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。

图4 欧洲Fokker Space公司采用FSW制造Ariane 5发动机主承力框

目前，搅拌摩擦焊在飞机制造领域的开发和应用还处于验证阶段，主要利用FSW 实现飞机蒙皮和衍樑、筋条、加强件之间的连接，框架之间的连接、飞机预成型件的安装、飞机壁板和地板的焊接、飞机结构件和蒙皮的在役修理等，这些方面的搅拌摩擦焊制造已经在军用和民用飞机上得到验证飞行和部分应用。另外波音公司还成功地实现了飞机起落架舱门复杂曲线的搅拌摩擦焊焊接。

美国Eclipse飞机制造公司斥资3亿美元用于搅拌摩擦焊的飞机制造计划，其制造的第一架搅拌摩擦焊商用喷气客机（Eclipse500）（图5）于2002年8月在美国进行了首飞测试。其机身蒙皮、翼肋、弦状支撑、飞机地板以及结构件的装配等铆接工序均由搅拌摩擦焊替代，提高了生产效率、节约了制造成本并且减轻了机身重量。

图5 Eclipse 500型商用喷气客机的搅拌摩擦焊焊接构件之一

搅拌摩擦焊在航空航天业的应用主要在以下几个方面：机翼、机身、尾翼；飞机油箱；飞机外挂燃料箱；运载火箭、航天飞机的低温燃料筒；军用和科学研究火箭和导弹；熔焊结构件的修理等。

2.1.3 搅拌摩擦焊在轨道交通及陆路交通工业中应用

在轨道交通行业，随着列车速度的不断提高，对列车减轻自重,提高接头强度及结构安全性要求越来越高。高速列车用铝合金挤压型材的连接方式，成为了制约发展的主导因素。由于搅拌摩擦焊焊接接头强度优于MIG焊焊接接头，并且缺陷率低，节约成本，所以目前高速列车的制造,采用搅拌摩擦焊技术，已成为主流趋势。在该领域,比较典型的为日本日立公司，在做单层和双层挤压型材件连接时都采用了搅拌摩擦焊技术，用于市郊列车和快速列车车辆的制造。

日本轻金属公司已将FSW工艺用于地铁车辆，采用这种工艺制造的工件长度已经超过了3km，接头质量良好。由住友轻金属公司生产的挤压型材FSW焊接拼板,用于日本新干线车辆的制造（图6左），车辆时速可达285 km/h。

法国的Alstom公司将搅拌摩擦焊应用于列车顶板的连接（图6右）。

图6 左：日本住友轻金属公司FSW生产的新干线列车壁板；右：法国阿尔斯通FSW制造的列车车顶

目前,与轨道车辆相关方面的搅拌摩擦焊应用包括：高速列车箱体型材连接；油罐车及货物列车箱体连接；集装箱箱体；铁轨以及地下滚动托盘。

2.1.4 搅拌摩擦焊在汽车工业中应用

为了提高运载能力和速度，汽车制造呈现出材料多样化、轻量化、高强度化的发展趋势，铝合金、镁合金等轻质合金材料所占的比重越来越大，相应的结构以及接头形式都在设法改进。搅拌摩擦焊技术的发明恰好满足了这种新材料、新结构对新型连接技术的需求。挪威Hydro公司采用搅拌摩擦焊技术制造汽车轮毂，将铸造或锻造的中心零件与锻铝制造的辐条连接起来，以获得良好的载荷传递性能并减轻重量。

美国Tower汽车公司采用搅拌摩擦焊制造汽车用悬挂连接臂,取得了很大经济效益。搅拌摩擦焊。另外，该公司还将搅拌摩擦焊技术用于缝合不等厚板坯料(Tailored welded blanks)的制造;采用缝合坯料,在优化结构强度和刚度设计的同时,既大大减少了汽车制造中模具的数量,又缩短了工艺流程。

目前搅拌摩擦焊在汽车制造工业中的应用主要为：发动机引擎和汽车底盘车身支架；汽车轮毂；液压成型管附件；汽车车门预成型件；轿车车体空间框架；卡车

车体；载货车的尾部升降平台汽车起重器；汽车燃料箱；旅行车车体；公共汽车和机场运输车；摩托车和自行车框架；铝合金电梯；逃生交通工具；铝合金汽车修理；镁合金和铝合金的连接。

搅拌摩擦点焊(FSSW)的研究与技术开发,是汽车制造工业中的一个新热点.

2.1.5搅拌摩擦焊在其他工业中的应用

搅拌摩擦焊成功地解决了轻合金金属的连接难题，在兵器、建筑、电力、能源、家电等工业中的应用也越来越广泛。

如在兵器工业，搅拌摩擦焊成功实现了坦克、装甲车的主体结构和防护装甲板的制造;在建筑行业,搅拌摩擦焊在民用建筑工业的应用主要为：铝合金桥梁,铝合金、铜合金、镁合金装饰板,门窗框架,铝合金管线,电厂和化学工厂的铝合金反应器,热交换器,中央空调,管状结构件制造等。在电力行业,搅拌摩擦焊的应用主要为：发动机壳体,电器连接件,电器封装等。在家电行业,,主要应用为：冰箱散热板,厨房电器和设备,“白色”家用物品和工具,天然气、液化气储箱和容器,金属家具等。

2.2 在非铝合金金属结构上的应用

迄今，搅拌摩擦焊的大部分研究开发和应用都集中在铝合金材料;对于非铝合金材料如铜合金、钛合金、钢材、热塑材料等，也已开展了搅拌摩擦焊研究和开发，开始在某些场合应用。

在1997年瑞典SKB公司和英国焊接研究所一起对50毫米厚铜合金核燃料贮箱的搅拌摩擦焊制造进行了开发，2001年开发铜合金搅拌摩擦焊专用设备，并且对电子束和搅拌摩擦焊工艺进行了比较和完善，2004年已经小批量生产。

美国MEGASTIR公司一直致力于高熔点材料的搅拌摩擦焊应用开发，从304不

锈钢到普通中碳钢和高温合金材料，甚至钛合金材料等都可以实现搅拌摩擦焊连接;2003年已经把搅拌摩擦焊应用于野外钢合金天然气管道的搅拌摩擦焊。高熔点材料: 钛,钢FSW的难点主要是搅拌头材料的优选(如选用多晶立方氮化硼PCBN)与其搅拌针型体设计、加工以及在工程应用中的寿命.

