C型攪拌摩擦焊的現(xiàn)狀與發(fā)展1前言1991年,英國焊接研究所（TheWeldingInstitute-TWI）發(fā)明了攪拌摩擦焊（FrictionStirWelding-FSW），這項(xiàng)杰出的焊接技術(shù)發(fā)明正在為世界制造技術(shù)的進(jìn)步做出貢獻(xiàn)。在國外,攪拌摩擦焊已經(jīng)在諸多制造領(lǐng)域達(dá)到規(guī)?；?、工業(yè)化的應(yīng)用水平。如在船舶制造領(lǐng)域，在1996年攪拌摩擦焊就在挪威MARINE公司成功地應(yīng)用在鋁合金快速艦船的甲板、側(cè)板等結(jié)構(gòu)件的流水線制造。在軌道車輛制造領(lǐng)域，日本HITACHI公司首先于1997年將攪拌摩擦焊技術(shù)應(yīng)用于列車車體的快速低成本制造，成功實(shí)現(xiàn)了大壁板鋁合金型材的工業(yè)化制造。在世界宇航制造領(lǐng)域，攪拌摩擦焊已經(jīng)成功代替熔焊實(shí)現(xiàn)了大型空間運(yùn)載工具如運(yùn)載火箭和航天飛機(jī)等的大型高強(qiáng)鋁合金燃料貯箱的制造，波音公司的DELTAII型和IV型火箭已經(jīng)全部實(shí)現(xiàn)了攪拌摩擦焊制造，并于1999年首次成功發(fā)射升空。2000年世界汽車工業(yè)，如美國TOWER汽車公司等就利用攪拌摩擦焊實(shí)現(xiàn)了汽車懸掛支架、輕合金車輪、防撞緩沖器、發(fā)動(dòng)機(jī)安裝支架以及鋁合金車身的焊接。2002年8月，美國月蝕航空公司利用FSW技術(shù)研制出了全攪拌摩擦焊輕型商用飛機(jī)，并且首次試飛成功。2攪拌摩擦焊的技術(shù)特點(diǎn)攪拌摩擦焊作為一項(xiàng)新型焊接方法，用很短的時(shí)間就完成了從發(fā)明到工業(yè)化應(yīng)用的歷程。目前,在國際上還沒有針對(duì)攪拌摩擦焊公布的統(tǒng)一技術(shù)術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)，在攪拌摩擦焊專利許可協(xié)會(huì)的影響下，業(yè)界已經(jīng)對(duì)攪拌摩擦焊方法中所涉及到的通用技術(shù)術(shù)語進(jìn)行了定義和認(rèn)可。下圖示出了攪拌摩擦焊所用到的主要描述性術(shù)語。攪拌摩擦焊是一種在機(jī)械力和摩擦熱作用下的固相連接方法。如圖1所示，攪拌摩擦焊過程中，一個(gè)柱形帶特殊軸肩和針凸的攪拌頭旋轉(zhuǎn)著緩慢插入被焊接工件，攪拌頭和被焊接材料之間的摩擦剪切阻力產(chǎn)生了摩擦熱，使攪拌頭鄰近區(qū)域的材料熱塑化（焊接溫度一般不會(huì)達(dá)到和超過被焊接材料的熔點(diǎn)），當(dāng)攪拌頭旋轉(zhuǎn)著向前移動(dòng)時(shí)，熱塑化的金屬材料從攪拌頭的前沿向后沿轉(zhuǎn)移，并且在攪拌頭軸肩與工件表層摩擦產(chǎn)熱和鍛壓共同作用下，形成致密固相連接接頭。攪拌摩擦焊具有適合于自動(dòng)化和機(jī)器人操作的諸多優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于有色金屬材料（如鋁、銅、鎂、鋅等）的連接,在焊接方法、接頭力學(xué)性能和生產(chǎn)效率上具有其他焊接方法無可比擬的優(yōu)越性，它是一種高效、節(jié)能、環(huán)保型的新型連接技術(shù)。