§10.3電子束焊接陰極發(fā)射、經(jīng)高壓加速、磁透鏡聚焦而獲得的電子束流與激光束統(tǒng)稱為高能束。電子束作為材料加工的能源具有如下特點(diǎn)：

①功率密度高。如電子束焊接時(shí)。通常加速電壓范圍為30～150kV，束流為20～1000mA，電子束的柬斑直徑為0.1～1.0mm，電子束的功率密度可達(dá)106W／cm2以上。②快速、精確的可控性。作為物質(zhì)基本粒子的電子具有極小的質(zhì)量(9.1×1031kg)和一定的負(fù)電荷(1.6×10C)，荷質(zhì)比高達(dá)1.76×1011C／kg，通過(guò)電場(chǎng)或磁場(chǎng)可以方便、快速而精確地對(duì)電子束進(jìn)行控制。③有效功率大，與激光相比更易被固體金屬吸收。第10章先進(jìn)連接技術(shù)§10.3電子束焊接第10章先進(jìn)連接技術(shù)1電子束用于焊接可以追溯到加世紀(jì)50年代，是由德國(guó)人K.H.Steigerwald和英國(guó)人J.A.Stohr幾乎在同時(shí)期發(fā)明的，主要是用于一些重要的、用其他方法難以焊接的材料和結(jié)構(gòu)。雖然近年來(lái)又發(fā)展了一些新的電子束材料加工技術(shù)，如電子束表面淬火、電子束表面合會(huì)化、電子束熔覆、電子束物理氣相沉積等，但電子束最重要的工業(yè)應(yīng)用還是在焊接方面。電子束用于焊接可以追溯到加世紀(jì)50年代，是由21．電子束焊接原理與特點(diǎn)電子束焊是利用聚焦后的電子束流加熱、熔合被焊金屬(母材)而實(shí)現(xiàn)連接的一種焊接方法，在焊接方法的分類中通常將電子束焊接和激光焊接統(tǒng)稱為高能束焊接。電子束焊接的最大特點(diǎn)是存在“小孔效應(yīng)”，小孔效應(yīng)的形成是一個(gè)復(fù)雜的高溫流體動(dòng)力學(xué)過(guò)程。從陰極發(fā)射的電子在數(shù)十到數(shù)百千伏的加速電壓作用下被加速到0.3~0.7倍的光速，經(jīng)聚焦后形成高功率密度的電子束流。1．電子束焊接原理與特點(diǎn)3焊接時(shí)電子束轟擊金屬表面，電子的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，金屬被迅速加熱熔化并達(dá)到沸點(diǎn)，一部分金屬被氣化金屬蒸氣離開(kāi)熔池時(shí)對(duì)液態(tài)金屬產(chǎn)生一個(gè)附加壓力，在電子束的束流壓力和金屬蒸氣的附加壓力的共同作用下，熔化的金屬被排開(kāi)，電子束可以繼續(xù)轟擊底部的固態(tài)金屬，被焊金屬中很快形成小孔。小孔的深度取決于電子束的束流壓力和金屬蒸氣附加壓力與液態(tài)金屬的壓力和表面張力之間的平衡。功率密度越高，小孔的深度越大。隨著電子束在工件上移動(dòng)，小孔也隨著電子束一起運(yùn)動(dòng)，液態(tài)金屬繞過(guò)小孔流向熔池后部使小孔不斷鎖閉并凝固形成焊縫，如圖10-21所示。焊接時(shí)電子束轟擊金屬表面，電子的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊?由于電子束能量密度高，因此，與一般電弧焊相比電子束焊接具有如下特點(diǎn)：

①電子束穿透能力強(qiáng)，焊縫深寬比大。電子束焊接深寬比可達(dá)60：1，一次可焊透300mm不銹鋼板；

②焊接速度快。如焊接125mm鋁板時(shí)焊接速度可達(dá)400mm/min，是氬弧焊的40倍；

③焊縫性能好。焊縫冷速高，可避免晶粒長(zhǎng)大，獲得細(xì)晶組織，且合金元素?zé)龘p少，焊縫抗腐蝕性能好；

④焊接變形小。焊接熱輸入小，熱影響區(qū)小，焊接變形?。?/p>

⑤真空條件下焊接對(duì)焊縫有很好的保護(hù)作用，有利于焊接鈦及鈦合金等活性材料，也有利于獲得良好的焊縫成形。由于電子束能量密度高，因此，與一般電弧焊相比5電子束焊接的上述特點(diǎn)使其在工業(yè)生產(chǎn)中獲得了廣泛的應(yīng)用，尤其在焊接航空航天用先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料(如高溫合金、鈦合金、復(fù)合材料及金屬間化合物等方面)具有重要的地位。按照被焊件所處的環(huán)境條件，電子束焊可分為三種：高真空電子束焊、低真空電子束焊和非真空電子束焊?！窀哒婵针娮邮父哒婵针娮邮甘侵副缓讣h(huán)境真空為10-4~10-1Pa的電子束焊接，由于高真空對(duì)熔池有很好的保護(hù)作用，并防止合金元素的燒損，因此可焊接活性金屬、難熔金屬和質(zhì)量要求較高的構(gòu)件。