日本日立公司利用搅拌摩擦焊实现强度大于800Mpa的超精细高强钢(UFG)的连接，这种材料在未来有可能用于飞机起落架的制造等。

2.3搅拌头的发展带来新型搅拌摩擦焊工艺

搅拌头材料、搅拌头轴肩和搅拌针的型体是搅拌头优劣的3个主要决定性因素,关系到连接接头的性能与生产成本和效率。搅拌头的主要功能如下：

l 加热和软化被焊接材料（工件材料）；

l 破碎和弥散接头表面的氧化层；

l 驱使搅拌针前部的材料向后部转移；

l 驱使接头上部的材料向下部转移；

l 使转移后的热塑化的材料形成固相接头。

搅拌头的形状与热塑化材料的流变密切相关，并且直接影响到接头的质量，在搅拌摩擦焊发展初期，TWI开发成功了柱形搅拌头，这种搅拌头在搅拌摩擦焊初期开发研究中得到了广泛应用。随着搅拌摩擦焊技术的发展，针对不同的焊接材料和结构，目前已有系列化的搅拌头。英国焊接研究所研制的 WhorlTM和 MX TrifluteTM（图7左）搅拌头，可以在提高焊接速度的条件下,得到焊缝成形良好、性能更加优良的焊缝。

图7 TWI开发的MX TrifluteTM（左）和Skem-StirTM（右）搅拌头

英国焊接研究所在2002年成功开发了如图7右所示的“Skem-StirTM”型搅拌头，它的主要功能为,主轴和搅拌头的旋转中心线不同轴;当主轴选转时，搅拌针的旋转空间远大于搅拌针自身的体积.这样的设计有助于热塑化金属材料的迁移，可得到焊缝宽、深比大的接头，尤其适用于搭接搅拌摩擦焊。

对于薄壁筒形结构件，由于零件的刚性差，筒形件的搅拌摩擦焊需要有刚性好的工艺装备支撑，承受较大的焊接压力和摩擦驱动力,以保持被焊接零件的尺寸完整性。TWI、BOEING、MTS等公司开发出了如图8所示的“Bobbin”双轴肩搅拌头，它的主要功能是利用搅拌头的双轴肩，使搅拌摩擦焊过程中产生的作用力相互抵消，从而解除了薄壁筒形件焊接时对刚性装备的依赖。用这种搅拌头施焊的缺点是,焊接前需要在启焊处预制一个导引孔，以便插入搅拌针;焊后, 需将一侧轴肩拆卸, 抽出搅拌针;使焊接过程操作复杂化。

图8 “Bobbin”双轴肩搅拌头

克服环形焊缝搅拌摩擦焊遇到的另外一个难题,就是焊缝尾端“匙孔”的消除.通常,长直焊缝可以用“引焊板”来消除焊接尾端“匙孔”，但是环形焊缝“匙孔”的消除就不容易用引焊的方法来消除。美国NASA开发成功了可回抽式搅拌头，该型搅拌头的搅拌针伸出长度可以在焊接过程中改变，在环缝搅拌摩擦焊的末尾,使搅拌针逐渐回抽，实现环缝“无匙孔”搅拌摩擦焊接。

2.4 搅拌摩擦焊设备的发展及工艺过程的数值模拟与参数控制的自动化

早期的搅拌摩擦焊设备是利用传统铣床改装而成。随着搅拌摩擦焊技术应用领域的日趋扩大,以及被焊接材料厚度的增加和被焊接零件焊缝形式的复杂多样化，普通铣床的刚性以及操作控制都难以满足对搅拌摩擦焊更高的技术需求，搅拌摩擦焊设备逐渐从试验型设备向商用专机化方向发展。

1996年瑞典伊萨(ESAB)公司，在英国焊接研究所的专利许可基础上,为挪威Marine Aluminum公司制造了世界上第一台工业用搅拌摩擦焊机,用于铝合金型材的搅拌摩擦焊.此后,世界上有诸多的焊接设备制造公司,在取得英国焊接研究所专利许可的基础上，生产和制造了多种形式的专业化的搅拌摩擦焊设备。2004年,英国SMART公司为英国焊接研究所设计生产世界上焊接能力最大的搅

拌摩擦焊设备，该设备能力可以实现单道焊接厚度为100mm铝合金材料的焊接。

在世界范围内,已经有多个厂家得到英国焊接研究所（TWI）的授权，成为专业化的搅拌摩擦焊设备制造商，如：ESAB、FSWLI、GEMCOR、GTC、HITAHI、KAWASAKI、MTS、Danstir、FSL、MTS、CTC、Stirtec和北京赛福斯特技术有限公司（中国搅拌摩擦焊中心）等.其中,北京赛福斯特技术有限公司是中国地区（包括香港、澳门和台湾）唯一得到英国焊接研究所（TWI）授权的专业化搅拌摩擦焊技术开发与设备制造企业。

搅拌摩擦焊工艺参数主要有搅拌头的倾角、搅拌头的旋转速度、搅拌头的插入深度、插入速度、插入停留时间、焊接速度、焊接压力、回抽停留时间、搅拌头的回抽速度。

采用数值模拟方法,对搅拌摩擦焊工艺过程与接头形成和质量进行建模描述及预测,正在各国学术界掀起热潮,主要研究工作内容包括有:

1) 搅拌头与工件摩擦产热模型;

2) 搅拌摩擦焊热过程模拟及预测;

3) 焊缝形成与热塑金属的迁移;

4) 诸多工艺参数的耦合效应;

5) 焊缝中缺陷形成的机制;

6) 搅拌摩擦焊引发的残余应力与变形.

数值模拟及预测中的关键,是正确地描述物理现象;即在建立有效物理模型(实验)的基础上,才能运用数学建模和有限元方法进行分析,获得反映实际的结果,用以指导实践.更重要的是用物理实验对数值模拟结果进行验证,二者相辅相成. 只有

正确的模拟及预测才能有工程实用价值,避免反复实验.

图9所示为一组典型的搅拌摩擦焊过程主要工艺参数实时检测记录曲线. 被焊材料为厚6mm低合金钢，焊缝长度75cm。为了这些数据的采集,在搅拌头的相应部位安装有参数传感器.

搅拌摩擦焊电器控制系统可以采取多种控制方式，目前在国内、外经常采用的有三种：数控控制系统（CNC）、可编程控制系统（PLC）、工控机控制系统（PC）.