但是攪拌摩擦焊也有其局限性，例如：焊縫末尾通常有匙孔存在（目前已可以實(shí)現(xiàn)無孔焊接）；焊接時(shí)的機(jī)械力較大，需要焊接設(shè)備具有很好的剛性；與弧焊相比,缺少焊接操作的柔性；不能實(shí)現(xiàn)添絲焊接。攪拌摩擦焊對(duì)材料的適應(yīng)性很強(qiáng)，幾乎可以焊接所有類型的鋁合金材料，由于攪拌摩擦焊接過程較低的焊接溫度和較小的熱輸入，一般攪拌摩擦焊接頭具有變形小、接頭性能優(yōu)異等特點(diǎn)；可以焊接目前熔焊“不能焊接”和所謂“難焊”的金屬材料如：Al-Cu(2xxx系列)、Al-Zn(7xxx系列)和Al-Li(如8090、2090和2195鋁合金)等鋁合金。另外，攪拌摩擦焊對(duì)于鎂合金、鋅合金、銅合金、鉛合金以及鋁基復(fù)合材料等材料的板狀對(duì)接或搭接的連接也是優(yōu)先選擇的焊接方法；目前，攪拌摩擦焊還成功地實(shí)現(xiàn)了不銹鋼、鈦合金甚至高溫合金的優(yōu)質(zhì)連接。攪拌摩擦焊可以較容易實(shí)現(xiàn)異種材料的連接，例如鋁合金和不銹鋼的攪拌摩擦焊接，利用攪拌摩擦焊可以較方便的實(shí)現(xiàn)鋁鋼板材之間的連接和銅鋁復(fù)合焊接接頭。3攪拌摩擦焊在國外的發(fā)展攪拌摩擦焊作為一種輕合金材料連接的優(yōu)選焊接技術(shù)，已經(jīng)從技術(shù)研究，邁向高層次的工程化和工業(yè)化應(yīng)用階段,形成了一個(gè)新的產(chǎn)業(yè):攪拌摩擦焊設(shè)備的制造、攪拌摩擦焊產(chǎn)品的加工.如在美國的宇航制造工業(yè)、北歐的船舶制造工業(yè)、日本的高速列車制造等制造領(lǐng)域，攪拌摩擦焊得到了廣泛的應(yīng)用,均已形成新興產(chǎn)業(yè)。4激光輔助攪拌摩擦焊激光輔助攪拌摩擦焊（LAFSW）是一種新改進(jìn)的攪拌摩擦焊，攪拌摩擦焊是近10年開發(fā)的工藝。在攪拌摩擦焊里，焊接熱能是來自工具和工件之間摩擦熱量。由于這種工藝需要相對(duì)大的力，因此，在攪拌摩擦焊中使用的設(shè)備笨重且昂貴。激光輔助攪拌摩擦焊用激光能源加熱工件，而攪拌頭的主要作用是攪拌和連接工件2部分。由于這種原因，激光輔助攪拌摩擦焊是一種相對(duì)簡單和廉價(jià)的方法。為了克服攪拌摩擦焊中存在的不足，如（1）裝夾焊接工件的夾具較大，需要很大的力向前移動(dòng)焊接工具，焊接工具磨損率相對(duì)高；（2）用感應(yīng)線圈方法加熱不能保證正確的位置、焊接攪拌頭和夾具裝置都受到加熱感應(yīng)線圈的影響及用感應(yīng)線圈作媒介加熱及僅適用于導(dǎo)體材料，并不能用于其他非金屬和非導(dǎo)體材料。人們開發(fā)了的激光輔助攪拌摩擦焊。這種方法由通用銑床和Nd：YAG激光器改造成的。激光能源在旋轉(zhuǎn)攪拌頭前面有限范圍內(nèi)預(yù)熱工件。這樣，旋轉(zhuǎn)的攪拌頭前面的工件體積、塑性增加（插圖1）。然后，采用與普通FSW工藝一樣的方法連接工件。旋轉(zhuǎn)工具前面的高溫軟化了工件，并且可以不用強(qiáng)大夾具裝夾就能夠保證連接。向前移動(dòng)焊接工具只需很小的力，所以減少了磨損。對(duì)于激光能源這種工藝的優(yōu)點(diǎn)還有焊接能力較高，焊接中不會(huì)引起過多的磨損。