模型　由空间（ｓ．　）；如果全部条件满足，被焊Ｔ件将被下装　入输　缓冲区并等待转入输出接收器，至此完成整个　ＷＦＭＳ焊接加工过程的ＳＷＴＣＰＮ调度控制＝　３　结论　本文针对单弧焊机器人的ＦＭｓ进行￣ｐｅｔｒｉＭ模型的建立，　从理论上分析并解决了弧焊柔性系统的各种信息并发、　同步等事件的建模问题；同时对机器人焊接ＦＭＳ的加工　过程，提出具有约束弧功能的焊接时间有色ＰＮ网的方法　建模，很好的表现了系统的功能和特　，模型具有良好　的动态性，从而为整个焊接ＦＭＳ的协调控制提供了依　据，也对ＰＮ理论在焊接中的应用进行了尝试，拓展了　ＰＮ理论的应用途径。　参考文献　［１．］邱涛．弧焊机器人柔性加工单元系统集成及优化　技术研究．哈尔滨工业大学博士论文．２００１．５　［２．］郑大钟，赵干川Ｉ．离散事件动态系统．一北京：　清华大学　版社，２０００　［３．］Ｑｉｕ　Ｔａｏ，Ｃｈｅｎ　Ｓｈａｎｂｅｎ，Ｗｕ　Ｌｉｎ，ｅｔｃ．Ｐｅｔｒｉ　ｎｅｔ　ｂａｓｅｄ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｆｏｒ　ｗｅｌｄｉｎｇ　ｆｌｅｘｉｂｌｅ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　ｃｅｌ１．ＣＨＩＮＡ　ＷＥＬＤＩＮＧ．Ｖｏ１．１０，Ｎｏ．１．Ｍａｙ　２００１　

（上接第６５页）　材料的ＦＳＷ焊接开展了工艺和机理方面的研究，取得了　定的研究成果：　５结束语　ＦＳＷ焊接工艺已经应用于航空、航天、造船、汽　车、铁路等工业领域。随着焊接技术的发展和焊接设　备的开发，可应用ＦＳＷ焊接的材料会更加广泛，其能够　优化接头性能，降低生产成本，而且很容易实现自动　化生产：ＦＳＷ焊接对连接技术的发展将会产生卢＝大的推　动作用：　参考文献：　［１】Ｔｈｏｍａｓ　Ｗ　Ｍ，Ｎｉｃｈｏｌａｓ　Ｅ　Ｄ，Ｆｒｉｃｔｉｏｎ　ｓｔｉｒ　ｗｅｌｄｉｎｇ　ｆ０ｒ　ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ　ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ．Ｍａｔｅｒｉａｌｓ＆ｄｅｓｉｇｎ１　９９７．　

１　６ｆ４１：２６９－２７３　

［２］Ｄａｗｅｓ　Ｃ　Ｊ，Ｔｈｏｍａｓ　Ｗ　Ｍ．Ｆｒｉｃｔｉｏｎ　ｓｔｉｒ　Ｄｍｃｅｓｓ　ｗｅｌｄｓ　ａｌｕｍｉｎｕｍ　ａｌｌｏｙｓ．Ｗｅｌｄｉｎｇ　Ｊｏｕｒｎａｌ，１９９６，７５ｆ３１：４１～４５　［３］　Ｋｎｉｐｓｔｒｏｍ，Ｋａｒｌ－Ｅｒｉｋ，Ｐｅｋｋａｒｉ　Ｂｅｒｔｉｌ．Ｆｒｉｃｔｉｏｎ　ｓｔｉｒ　ｗｅｌｄｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｇｏｅｓ　ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌＷｅｌｄｉｎｇ　Ｊｏｕｒｎａｌ，１　９９７，　

７６ｆ９１：５５－５７　［４］　栾国红，郭德伦等．搅拌摩擦焊在飞机制造Ｔ业　

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中的应用．航空制造技术，２００２，ｆ１　１）：２０～２４．　［５］　夏德顺．搅拌摩擦焊接在运载火箭上的应用．导弹　与航天运载技术．２００２，ｆ４１：２７～３２　［６］　柯黎明，邢丽，刘鸽平．搅拌摩擦焊Ｔ艺及其应用．　南昌航空Ｔ业学院学报，１９９９，１３ｆ３１：１～５　［７］Ｄａｗｅｓ　Ｃ　Ｊ．Ｃａｕｓｉｎｇ　ａ　ｓｔｉｒ　ｉｎ　ｗｅｌｄｉｎｇ　ｃｉｒｃｌｅｓ．Ｓｈｅｅｔ　Ｍｅｔａｌ　Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ　１　９９５，７２ｆ９１：３４３５～３４３７　［８］　Ｅｓｐａｒｚａ　Ｊ　Ａ，Ｄａｖｉｓ　Ｗ　Ｃ；ｅｔ　ａ１．Ｆｒｉｃｔｉｏｎ—ｓｔｉｒ　ｗｅｌｄｉｎｇ　ｏｆ　ｍａｇｎｅｓｉｕｍ　ａｌｌｏｙ　ＡＺ３　１　Ｂ．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｌｅｔｔｅｒｓ，２００２，２　１　ｆ２１：９　１　７￣９２０　［９］　Ｒｏｍｍｅｖａｕｘ　Ｊ　Ｃ，Ｌｉ　Ｙｉｎｇ，Ｔｒｉｌｌｏ　Ｅ　Ａ．ｅｔ　ａ１．Ｆｒｉｃｔｉ０ｎ～　ｓｔｉｒ　ｗｅｌｄｉｎｇ　ｏｆ　ａｌｕｍｉｎｕｍ　ａｌｌｏｙ　２０２４　ｔｏ　ｓｉｌｖｅｒＪｏｕｒｎａｌ　ｏｆ