图9 低合金钢搅拌摩擦焊过程各轴负载及搅拌头温升曲线

Low Alloy Steel -- 低合金钢, Load (lb f) -- 负载(磅力), Tool Temperature -- 工具温度

Temperature(℃),RPM -- 温度,转速/分, Time (s) -- 时间(秒), Spindle RPM -- 主轴转速,转/分

X Axis Load -- X轴负荷, Y Axis Load --Y轴负荷, Z Axis Load -- Z轴负荷,

3 搅拌摩擦焊在国内的发展

3.1 中国搅拌摩擦焊中心的成立

2002年，北京航空制造工程研究所与英国焊接研究所正式签署搅拌摩擦焊专利许可协议，并在技术合作的基础上成立了中国搅拌摩擦焊中心。中国搅拌摩擦焊中心的成立标志着搅拌摩擦焊技术正式登陆中国。中国搅拌摩擦焊中心全权代表英国焊接研究所,发售和管理中国地区（包括香港、澳门和台湾）的搅拌摩擦焊技术专利许可，从此为搅拌摩擦焊技术在中国地区的发展、推广和工业化应用打开了大门。

两年多来，搅拌摩擦焊在中国已经起飞;在技术、工艺、设备等方面都有了突破性的进展，并且已经在工业中得到应用，正在推动着中国轻合金结构制造业连接技术的加速发展。

3.2 搅拌摩擦焊在中国的发展

自中国搅拌摩擦焊中心成立以来，在FSW设备及工艺技术开发方面均取得了比较大的进步。

在两年时间里，该中心为国内的科研院所提供了三台研究型设备（图10），为航天、轨道车辆及兵器工业的生产企业研制了三台生产型设备（图11），为支持本中心的科研工作,分别开发了悬臂式搅拌摩擦焊接设备和平面二维搅拌摩擦焊接设备(图12), 曾在2004年的北京埃森博览会展出。其中某些设备已经投入相关产品的批量化生产，产生了比较明显的社会效益和经济效益。如为常州轨道车辆牵引工程研究中心提供的FSW设备目前已用于铝合金型材的拼接（图13），为吉林一厂家生产的FSW设备已用于小型容器环焊缝的批量生产（图14）.

搅拌摩擦点焊的基本原理

搅拌摩擦点焊的基本原理 1 引言 随着全球资源与环境保护问题的日趋严峻，运载工具的轻量化设计成为汽车、航空航天等制造领域的发展方向。一方面采用铝合金代替传统的钢材料，另一方面通过高效的新型工艺技术提高产品的可靠性并降低产品重量。铝合金作为运载工具的主要制造材料，其主要连接方式是和铆接。在欧洲汽车车体生产中，常用的连接技术是YAG焊接方法，在日本车体制造中常用电阻点焊方法，运载火箭贮箱的制造过程中要大量应用电阻点焊和铆接技术，而航空飞行器的制造过程更需要广泛采用铆接技术。 电阻点焊生产效率高、操作灵活性好，但也存在许多局限性，主要表现在：a．焊接过程需要提供大电流，耗能大；b．铝合金表面氧化膜造成电极寿命明显缩短；C．由于焊接大电流的作用，工件将产生明显的热变形，且焊缝中易出现缺陷和焊点质量不稳定，接头质量差；d．焊接过程中有飞溅，点焊工作环境差。铆接是铝合金构件中一种常用的连接技术，但是采用铆接技术一方面会增加铝合金构件的重量，另一方面在铆接过程中会产生大量的噪音，生产环境恶劣，另外，铆接技术需要在铝合金构件上预开孔，增加了生产成本。因此，研究开发铝合金新的点焊连接技术替代传统的电阻点焊和铆接技术，对扩大铝合金在汽车工业的应用，推动汽车轻量化发展以及提高航空、航天运载能力具有十分重要的意义。 搅拌摩擦点焊(Friction Stir Spot Welding，FSSW)是在“线性”搅拌摩擦焊接基础上，新近研究开发的一种创新的焊接技术。FSSW可以形成点焊的搭接接头，其焊缝外观与通常应用于铝合金构件的电阻点焊类似，因而具有很高的应用价值和研究意义。 2 搅拌摩擦点焊的基本原理 目前，已公开的资料中报道了两种不同的FSSW技术。第一种方法是日本Mazda 汽车公司于1993年发明的搅拌摩擦点焊，基本原理如图1所示。这种搅拌摩擦点焊又称为“带有退出孔的搅拌摩擦点焊”技术，采用的焊接设备与普通搅拌摩擦焊接设备类似，具体的焊接过程可分为3个阶段。 A．压入过程：搅拌头不断旋转，通过施加顶力插入连接工件中，在压力作用下工件与搅拌头之间产生摩擦热，软化周围材料，搅拌头进一步压入工件 B．连接过程：搅拌头完全镶嵌在工件中，保持搅拌头压力并使轴肩接触工件表面，继续旋转一定时间 C．回撤过程：完成连接后搅拌头从工件退出，在点焊缝中心留下典型的退出凹孔。

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。

第三章 搅拌摩擦焊

第三章搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding 缩写为FSW） 1. 搅拌摩擦焊的基本原理是什么? 它是利用带有特殊形状的硬质搅拌指棒的搅拌头旋转着插入被焊接头，与被焊金属摩擦生热，通过搅拌摩擦，同时结合搅拌头对焊缝金属的挤压，使接头金属处于塑性状态，搅拌指棒边旋转边沿着焊接方向向前移动，在搅拌头的压力作用下,热塑性金属从其前端向后部塑性流动,从而形成致密的金属间结合，实现材料的连接。 简要说法：“非消耗搅拌工具，顶锻挤压连接面形成焊缝” 2. 搅拌头由哪几部分组成？各由什么材料制成？有何作用？ （一）搅拌头由特殊形状的搅拌指棒和轴肩组成。 （二）日本采用了SUS440 （三）搅拌头的轴肩的作用： （1）可以保证搅拌指棒插入的深度； （2）轴肩与被焊材料的表面紧密接触，防止处于塑性状态的母材表面的金属排出而造成的损失和氧化； （3）与母材表面摩擦生热，提供部分焊接所需要的搅拌摩擦热。 3. 搅拌摩擦焊具有哪些特点？ 最主要是固相焊，无熔化缺陷等 4. 搅拌摩擦焊主要焊接哪些金属材料？ 5. 搅拌指棒的尺寸大小根据什么来决定？ 被焊母材厚度 7. 搅拌摩擦焊的热输入是如何定义的？ 即1mm 焊缝长度的搅拌头的转数。 比值越大，说明对母材的热输入越大 8. 在搅拌摩擦焊焊接时，对搅拌头中心与焊缝中心线以及接头精度有何要求？为什么? 接头间隙在0.5mm以下，搅拌头的中心位置大致允许偏差2.0mm。 9. 搅拌摩擦焊焊接接头由哪几个区域组成？它的断口呈何形状组织？为什么？ （1）搅拌摩擦焊焊接接头依据金相组织的不同分为四个区域。即图中A区为母材，B区为热影响区（HAZ），C区为塑性变形和局部再结晶区（TMAZ），D区（焊核）即焊缝中心区为完全再结晶区 （2）圆柱状和焊点状：焊核细小等轴晶；强烈塑性变形特征；洋葱环特征等

