搅拌摩擦焊的原理与应用

摘　要：搅拌摩擦焊是摩擦焊方法的新发展，是英国焊接研究所提出的专利技术。它可以对多种熔化焊接性差的有色金属等材料进行可靠的连接，而且连接工艺简单、并有较好的工艺适应性。现已开始应用在航空航天与交通运输等领域的结构制造，并显示出良好的工程应用前景。本文主要介绍了搅拌摩擦焊的方法、过程和特点。
关键词：搅拌摩擦焊；铝合金；工艺参数
分类号：TG439.8　文献标识码：A
文章编号：1001－2303(2000)01－0006－04

The principle and Application of the Friction Stir Welding

SHI Yao－wu et al
(Beijing Industry University)

Abstract：The patent technology of the friction stir welding is advanced by the welding research institute of England.The friction welding is a new development of friction welding method.It can reliable join for varied weldability poor nonferrous metal etc material.The join technology is simple and technology adaptability is quite good in the friction stir welding.It is application in aviation & spaceflight and communications & transportation.The method and process and characteristic of the friction stir welding is inlroduced.
Key words：friction stir welding;；Al－alloy；technology parameter▲

1　前言
　　摩擦焊是利用工件端面相互运动、相互摩擦所产生的热，使端部达到热塑性状态，然后迅速顶锻，完成焊接的一种方法。摩擦焊可以方便地连接同种或异种材料，包括金属、部分金属基复合材料、陶瓷及塑料。摩擦焊方法在制造业中已应用40多年了，由于其生产率高、质量好获得了广泛的工程应用，但焊接的对象主要是回转形零件，虽然也有其它形式的摩擦焊技术出现，以克服被焊工件几何形状的限制或提高生产率，如相位摩擦焊、径向摩擦焊、线性摩擦焊等，但实际应用很少。最近还出现了摩擦堆焊，在工件上形成特殊性能的表面层。
　　搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding)是英国焊接研究所TWI(The Welding Institute)提出的专利焊接技术^{［1,2］。搅拌摩擦焊除了具有普通摩擦焊技术的优点外，还可以进行多种接头形式和不同焊接位置的连接。挪威已建立了世界上第一个搅拌摩擦焊商业设备，可焊接厚3～15mm、尺寸6×16m2的A1船板；1998年美国波音公司的空间和防御实验室引进了搅拌摩擦焊技术，用于焊接某些火箭部件；麦道公司也把这种技术用于制造Delta运载火箭的推进剂贮箱。本文主要介绍搅拌摩擦焊的方法、过程、特点以及焊接质量。}

2　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(welding pin)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。焊接过程如图1所示。在焊接过程中，工件要刚性固定在背垫上，焊头边高速旋转，边沿工件的接缝与工件相对移动。焊头的突出段伸进材料内部进行摩擦和搅拌，焊头的肩部与工件表面摩擦生热，并用于防止塑性状态材料的溢出，同时可以起到清除表面氧化膜的作用。

图1　搅拌摩擦焊接过程示意图

　　在焊接过程中，焊头在旋转的同时伸入工件的接缝中，旋转焊头与工件之间的摩擦热，使焊头前面的材料发生强烈塑性变形，然后随着焊头的移动，高度塑性变形的材料流向焊头的背后，从而形成搅拌摩擦焊焊缝。
　　搅拌摩擦焊对设备的要求并不高，最基本的要求是焊头的旋转运动和工件的相对运动，即使一台铣床也可简单地达到小型平板对接焊的要求。但焊接设备及夹具的刚性是极端重要的。焊头一般采用工具钢制成，焊头的长度一般比要求焊接的深度稍短。
　　应该指出，搅拌摩擦焊缝结束时在终端留下个匙孔。通常这个匙孔可以切除掉，也可以用其它焊接方法封焊住。

3　搅拌摩擦的特点
　　搅拌摩擦焊的提出与A1合金的焊接有很大关系。A1合金广泛应用在飞机、航天器、船舶、高速火车等制造领域。特别是高强度A1合金，在采用传统的熔化焊接方法时，即使采用很好的变极性焊接设备，也仍然容易产生焊接裂纹等焊接缺陷。搅拌摩擦焊是固相焊接。以6016－T6高强度A1合金为便，该合金的熔化温度约为582℃，而焊缝中心的最高温度仅450℃左右，所以搅拌摩擦焊时不会产生与金属熔化有关的焊接缺陷。
　　而且焊接过程中也不需要其它焊接消耗材料，如焊条、焊丝、焊剂及保护气体等。唯一消耗的是焊接搅拌头。通常在A1合金焊接时，一个工具钢搅拌头可焊到800m长的焊缝。
　　同时，由于搅拌摩擦焊接时的温度相对较低，因此焊接后结构的残余应力或变形也较熔化焊小得多。特别是A1合金薄板熔化焊接时，结构的平面外变形是非常明显的，无论是采用无变形焊接技术还是焊后冷、热校形技术，都是很麻烦的，而且增加了结构的制造成本。
　　目前搅拌摩擦焊主要是用在熔化温度较低的有色金属，如A1、Cu等合金。这和搅拌头的材料选择及搅拌头的工作寿命有关。当然，这也和有色金属熔化焊接相对困难有关，迫使人们在有色金属焊接时寻找非熔化的焊接方法。对于延性好、容易发生塑性变形的黑色材料，经辅助加热或利用其超塑性，也有可能实现搅拌摩擦焊，但这就要看熔化焊和搅拌摩擦焊哪个技术经济指标更合理来决定。
　　搅拌摩擦焊在有色金属的连接中已获得成功的应用，但由于焊接方法特点的限制，目前仅限于结构简单的构件，如平直的结构或圆筒形结构的焊接，而且在焊接过程中工件要有良好的支撑或衬垫。原则上，搅拌摩擦焊可进行多种位置焊接，如平焊，立焊，仰焊和俯焊；可完成多种形式的焊接接头，如对接、角接和搭接接头，甚至厚度变化的结构和多层材料的连接，也可进行异种金属材料的焊接。
　　另外，搅拌摩擦焊作为一种固相焊接方法，焊接前及焊接过程中对环境的污染小。焊前工件无需严格的表面清理准备要求，焊接过程中的摩擦和搅拌可以去除焊件表面的氧化膜，焊接过程中也无烟尘和飞溅，同时噪声低。
　　由于搅拌摩擦焊仅仅是靠焊头旋转并移动，逐步实现整条焊缝的焊接，所以比熔化焊甚至常规摩擦焊更节省能源。