商業(yè)用的激光器，具有很精確地激光直徑控制裝置，因此，控制工件的受熱區(qū)域和激光源到達(dá)工件的數(shù)量，并且保持系統(tǒng)的其他部位的受熱是比較容易的。目前激光輔助攪拌摩擦焊的焊接工藝已經(jīng)被證明。激光能預(yù)熱工件的使用標(biāo)志著在焊接工具和工件中需要提供較大的力的降低，用這種改進(jìn)的方法簡化了使用，因此使用經(jīng)濟(jì)的焊接方法已成為可能。另外，較高的焊接速度在改進(jìn)中獲得了較好的效益。5攪拌摩擦焊鑄鋁的高效連接技術(shù)針對(duì)ZL114A合金廣泛應(yīng)用，中國攪拌摩擦焊中心對(duì)該材料的攪拌摩擦焊工藝適應(yīng)性進(jìn)行了開發(fā)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該材料的攪拌摩擦焊工藝適應(yīng)性良好，接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到了母材的91%，接頭力學(xué)綜合性能優(yōu)于電子束等熔焊方法。ZL114A合金（舊牌號(hào)為ZAlSi7Mg1A），是在ZL101A合金基礎(chǔ)上增加Mg元素的含量發(fā)展起來的Al-Si-Mg系高強(qiáng)度鑄造鋁合金。它既具有優(yōu)良的鑄造工藝性能，又具有較ZL101A合金更高的力學(xué)性能。由于其優(yōu)越特性，在航空航天制造業(yè)中，廣泛用于制造重要部位的大型薄壁結(jié)構(gòu)件。ZL114A合金應(yīng)用前景廣闊，產(chǎn)生了對(duì)材料高效連接技術(shù)的迫切需求。因采用熔焊方法，熱輸入量較大，焊接變形大，難以滿足薄壁件精度要求；并且焊縫易出現(xiàn)氣孔、夾渣、未焊透、燒穿、裂紋等缺陷，缺陷率高；而且焊前焊后處理工序較繁瑣。攪拌摩擦焊是一種新興的金屬固相連接技術(shù)，金屬在焊接過程中不熔化，熱輸入量小；焊縫的連接是在金屬受擠壓的狀態(tài)下完成的，焊接接頭不會(huì)產(chǎn)生熔化焊焊接接頭的氣孔和裂紋等一類缺陷，焊縫缺陷少；攪拌摩擦焊類似于機(jī)械加工過程，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，而且沒有熔化焊中的電壓，電流，強(qiáng)光，金屬粉塵等現(xiàn)象，工作環(huán)境環(huán)保清潔。最重要的是，攪拌摩擦焊接頭的力學(xué)性能優(yōu)于熔焊接頭。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明焊接接頭的抗拉強(qiáng)度達(dá)到了母材的91，試樣延伸率達(dá)到了2.5，接頭組織晶粒細(xì)化、均勻而致密，消除了母材的鑄造缺陷。ZL114A母材與焊接接頭微觀組織對(duì)比，可觀察到焊核區(qū)微觀組織是無方向性的、細(xì)小的等軸晶粒，母材區(qū)為粗大的樹枝狀鑄造組織。攪拌摩擦焊是一種區(qū)別于熔化焊和機(jī)械連接的新型焊接技術(shù)，基于其技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在航空制造業(yè)中的應(yīng)用具有巨大的潛在性，為各種輕質(zhì)合金高效連接，提供了解決途徑和方法。6攪