搅拌摩擦点焊技术简介

综述航天期造技术 搅拌摩擦点焊技术简介 赵衍华张丽娜刘景铎杜岩锋王国庆 （首都航天机械公司，北京１０００７６） 摘要搅拌摩擦点焊（ＦＳＳＷ）是在搅拌摩擦焊的基础上开发的一种新型固相修补焊接技术，具有接头质量高、缺陷少、变形小等优点。详细阐述了搅拌摩擦点焊焊接原理和技 术特点，介绍了国内外研究现状及其在汽车等制造业中的应用，指出搅拌摩擦点焊在运载 工具铝合金结构件制造过程中具有重要意义，是未来铝合金连接技术的发展方向之一。 关键词搅拌摩擦点焊原理铝合金结构件 ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆＦｒｉｃｔｉｏｎＳｔｉｒＳｐｏｔＷｅｌｄｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＺｈａｏＹａｎｈｕａＺｈａｎｇＬｉｎａＬｉｕＪｉｎｇｄｕｏＤｕＹａｎｆｅｎｇＷａｎｇＧｕｏｑｉｎｇ （ＣａｐｉｔａｌＡｅｒｏｓｐａｃｅＭａｃｈｉｎｅｒｙＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００７６） ＡｂｓｔｒａｃｔＦｒｉｃｔｉｏｎｓｔｉｒｓｐｏｔｗｅｌｄｉｎｇ（ＦＳＳＷ）ｉｓａｎｅｗｓｏｌｉｄｓｔａｔｅｊｏｉｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄ，ｗｈｉｃｈｉｓａｖａｒｉａｎｔｏｆｆｒｉｃｔｉｏｎｓｔｉｒｗｅｌｄｉｎｇ．Ｔｈｅｑｕａｌｉｔｙｏｆｔｈｅ ＦＳＳＷｗｅｌｄｉｎｇｊｏｉｎｔｓｉｓｐｅｒｆｅｃｔ，ｄｕｅｔｏｉｔｓｈｉｇｈｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｙ，ａｌｉｔｔｌｅｄｅｆｅｃｔｓａｎｄｓｍａｌｌｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ．ＴｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｔｅｃｈｎｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＦＳＳＷａｒｅｐａｒｔｉｃｕｌａｒｌｙｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｓ觚ｓａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆ ＦＳＳＷａｒｏｕｎｄｔｈｅｗｏｄｄｈａｖｅｂｅｅｎｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｔＯＯ．ＦＳＳＷｉｓａｐｒｏｍｉｓｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒａｌｕｍｉｎｉｕｍａｌｌｏｙｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ，ａｎｄｓｔｕｄｙｉｎｇｔｈｅｎｅｗｗｅｌｄｉｎｇｍｅｔｈｏｄｗｉｌｌｂｅｂｅｎｅｆｉｃｅｎｔｔｏｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｏｆｄｅｌｉｖｅｒｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓｆｒｉｃｔｉｏｎｓｔｉｒｓｐｏｔｗｅｌｄｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｌｕｍｉｎｉｕｍａｌｌｏｙｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ １引言 随着全球资源与环境保护问题的日趋严峻，运载工具的轻量化设计成为汽车、航空航天等制造领域的发展方向。一方面采用铝合金代替传统的钢材料，另一方面通过高效的新型工艺技术提高产品的可靠性并降低产品重量。铝合金作为运载工具的主要制造材料，其主要连接方式是焊接和铆接。在欧洲汽车车体生产中，常用的连接技术是ＹＡＧ激光焊接方法，在日本车体制造中常用电阻点焊方法，运载火箭贮箱的制造过程中要大量应用电阻点焊和铆接技术，而航空飞行器的制造过程更需要广泛采用铆接技术。电阻点焊生产效率高、操作灵活性好，但也存在许多局限性，主要表现在：ａ．焊接过程需要提供大电流，耗能大；ｂ．铝合金表面氧化膜造成电极寿命明显缩短；Ｃ．由于焊接大电流的作用，工件将产生明显的热变形，且焊缝中易出现缺陷和焊点质量不稳定，接头质量差；ｄ．焊接过程中有飞溅，点焊工作环境差。铆接是铝合金构件中一种常用的连接技术，但是采用铆接技术一方面会增加铝合金构件的重量，另一方面在铆接过程中会产生大量的噪音，生产环境恶劣，另外，铆接技术需要在铝合金构件上预开孔，增加了生产成本。因此，研究开发铝合金新的点焊连接技术替代传统的电阻点焊和铆接技术，对扩大铝合金在汽车工业的应用， 作者简介：赵衍华（１９７７－）。博士，高级工程师，材料加工工程专业；研究方向：搅拌摩擦焊、摩擦塞补焊等固相焊。 收稿日期：２００９—０３－１７ 万方数据

搅拌摩擦焊的工艺参数

Trans. Nonferrous Met. Soc. China 22(2012) 1064í1072 Correlation between welding and hardening parameters of friction stir welded joints of 2017 aluminum alloy Hassen BOUZAIENE, Mohamed-Ali REZGUI, Mahfoudh AYADI, Ali ZGHAL Research Unit in Solid Mechanics, Structures and Technological Development (99-UR11-46), Higher School of Sciences and Techniques of Tunis, Tunisia Received 7 September 2011; accepted 1 January 2011 Abstract: An experimental study was undertaken to express the hardening Swift law according to friction stir welding (FSW) aluminum alloy 2017. Tensile tests of welded joints were run in accordance with face centered composite design. Two types of identified models based on least square method and response surface method were used to assess the contribution of FSW independent factors on the hardening parameters. These models were introduced into finite-element code “Abaqus” to simulate tensile tests of welded joints. The relative average deviation criterion, between the experimental data and the numerical simulations of tension-elongation of tensile tests, shows good agreement between the experimental results and the predicted hardening models. These results can be used to perform multi-criteria optimization for carrying out specific welds or conducting numerical simulation of plastic deformation of forming process of FSW parts such as hydroforming, bending and forging. Key words: friction stir welding; response surface methodology; face centered central composite design; hardening; simulation; relative average deviation criterion 1 Introduction Friction stir welding (FSW) is initially invented and patented at the Welding Institute, Cambridge, United Kingdom (TWI) in 1991 [1] to improve welded joint quality of aluminum alloys. FSW is a solid state joining process which was therefore developed systematically for material difficult to weld and then extended to dissimilar material welding [2], and underwater welding [3]. It is a continuous and autogenously process. It makes use of a rotating tool pin moving along the joint interface and a tool shoulder applying a severe plastic deformation [4]. The process is completely mechanical, therefore welding operation and weld energy are accurately controlled. B asing on the same welding parameters, welding joint quality is similar from a weld to another. Approximate models show that FSW could be successfully modeled as a forging and extrusion process [5]. The plastic deformation field in FSW is compared with that in metal cutting [6í8]. The predominant deformation during FSW, particularly in vicinities of the tool, is expected to be simple shear, and parallel to the tool surface [9]. When the workpiece material sticks to the tool, heat is generated at the tool/workpiece contact due to shear deformation. The material becomes in paste state favoring the stirring process within the thermomechanically affected zone, causing a large plastic deformation which alters micro and macro structure and changes properties in polycrystalline materials [10]. The development of the mechanical behavior model, of heterogeneous structure of the welded zone, is based on a composite material approach, therefore it must takes into account material properties associated with the different welded regions [11]. The global mechanical behavior of FSW joint was studied through the measurement of stress strain performed in transverse [12,13] and longitudinal [14] directions compared with the weld direction. Finite element models were also developed to study the flow patterns and the residual stresses in FSW [15]. B ased on all these models, numerical simulations were performed in order to investigate the effects of welding parameters and tool geometry on welded material behaviors [16] to predict the feasibility of the process on various shape parts [17]. Corresponding author: Mohamed-Ali REZGUI; E-mail: mohamedali.rezgui@https://www.sodocs.net/doc/1913690135.html, DOI: 10.1016/S1003-6326(11)61284-3

