搅拌摩擦焊的现状与发展

搅拌摩擦焊的现状与发展搅拌摩擦焊的现状与发展中国工程院院士（研究员）关桥高级工程师栾国红摘要: 搅拌摩擦焊技术发明至今14年以来，无论在国外还是在国内，已经成功跨出试验研究阶段，发展成为在铝合金结构制造中可以替代熔焊技术的工业化实用的固相连接技术；这项新型的焊接技术在航空航天飞行器、高速舰船快艇、高速轨道列车、汽车等轻型化结构以及各种铝合金型材拼焊结构制造中，已经展示出显著的技术和经济效益，诸如：根除了熔焊所固有的焊接缺陷（气孔、凝固裂纹等）、提高了接头和结构的连接质量、降低了焊接变形等;并且在其他轻金属如镁、铜、锌等材料结构的制造中也正在实施工程化应用。

与搅拌摩擦焊相适应的焊接新装备和搅拌工具的发展也非常快，为实施搅拌摩擦焊工艺方案（如消除搅拌匙孔）及提高各类材料接头的质量，各种类别的新型搅拌摩擦焊接设备、自动化装置及机器人搅拌摩擦焊机等相继问世。

搅拌摩擦焊目前的发展目标之一是攻克在高熔点金属材料连接中的难题，诸如：普通碳钢、不锈钢、钛合金、甚至高温合金等结构材料的固相连接，进一步优化搅拌工具的型体设计与材料选取，以及焊接过程参数的监控及焊接质量实时检测和控制,制订标准。

关键词：搅拌摩擦焊铝合金焊接轻金属焊接0 前言1991年,英国焊接研究所（The Welding Institute-TWI）发明了搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding-FSW），这项杰出的焊接技术发明正在为世界制造技术的进步做出贡献。

在国外,搅拌摩擦焊已经在诸多制造领域达到规模化、工业化的应用水平。

如在船舶制造领域，在1996年搅拌摩擦焊就在挪威MARINE公司成功地应用在铝合金快速舰船的甲板、侧板等结构件的流水线制造。

在轨道车辆制造领域，日本HITACHI公司首先于1997年将搅拌摩擦焊技术应用于列车车体的快速低成本制造，成功实现了大壁板铝合金型材的工业化制造。

在世界宇航制造领域，搅拌摩擦焊已经成功代替熔焊实现了大型空间运载工具如运载火箭和航天飞机等的大型高强铝合金燃料贮箱的制造，波音公司的DELTA II型和IV型火箭已经全部实现了搅拌摩擦焊制造，并于1999年首次成功发射升空。

2000年世界汽车工业，如美国TOWER汽车公司等就利用搅拌摩擦焊实现了汽车悬挂支架、轻合金车轮、防撞缓冲器、发动机安装支架以及铝合金车身的焊接。

2002年8月，美国月蚀航空公司利用FSW技术研制出了全搅拌摩擦焊轻型商用飞机，并且首次试飞成功。

――――――――――――――――――――――――――――1 中国工程院院士,研究员2 中国搅拌摩擦焊中心（北京赛福斯特技术有限公司）高级工程师截至2004年9月，全世界约有130家各个行业的公司和大学、研究机构获得了英国焊接研究所授权的搅拌摩擦焊非独占性专利许可。

已经有多个国家如：英国、美国、法国、德国、瑞典、日本和中国等, 把搅拌摩擦焊技术扩大应用的同时,在世界范围内申请了与搅拌摩擦焊相关技术的专利.自1997年起平均每年有100～120项搅拌摩擦焊技术专利申请;到2004年底，全世界已经公开的搅拌摩擦焊专利申请达到了1218项。