4　搅拌摩擦焊工艺
　　目前，搅拌摩擦焊在铝合金的连接方面研究得最多，已成功地进行了搅拌摩擦焊接的铝合金包括2000系列(Al－Cu)、5000系列(Al－Mg)、6000系列(Al－Mg－Si)、7000系列(Al－Zn－Mg)、8000系列(Al－Li)等。
　　搅拌摩擦焊工艺参数很简单，最重要的参数是：搅拌头的尺寸、搅拌头的圆周速度以及搅拌头与工件的相对移动速度。表1是几种有色金属常用的焊接速度。一般来说，对于铝合金的焊接，焊头的旋转速度可以从几百r/min到上千r/min。焊接速度一般在1mm/s～15mm/s之间。所以搅拌摩擦焊可以很方便地实现自动控制。另外，在焊接过程中焊头要压紧工件。

表1　有色金属常用的焊接速度

材料板厚(mm)焊接速度(mm/s)焊道数A16082－T6512.51A16082－T6612.51A16082－T6106.21A14212－T6252.21A16082－T6303.02Cu 50100.78.81Cu 50107.46.31A14212+Cu50101+0.78.81

　　例如，对1100和6061冷轧板进行搅拌摩擦焊，板厚6.3mm。搅拌头的直径为6.3mm,长度为5.8mm。当焊接速度为1～4mm/s，搅拌头的转速在200～2000r/min的范围改变时，形成优质焊缝的最佳转速是400r/min。在转速过高时，例如超过10000r/min,引进材料应变速率增加，可能影响焊缝的再结晶过程。

5　焊接接头性能
　　在搅拌摩擦焊接头中，除了包括常见的焊缝区(搅拌区)，热影响区和母材外，还存在一个搅拌影响区(Stir affected zone)。图2为在焊接过程中从试件背面拍摄的焊接区形貌，从搅拌区前试件接缝的走向可以明显看出搅拌影响区的存在。由图3所示的焊接接头硬度分布也能证明搅拌影响区的存在。6061－T6(A1Mg1SiCu)为冷轧时效强化铝合金，温度的升高会造成材料硬度和强度的降低，但由于搅拌的影响，使得近邻焊缝区域的材料发生变形强化，从而形成搅拌影响区。在图3中，硬度最低点至焊缝边界之间的区域即为搅拌影响区。

图2　焊接过程中的搅拌摩擦焊接头

图3　6061－T6铝合金搅拌摩擦焊接头的硬度分布

　　Al 6061－T6试件的搅拌摩擦焊温度场测试表明，焊缝中心最高温度为450℃左右(铝合金母材的熔化温度约为582℃)，相应的材料屈服强度将由常温下的约280MPa下降到约20MPa,搅拌高温足以使铝合金达到塑性流变状态而形成高塑变搅拌层^{［3］。
　　2014A(AlCu4SiMg)、5083(AlMg4.5Mn)和6082(AlSi1MgMn)铝合金的搅拌摩擦焊接头的弯曲试验结果表明，此三种接头均可达到180度的弯曲［4］。搅拌摩擦焊焊缝没有凝固组织，焊缝金属力学性能没有显著退化。所以，拉伸试验结果表明接头最薄弱的环节不在焊缝，而是在如图3中所示的软化区。表2为6061－T6铝合金接头拉伸试验结果。}

表2　6061－T6母材与焊接接头力学性能

　屈服强度(Mpa)抗拉强度(Mpa)延伸率(%)母材34335720.8焊接接头19420617.2

　　试验发现：搅拌摩擦焊焊缝的宏观组织有明显的塑变流线，呈同心状。以7075－T6(AlZn5.6Mg2.5Cu1.6)铝合金为例，板厚6.35mm,焊接速度2.1mm/s,焊缝有再结晶，是细小等轴晶组织，直径约2～4μm，位错密度比母材低。母材中非常细小的晶内析出质点(约10nm)，在焊缝中已看不到。这是由于搅拌摩擦焊时，焊缝的温度虽然没有达到材料的熔点，但超过了偏析硬化质点的溶解温度。在搅拌影响区，严重的塑性变形使母材晶粒拉长，但在透射电镜下看不到再结晶。

6　结论
　　搅拌摩擦焊作为一种新型的摩擦焊接方法，在有色金属等材料的连接中具有广阔的应用前景。搅拌摩擦焊采用的设备简单，工艺参数少且易于控制，焊缝没有凝固组织，不会产生与材料熔化相关的缺陷，焊接应力或变形也小，而且接头性能良好，并适于多种接头结构形式。