回填式搅拌摩擦点焊技术研究新进展

48 航空制造技术·2019年第62卷第12期 回填式搅拌摩擦点焊技术 研究新进展 * 周灿丰，焦向东，高 辉 （北京石油化工学院能源工程先进连接技术北京市高等学校工程研究中心，北京 102617） [摘要] 回填式搅拌摩擦点焊与传统搅拌摩擦点焊相比，焊缝表面平整、焊点中心没有退出凹孔，具有突出的技术优势，在搅拌摩擦焊尾孔修补等场合尤其具有应用前景。对近年来回填式搅拌摩擦点焊技术研究新进展进行了评 述，包括焊接设备开发、焊接过程和成形机理研究、焊缝组织与力学性能分析以及异种材料连接研究，指出焊接机器人、匙孔封闭工艺、焊缝疲劳性能以及铝合金与其他材料之间的连接应该作为重要发展方向。关键词： 回填式搅拌摩擦点焊；匙孔封闭维修；焊缝组织；疲劳DOI:10.16080/j.issn1671–833x.2019.12.048 决了传统搅拌摩擦点焊存在的问题， 国内对回填式搅拌摩擦点焊技术的研究重点还停留在原理、工艺方面，对设备的设计和研究很少，现在应该增加对焊接设备的研究，从而促进该技术在工程领域的应用，推动汽车、航空航天等领域的轻量化发展。 回填式搅拌摩擦点焊（Refill Friction Stir Spot Welding ，RFSSW ）过程如图1所示，大致可以分为4个阶段。第1阶段：夹套固定于上板表面，袖套和搅拌针经过一段时间的旋转摩擦，使材料软化；第2阶段：袖套和搅拌针分别向下和向上运动，塑性化材料在袖套作用下迁移挤入搅拌针向上运动形成的空腔；第3阶段：达到预期扎入深度之后，袖套和搅拌针同时改变运动方向，塑性化材料在袖套作用下挤回空腔；第4阶段：焊接完成、工具撤回。因为与传统搅拌摩擦点焊相比，焊缝表面平整，焊点中心没有退出凹孔，所以成 当今社会在日新月异的飞速发展，节能环保轻量化设计是现在社会发展的主要基调，在航空航天、工业、汽车等行业属于发展的方向。实际生产中使用铝镁合金能够有效减轻设备的重量，是目前轻量化生产的重要方法之一。传统的电阻点焊、铆接焊接的质量不尽如人意，所以说研究开发适用于轻合金点焊技术是非常重要的。搅拌摩擦点焊（Friction Stir Spot Welding ，FSSW ）技术也就因此产生，它是在搅拌摩擦焊（FrictionStir Welding ，FSW ）技术的基础上研究和衍生开发出来的能够适用于轻型合金的新型的焊接技术。原来比较传统的焊接会在焊点的中心留一个匙孔，这样的情况不仅影响外观还会影响其力学性能。而回填式搅拌摩擦点焊的出现成功解 *基金项目：北京市自然科学基金（3122016）；北京市属高等学校长城学者（CIT&TCD20140316）。周灿丰 工学博士，教授，能源工程连接技术研究中心常务副主任，主要从事水下焊接、焊接自动化研究；分别主持国家、北京市自然科学基金项目3项，协助主持国家863项目4项、国防科工委项目1项，并完成横向项目多项；2014年入选北京市属高等学校长城学者，获得省部级科技奖特等奖1项、一等奖1项、二等奖3项、三等奖1项，获发明专利授权8项、实用新型专利授权30项，发表学术论文100余篇，出版学术专著3部。

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。

ISO 25239-2 2011 搅拌摩擦焊 铝 焊接接头的设计(中文版)

ISO 25239-2:2011 搅拌摩擦焊—铝 第2部分：：焊接接头的设计狮子十之八九译 目录 前言 引言 1 范围 2 引用标准（略） 3 名词和术语 4 设计的要求 4.1 文件 4.2 接头的设计 4.3 附加的信息

ISO（国际标准化组织）是一个世界范围内的国家标准学会（ISO成员组织）的联合体。制定国际标准的工作经由ISO技术委员会归口负责。每个成员组织开发一个项目，由此便形成一个技术委员会，此成员组织有权代表该技术委员会。国际组织、政府与非政府机构协同ISO共同参与工作。ISO针对于电工标准化所有事宜和国际电工委员会（IEC）紧密合作。 本文件的起草符合ISO/IEC 指令中第2部分的相关规则。 由技术委员会通过国际标准草案提交成员国投票表决，需要得至少75%参加表决的成员国的同意，才能作为国际标准正式发布。 ISO25239-2是由国际焊接学会制订的，国际焊接学会已被ISO理事会批准为焊接领域的国际标准化机构。 ISO25239（总的的题目：搅拌摩擦焊—铝）系列标准有以下部分组成： ——第1部分：术语 ——第2部分：焊接接头的设计 ——第3部分：焊接操作工的资质 ——第4部分：焊接工艺评定 ——第5部分：质量和检验的要求 对于ISO25239的本部分的任何官方问题，应通过您所在国家标准委员会递交给ISO秘书处。