作为一种新型制造产业,搅拌摩擦焊技术正在世界范围内兴起！1 搅拌摩擦焊的技术特点搅拌摩擦焊作为一项新型焊接方法，用很短的时间就完成了从发明到工业化应用的历程。

目前,在国际上还没有针对搅拌摩擦焊公布的统一技术术语标准，在搅拌摩擦焊专利许可协会的影响下，业界已经对搅拌摩擦焊方法中所涉及到的通用技术术语进行了定义和认可。

图1示出了搅拌摩擦焊所用到的主要描述性术语。

图1搅拌摩擦焊原理示意与名词术语搅拌摩擦焊技术所涉及到的主要技术术语定义如下：搅拌头（Pin tool）－搅拌摩擦焊的施焊工具；搅拌头轴肩（Tool Shoulder）－搅拌头与工件表面接触的肩台部分；搅拌针（Tool Pin）－搅拌头插入工件的部分；前进侧（Advanced Side）－焊接方向与搅拌头轴肩旋转方向一致的焊缝侧面；回转侧（Retreating Side）－焊接方向与搅拌头轴肩旋转方向相反的焊缝侧面；轴向压力（Down or Axial Force）－向搅拌头施加的使搅拌针插入工件和保持搅拌头轴肩与工件表面接触的压力；搅拌摩擦焊是一种在机械力和摩擦热作用下的固相连接方法。

如图1所示，搅拌摩擦焊过程中，一个柱形带特殊轴肩和针凸的搅拌头旋转着缓慢插入被焊接工件，搅拌头和被焊接材料之间的摩擦剪切阻力产生了摩擦热，使搅拌头邻近区域的材料热塑化（焊接温度一般不会达到和超过被焊接材料的熔点），当搅拌头旋转着向前移动时，热塑化的金属材料从搅拌头的前沿向后沿转移，并且在搅拌头轴肩与工件表层摩擦产热和锻压共同作用下，形成致密固相连接接头。

搅拌摩擦焊具有适合于自动化和机器人操作的诸多优点，对于有色金属材料（如铝、铜、镁、锌等）的连接,在焊接方法、接头力学性能和生产效率上具有其他焊接方法无可比拟的优越性，它是一种高效、节能、环保型的新型连接技术。

但是搅拌摩擦焊也有其局限性，例如：焊缝末尾通常有匙孔存在（目前已可以实现无孔焊接）；焊接时的机械力较大，需要焊接设备具有很好的刚性；与弧焊相比,缺少焊接操作的柔性；不能实现添丝焊接。

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，由于搅拌摩擦焊接过程较低的焊接温度和较小的热输入，一般搅拌摩擦焊接头具有变形小、接头性能优异等特点;可以焊接目前熔焊“不能焊接”和所谓“难焊”的金属材料如：Al-Cu(2xxx系列) 、Al-Zn(7xxx系列)和Al-Li(如8090、2090 和2195铝合金)等铝合金。

另外，搅拌摩擦焊对于镁合金、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连接也是优先选择的焊接方法；目前，搅拌摩擦焊还成功地实现了不锈钢、钛合金甚至高温合金的优质连接。

搅拌摩擦焊可以较容易实现异种材料的连接，例如铝合金和不锈钢的搅拌摩擦焊接，利用搅拌摩擦焊可以较方便的实现铝－钢板材之间的连接和铜铝复合焊接接头。

搅拌摩擦焊发明初期主要解决厚度1.2~6毫米的铝合金板材焊接问题;1996年，用FSW技术解决了6～12毫米的铝、镁、铜合金的连接.1997年实现了12~25毫米厚铝合金板的搅拌摩擦焊，并且在宇航结构件上得到应用.1999年搅拌摩擦焊可以焊接50毫米厚的铜合金及75毫米厚度的铝合金零件和产品.2004年，英国焊接研究所已经能够单道单面实现100毫米厚铝合金板材的搅拌摩擦焊。

迄今，在材料的厚度上，单道焊可以实现厚度为0.8~100mm铝合金材料的焊接；双道焊可以焊接180mm厚的对接板材。

最近,又开发了可以连接0.4mm铝板的微型搅拌摩擦焊技术.搅拌摩擦焊是长、直规则焊缝（平板对接和搭接）的理想焊接方法.搅拌摩擦焊也已可以实现2-D、3-D结构的焊接,如筒形零件的环缝和纵缝;可以实现全位置空间焊接，如水平焊、垂直焊、仰焊以及任意位置和角度的轨道焊。

图2示出了多种典型的搅拌摩擦焊接头形式，如多层对接、多层搭接、T形接头、V形接头、角接等。

与传统钨极氩弧焊（TIG）和熔化极氩弧焊（MIG）焊接相比较，搅拌摩擦焊在接头力学性能上据有明显的优越性。

例如,对于6.4mm厚的2014-T6铝合金，FSW焊接头性能比TIG焊高16％;对于12.7毫米厚的2014-T6铝合金，FSW 焊接头性能比TIG焊高22％.搅拌摩擦焊接头性能数据一致性较好，工艺稳定，焊接接头质量容易保证。