焊接广泛应用于工程结构制造。在第二十世纪后半叶以来，熔化焊接工艺（其中熔化指母材和通常是填充金属的熔化），主导了大量结构的焊接。在1991年，韦恩托马斯（Wayne Thomas）在TWI发明的摩擦搅拌焊接（FSW），其原理是固相连接技术（不熔化）。 随着FSW应用日益增加，产生了制订国际标准的需求，以确保其能以最有效的方式进行焊接，并在所有的操作方面进行合理的控制。本国际标准着重于铝的搅拌摩擦焊，因为在出版时，搅拌摩擦焊的大多数商业应用与铝有关。例如轨道车辆、消费品、食品加工设备、航空航天结构和船舶。 本系列标准包括以下部分： 第1部分：规定了FWS的术语 第2部分；规定了铝焊接接头的设计要求 第3部分：规定了焊接操作工的资质的要求 第4部分：规定了铝的焊接工艺评定的要求。焊接工艺规程（WPS）提供相关参数，以满足焊接操作和焊接过程中的质量控制。在质量体系标准中，焊接被认为是一个特殊过程。质量体系标准通常要求此特殊过程按照书面的工艺规程进行。冶金偏差是一个特殊的问题。由于在目前的技术水平下不可能对机械性能进行无损检测，因此在WPS投入实际生产之前，建立了一套焊接工艺评定的规则。ISO25239的这一部分定义了这些规则。 第5部分：规定了制造商使用FSW工艺生产特定质量的铝产品的能力的方法。它定义了特定的质量要求，但没有规定特定产品的质量要求。焊接结构在生产和维护过程中应有效的避免严重问题的出现。为了实现这一目标，应从设计阶段开始、从材料的选择、制造和检验各方面进行控制。例如，不合理的设计会造成产品在车间、现场或维护过程中严重的制造困难和昂贵的成本。不正确的材料选择会导致焊接问题，如裂纹。必须编制正确的焊接工艺，以避免缺欠。为了确保制造高质量的产品，管理人员应该了解潜在的问题来源，并建立适当的质量和检验工艺。其过程应进行监督，以确保焊接质量。

搅拌摩擦点焊

新型绿色环保焊接技术——搅拌摩擦点焊 摘要 面对节能减排和环境保护要求，一种新型的绿色环保焊接技术——搅拌摩擦点焊技术应运而生，作为在搅拌摩擦焊基础上发展起来的一种新型固相焊接技术，其接头质量高、变形小、焊接质量稳定，并且具有减轻结构重量、降低制造成本及节省能源等一系列优点。本文介绍了搅拌摩擦点焊的固相连接机理，工艺流程，以及技术特点，并举例说明其在汽车工业和航空工业的发展应用状况。 关键词：搅拌摩擦点焊；电阻点焊；铆接；熔焊；车身；航空铝材

目录 目录 摘要 ......................................................................................................................................... I 目录 ........................................................................................................................................ I I 1 绪论 (1) 2 搅拌摩擦点焊的固相连接机理 (2) 2.1 搅拌摩擦焊技术简介 (2) 2.2搅拌摩擦点焊技术介绍 (2) 3 搅拌摩擦点焊的工艺流程 (4) 4 搅拌摩擦点焊的技术特点 (4) 4.1 与电阻点焊（RSW）对比的优点 (4) 4.1.1 生产成本与能源消耗 (4) 4.1.2 接头质量 (5) 4.2 与铆接对比的优点 (6) 4.2.1 生产成本与能源消耗 (6) 4.2.2 接头质量 (6) 5搅拌摩擦点焊在汽车工业和航空工业的应用状况 (7) 5.1 搅拌摩擦点焊在汽车工业的应用状况 (7) 5.2 搅拌摩擦点焊在航空工业的应用状况 (8) 6 全文结论 (9) 参考文献 (9)

搅拌摩擦焊接头缺陷检测与修复方法

搅拌摩擦焊接头缺陷检测与修复方法 中图分类号：T341 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）11-0048-01 1 缺陷的检测方法 铝合金搅拌摩擦焊接头缺陷具有紧贴、细微、取向复杂等特点，增加了缺陷无损检测的难度，目前的检测方法主要有：超声检测、射线探伤、涡流探伤、激光干涉等检测方法。 1.1 超声检测法 超声检测技术是基于声波在材料中的传播路径与材料的均匀性有关，当声波的传播路径上出现缺陷时，就会改变原来的传播特性，产生反射、折射和波形转换。超声检测技术是目前应用于搅拌摩擦焊接头缺陷检测的一种理想的无损检测方法，也是应用最广泛的一种方法，具有灵敏度和检出率高、缺陷定位准确等优点。超声波定性检测缺陷的方法主要有波形判别法、回波相位法、频谱分析法、超声C和B 扫描法等[1]。 刘松平[2]等人研究了利用超声反射法检测搅拌摩擦焊缝区不同取向的缺陷。通过计算分析超声波在焊缝区的声波入射角、缺陷取向和缺陷紧贴性对声波反射的影响，确定入射声波的角度变化范围，通过改变入射角获取入射声波在缺

陷处的最佳声学反射方向，提高入射声波对不同取向缺陷的检出能力。检测结果表明，该法可以有效地检出铝合金搅拌摩擦焊缝区不同取向焊接缺陷，是解决搅拌摩擦焊缝区微细和紧贴型缺陷无损检测的一种可行的方法。另外，利用高分辨率超声波在缺陷的反射回波信号波形（即频谱）的不同，还可以区分缺陷的性质或类型。 徐蒋明[3]等人通过超声波检测中的前后扫查和左右扫 查获取缺陷的超声波回波动态波形，分别描述了铝合金搅拌摩擦焊焊缝的包铝陷入缺陷、隧道孔缺陷和未焊透缺陷的动态波形特点，并分析了各缺陷动态波形形成的原因。结果表明三种缺陷左右扫查的动态波形相似；隧道孔缺陷的前后扫查动态波形具有自身特征，而包铝陷入缺陷和未焊透缺陷的前后扫查动态波形具有光滑平面反射体的前后扫查的动态 波形特征，需要辅助以其他手段来区分这两种缺陷并对其定性。 1.2 X射线检测法 X射线检测方法基于射线束穿过缺陷区引起的能量衰减原理，利用合理感光材料或用记录仪器记录这种能量衰减，以灰（黑）度变化来评定缺陷的存在。 刘松平[4]等人利用X射线成功的探测了3mm厚铝合金板内预制的孔洞缺陷，但是相比超声检测的方法，X射线的检测能力有限，特别是针对搅拌摩擦焊缝中的微细和紧贴型

回填式搅拌摩擦点焊的研究进展

龙源期刊网 https://www.sodocs.net/doc/1913690135.html, 回填式搅拌摩擦点焊的研究进展 作者：石瑶岳玉梅吕赞 来源：《机械制造文摘·焊接分册》2017年第06期 摘要：回填式搅拌摩擦点焊技术（RFSSW）是一种新型的固相点焊技术，它既拥有与搅拌摩擦焊（FSW）相同的效率高、能耗少、易操作和污染少等优点，又可消除匙孔，因此在航空、航天和汽车制造领域中有着广阔的应用前景。自发明以来，回填式搅拌摩擦点焊技术已被应用于各种铝合金、镁合金以及异种材料的焊接。文中综述了回填式搅拌摩擦点焊的研究进展，主要涉及回填式搅拌摩擦点焊的基本原理以及回填式搅拌摩擦点焊接头常见的缺陷、显微组织、力学性能，以及同、异种材料的回填式搅拌摩擦点焊工艺等内容，可对实际工程应用中提高回填式搅拌摩擦点焊接头性能以及合理选择回填式搅拌摩擦点焊工艺参数提供一定的借鉴作用。 关键词：回填式搅拌摩擦点焊；匙孔；铝合金；显微组织；力学性能 中图分类号： TG453 Abstract： Refill friction stir spot welding （RFSSW） is a new solid state spot joining technology. It not only owns the advantages of high efficiency， low energy consumption， easy operation and low contamination like friction stir welding （FSW）， but also can eliminate the keyhole. Hence RFSSW has wide application prospect in aerospace and automobile fields. Since invention， RFSSW has been used to join all kinds of aluminum alloys， magnesium alloys and dissimilar alloys. This paper introduces the research situation of RFSSW， including principle，common defects， microstructure， mechanical properties， similar and dissimilar RFSSW process. This paper helps to improve joint mechanical properties and choosing appropriate welding parameters in actual engineering applications. Key words： refill friction stir spot welding； keyhole； aluminum alloy； microstructure；mechanical properties 0前言 铝合金因其较高的比强度、较小的密度和良好的耐腐蚀性等优点而被越来越广泛地使用。实际应用中各结构件的复杂性使得铝合金的连接成为一个不可避免的问题[1-2]。然而，传统熔焊方法因铝合金的熔化而常在接头中形成热裂纹、气孔、夹渣、较大残余应力等缺陷使得其不适用与铝及其合金的焊接[3]。搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding， FSW）是英国焊接研究所于1991年发明的一种固相连接技术，其焊接过程中温度峰值一般不超过材料的熔点，因此可避 免绝大多数因材料熔化所导致的缺陷，非常适用于铝合金的焊接。到目前为止，搅拌摩擦焊接头已成功应用于实际生产中[4]。

几种新型搅拌摩擦焊技术

几种新型搅拌摩擦焊技术 搅拌摩擦焊技术自1991年问世以来就倍受业界瞩目，特别是1996年搅拌摩擦焊被成功应用于宇航结构件的焊接以后，在制造业掀起了技术研究、发展和推广应用的热潮[1-3]。 双轴肩自适应搅拌摩擦焊技术 搅拌摩擦焊作为一种先进的固相连接技术，已经在造船、航空航天、轨道交通等领域获得了广泛的应用。但是在一些特殊的加工过程中需要搅拌摩擦焊设备提供较大的焊接力，同时要求在焊接过程中对待焊零件进行严格装夹（包括背部的刚性支撑），这给某些特殊结构形式下实施FSW造成了困难，如大直径火箭贮箱环缝结构的焊接等。而双轴肩自适应搅拌摩擦焊（Self-ReactingPin Tool，SRPT）技术成功地解决了上述问题。 1 原理 双轴肩自适应搅拌摩擦焊是通过上下轴肩夹持作用加紧工件，下轴肩代替了常规搅拌摩擦焊的垫板装置。搅拌针与驱动装置及下轴肩相连，这样既可调节加载载荷又可调整下轴肩的位置。且上轴肩与单独的驱动轴相连，这种上下轴肩单独控制的方式使得自适应系统得以实现，并且使上下轴肩的顶锻力反向相等，整个工件在垂直板件方向所受合力为零。由于SRPT采用了两个轴肩的模式，提高了焊缝背部的热输入，可以预防和降低焊缝背部缺陷。 与常规 FSW 相比，SRPT有两个独立控制的轴肩；常规FSW焊件背面需要配套的刚性支撑垫板，而SRPT焊件背面则不需要；常规FSW被焊工件需要严格的装夹，焊件需要被垂直及侧向压紧，而 SRPT大大简化了装夹机构；常规FSW焊缝背部常常是整个焊件的薄弱环节，SRPT由于下轴肩的产热减小了从焊缝表面到背部的温度梯度，降低了焊缝的热损耗，提高了热效率，因此可以很好地消除焊缝背部未焊透等缺陷。 2 试验验证与工程应用 Edwards 等[4]成功地应用双轴肩自适应搅拌摩擦焊技术对薄板铝合金进行了焊接，试验表明：在薄板焊接领域此技术可以实现1.8mm及更薄的铝合金型材的焊接；焊接速度可以达到1m/min以上；对2mm厚A l6061铝合金的试验表明，焊缝强度系数可达88%，而且强度系数还可以进一步提高。 TWI的研究表明[5]：双轴肩技术可以在较低的轴向顶锻力下焊接25mm厚的铝板；此项技术可以提供完全焊透的焊缝，不会出现未焊透和其他根部缺陷。 复合热源搅拌摩擦焊技术

近现代最伟大的发明之一——搅拌摩擦焊

搅拌摩擦焊接夹具助推工业自动化 宁波友智机械科技有限公司，是专业从事创新型环保节能设备、自动化夹具的高新技术企业；致力于为客户提供优质的机械自动化整体解决方案，特别是搅拌摩擦焊接夹具的技术支持，可根据不同客户的需求，进行自主设计、生产，近日，宁波某上市公司向我司采购搅拌摩擦焊机及夹具三套。 免费的三维实体夹具模型设计，提供工业自动化整体解决方案，将最好的服务带给每位客户。 搅拌摩擦焊接技术在新能源汽车领域的应用。为达到汽车轻量化的目的，汽车中的多个位置需要铝合金，但各个位置所需铝合金的种类不同，对其焊接性及焊接方法的适应性要求比较高。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。搅拌摩擦焊接能够有效地避免这些问题，焊接后的产品性能优异，被广泛认为是焊接铝及其合金的最佳连接方式，在汽车制造工业中有着广泛的应用前景。 目前，搅拌摩擦焊接主要是用于底盘、驱动电机外壳、控制模组、副车架、车门车窗、电池水冷板、散热器、导电杆等部位的焊接，也将在未来新能源汽车制造中占据更大的适用空间。