图 2 搅拌摩擦焊的接头形式搅拌摩擦焊接头的疲劳性能一般都优于熔焊接头。

1996年英国焊接研究所对6mm厚度的2014-T6、 2219-T6、5083-0 和7075-T7351等铝合金进行了搅拌摩擦焊接头的疲劳性能研究，结果表明搅拌摩擦焊接头的疲劳性能优于欧洲弧焊标准（ECCS class B3）。

2 搅拌摩擦焊在国外的发展搅拌摩擦焊作为一种轻合金材料连接的优选焊接技术，已经从技术研究，迈向高层次的工程化和工业化应用阶段,形成了一个新的产业: 搅拌摩擦焊设备的制造、搅拌摩擦焊产品的加工.如在美国的宇航制造工业、北欧的船舶制造工业、日本的高速列车制造等制造领域，搅拌摩擦焊得到了广泛的应用,均已形成新兴产业。

2.1搅拌摩擦焊在铝合金结构制造中取代传统熔焊搅拌摩擦焊已成功地实现了鋁合金、镁合金构件制造大规模的工业化应用。

下面列举一些典型的应用实例。

2.1.1 搅拌摩擦焊在船舶制造工业中的应用早在1995年，挪威Hydro Marine Aluminium公司就将FSW技术应用于船舶结构件的制造（见图3），采用搅拌摩擦焊技术将普通型材拼接，制造用于造船业的宽幅型材。

该焊接设备以及工艺已经获得Det Norske Veritas和Germanischer Lloyd的认可。

从1996到1999，已经成功焊接了1700块船舶面板，焊缝总长度超过110km。

在造船领域,搅拌摩擦焊适用面很宽：船甲板、侧板、船头、壳体、船舱防水壁板和地板,船舶的上层铝合金建筑结构,直升飞机起降平台,离岸水上观测站,船舶码头,水下工具和海洋运输工具,帆船的桅杆及结构件,船上制冷设备用的中空挤压铝板等。

图3 挪威Hydro Marine Aluminium采用搅拌摩擦焊技术制造船用宽幅铝合金型材2.1.2 搅拌摩擦焊在航空航天工业中的应用航空航天飞行器铝合金结构件，如飞机机翼壁板、运载火箭燃料储箱等，选材多为熔焊焊接性较差的2000及7000系列鋁合金材料，而搅拌摩擦焊可以实现这些系列铝合金的优质连接,国外已经在飞机、火箭等宇航飞行器上得到应用。

采用搅拌摩擦焊提高了生产效率，降低了生产成本，对航空航天工业来说有着明显的经济效益。

波音公司首先在加州的HuntingtonBeach工厂将搅拌摩擦焊应用于Delta II运载火箭4.8米高的中间舱段的制造（纵缝，厚度22.22毫米，2014铝合金），该运载火箭于1999年8月17日成功发射升空。

2001年4月7日，“火星探索号”发射升空，采用搅拌摩擦焊技术，压力贮箱焊缝接头强度提高了30％, 搅拌摩擦焊制造技术首次在压力结构件上得到可靠地应用。

波音公司在阿拉巴马州的Decatur工厂将搅拌摩擦焊技术用于制造DeltaⅣ运载火箭中心助推器。

DeltaⅣ运载火箭贮箱直径为5m,材料改为2219-T87铝合金。

到2002年4月为止，搅拌摩擦焊已成功焊接了2100m无缺陷焊缝应用于Delta II火箭，1200m无缺陷焊缝应用于Delta IV火箭。

采用搅拌摩擦焊节约了60％的成本，制造周期由23天降低为6天。

欧洲Fokker宇航公司将搅拌摩擦焊技术用于Ariane 5发动机主承力框的制造（图4），承力框的材料为7075-T7351，主体结构由12块整体加工的带翼状加强的平板连接而成，结构制造中用搅拌摩擦焊代替了螺栓连接，为零件之间的连接和装配提供了较大的裕度，并可减轻结构重量，提高生产效率。