搅拌摩擦焊接以其绿色焊接的形象走入人们的视野，凭借其强大的焊接能力以及快速便捷的焊接方式，为智能工业的实现，做出了极大的贡献。搅拌摩擦焊接技术的实现，在降低成本方面，具有显著的优势，其焊接本身只需要消耗搅拌焊头，这样一来，大大地减少了焊接过程中所花费的其他费用。而焊头根据质量不同，其本身消耗也不同，但是据了解，平均搅拌焊头能运行的距离大概在1200米左右，而焊头本身的成本是相当低的。 工业自动化工程，推动的是整体的自动化服务，从而更好地解放人力，也能在一定程度上提升加工的精细度，随着搅拌摩擦焊接技术在新能源汽车领域得到广泛应用，而我司，在不断的业务发展过程中，也针对搅拌摩擦焊接技术，融合公司本身成熟的夹具设计技术，研发、设计了搅拌摩擦焊接夹具，为您提供整体的搅拌摩擦焊接解决方案。 以下是友智制造的搅拌摩擦焊接夹具，其满足当代工业自动化的需求。

几种新型搅拌摩擦焊技术

48 航空制造技术·2008 年第21 期 搅拌摩擦焊技术自1991年问世 以来就倍受业界瞩目，特别是1996年搅拌摩擦焊被成功应用于宇航结构件的焊接以后，在制造业掀起了技术研究、发展和推广应用的热潮[1-3]。双轴肩自适应搅拌 摩擦焊技术 搅拌摩擦焊作为一种先进的固几种新型搅拌摩擦焊技术 New Types of Friction Stir Welding Technology 大连交通大学 韩文妥 许鸿吉 北京航空制造工程研究所 李 光 董春林 栾国红 经过多年的发展和实践，新型的搅拌摩擦焊技术层出不穷，涉及领域广泛，其中最具代表性和创新性的新型搅拌摩擦焊技术有：双轴肩自适应搅拌摩擦焊技术、复合热源搅拌摩擦焊接技术、动态控制低应力无变形搅拌摩擦焊技术和双头搅拌摩擦焊技术。 韩文妥 大连交通大学与北京航空制造工 程研究所联合培养硕士研究生。从事 搅拌摩擦焊方面的研究。参与项目：“十一五”重点项目“新型精密焊接技术与装备研究”；航空基金重点项目“搅 拌摩擦焊应力与变形规律研究”、“飞机 整体结构件搅拌摩擦焊综合强度性能 基础研究” 等。相连接技术，已经在造船、航空航天、轨道交通等领域获得了广泛的应用。但是在一些特殊的加工过程中需要搅拌摩擦焊设备提供较大的焊接力，同时要求在焊接过程中对待焊 零件进行严格装夹（包括背部的刚性 支撑），这给某些特殊结构形式下实施F S W 造成了困难，如大直径火箭贮箱环缝结构的焊接等。而双轴肩自适应搅拌摩擦焊（Self-Reacting Pin Tool，SRPT）技术成功地解决了上述问题。 1 原理 双轴肩自适应搅拌摩擦焊是通过上下轴肩夹持作用加紧工件， 下轴肩代替了常规搅拌摩擦焊的垫板装置。搅拌针与驱动装置及下轴肩相 连， 这样既可调节加载载荷又可调整下轴肩的位置。且上轴肩与单独的驱动轴相连，这种上下轴肩单独控制的方式使得自适应系统得以实现，并且使上下轴肩的顶锻力反向相等， 整个工件在垂直板件方向所受合力为 零。由于S R P T 采用了两个轴肩的模式，提高了焊缝背部的热输入，可以预防和降低焊缝背部缺陷。 与常规F S W 相比，S R P T 有两个独立控制的轴肩；常规F S W 焊件背面需要配套的刚性支撑垫板，而S R P T 焊件背面则不需要；常规F S W 被焊工件需要严格的装夹，焊件需要被垂直及侧向压紧，而S R P T 大大简化了装夹机构；常规F S W 焊缝背部常常是整个焊件的薄弱环节，S R P T 由于下轴肩的产热减小了从焊缝表面到背部的温度梯度，降低了焊缝的热损耗，提高了热效率，因此可以很好地消除焊缝背部未焊透等缺陷。 2 试验验证与工程应用 Edwards 等[4]成功地应用双轴肩自适应搅拌摩擦焊技术对薄板铝合金进行了焊接，试验表明：在薄板焊接领域此技术可以实现1.8m m 及

搅拌摩擦焊工艺参数对焊缝质量的影响

搅拌摩擦焊工艺参数对焊缝质量的影响 摘要：自主设计了多种结构的搅拌针，并针对铝合金材料进行焊接工艺实验，分析了焊头形状、旋转速度、焊接速度等对焊缝质量的影响，为进一步研究开发和铝合金零部件生产应用摩擦搅拌焊接技术提供理论和实践依据。 关键词：搅拌摩擦焊；工艺参数 随着人们对节能、环保、安全提出更高的要求，铝合金等轻质高强材料的应用获得广泛关注。所以铝材成为航空航天和现代交通运输轻量化、高速化的关键材料。轻量化可使飞机和宇航器飞得更高、更快、更远，可使导弹打得更快、更远、更准，可使电动汽车零污染高速行驶，可减少牵引力和节省大量能源，使运输工具既安全又准点[ 1]。 1.试验材料及方法 选用轨道客车中空车体及结构件用厚为3mm的铝合金挤压板材，将板材裁剪多组尺寸为600×110mm的母板。用XD5032A立式升降台铣床作为FSW的设备。 2.试验结果与讨论 对于一定形状的搅拌焊头，影响焊缝成型和接头机械性能的主要因素是旋转速度（n）、焊接速度（v）和焊接压力（p）。 2.1.旋转速度对焊缝质量的影响 搅拌焊头的旋转速度一定时，若焊接速度较慢，焊缝表面平滑光亮，但在焊缝背面可见到由于局部母材熔化而出现的缩孔。随着焊接速度的增加，这种缩孔会消失，继续增加焊接速度，焊缝表面的光洁度变差，沿焊缝的横截面将试样切开会发现隧道型缺陷，若焊接速度过快，隧道型缺陷逐渐增大，甚至会在焊缝表面出现沟槽。 采用本实验的搅拌焊头焊接时，将旋转速度定为1500rpm/min，此时，焊接速度若高于35mm/min，会看到焊缝的一侧产生未焊合或在搅拌焊头的后面出现长长的沟槽；当焊接速度低于23.5mm/min时，则焊缝表面发生凹陷或在焊缝某一侧产生切边现象，同时，在焊缝的背面会出现由于过热而形成的缩孔。当焊接速度在23-40mm/min范围内，焊缝的外观成型较好；拉伸试验结果表明，当焊接速度在35-60mm/min范围内时，焊缝的抗拉强度较高。如果将旋转速度降低为1180rpm/min，焊接速度为23-45mm/min时，焊缝的外观成型及接头的抗拉强度均较高。这是由于焊接速度影响单位长度焊缝上的热输入量，旋转速度一定而焊接速度过慢时，单位长度焊缝上获得的热量过多，使焊接区温度接近母材的熔化温度而出现局部过热甚至熔化现象；反之，当焊接速度过快时，焊接区获得的