電子束焊接的上述特點(diǎn)使其在工業(yè)生產(chǎn)中獲得了廣6●低真空電子束焊接低真空電子束焊接是在10-1~10Pa的真空條件下進(jìn)行的，生產(chǎn)效率高，適合于批量大的零件的焊接和在生產(chǎn)線上使用?！穹钦婵针娮邮附臃钦婵针娮邮附訒r(shí)被焊件處在非真空環(huán)境(電子束仍在真空條件下獲得)，可以焊接大型產(chǎn)品，生產(chǎn)效率高，但電子束散射嚴(yán)重，功率密度低，焊接熔深和深寬比均較小。

●低真空電子束焊接72．電子束焊接系統(tǒng)電子束焊接系統(tǒng)主要由電子槍、真空系統(tǒng)、工作倉(cāng)(真空室)、高壓電源及控制系統(tǒng)等幾部分組成，下面分別簡(jiǎn)要介紹。（1）電子搶電子槍是電子束焊接系統(tǒng)的核心部分，是產(chǎn)生和控制電子束的電子光學(xué)系統(tǒng)。電子槍有二極電子槍與三極電子槍之分，現(xiàn)代電子束焊機(jī)多采用三極電子槍。2．電子束焊接系統(tǒng)8圖10-22為三極電子槍典型結(jié)構(gòu)示意圖，主要由陰極、陽(yáng)極、偏壓電極、聚焦線圈和偏轉(zhuǎn)線圈等組成。陰極為電子發(fā)射極，通常由熱電子發(fā)射能力強(qiáng)且不易“中毒”的材料構(gòu)成，常用的材料有鎢、鉭、六硼化鑭(LaB6)等。圖10-22為三極電子槍典型結(jié)構(gòu)示意圖，主要9工作時(shí)陰極處于高的負(fù)電位，它與接地的陽(yáng)極之間形成電子束的加速電場(chǎng)。偏壓電極相對(duì)于陰極呈負(fù)電位，通過(guò)調(diào)節(jié)該負(fù)電位的大小和改變偏壓電極的形狀和位置可以調(diào)節(jié)電子束流的大小并改變電子束的形狀。聚焦線圈俗稱電磁透鏡，主要是利用電子切割磁力線時(shí)所受到的洛侖茲力來(lái)使電子束聚焦。通常電子槍的電極系統(tǒng)也同時(shí)構(gòu)成一個(gè)靜電透鏡，它使陰極發(fā)射出來(lái)的電子匯聚在陽(yáng)極附近形成交叉點(diǎn)。電子束穿過(guò)陽(yáng)極后又逐漸發(fā)散，然后通過(guò)電磁透鏡(聚焦線圈)使其再一次匯聚在待焊件表面形成斑點(diǎn)。偏轉(zhuǎn)線圈的作用是使電子束做重復(fù)性擺動(dòng)或偏移。工作時(shí)陰極處于高的負(fù)電位，它與接地的陽(yáng)極之間形10對(duì)于大功率電子槍(≥30kW)可能設(shè)有兩個(gè)聚焦線圈并在電子束通道上設(shè)置有小孔徑光闌，以減少金屬蒸氣和離子對(duì)電子槍工作穩(wěn)定性的影響，同時(shí)。雙聚焦還增加了調(diào)節(jié)電子束形狀的可能性。電子槍的靜電透鏡和電磁透鏡各部件必須保持同軸，否則電子束軌跡將發(fā)生畸變，在調(diào)節(jié)聚焦或改變束流時(shí)電子束將發(fā)生偏移，因此，電子槍上一般還裝有機(jī)械式或電磁式的合軸調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。對(duì)于大功率電子槍(≥30kW)可能設(shè)有兩個(gè)聚11(2)工作倉(cāng)電子束焊接系統(tǒng)的工作倉(cāng)主要由真空室和工裝臺(tái)(具)組成。真空室一般采用帶有加強(qiáng)筋的低碳鋼薄板結(jié)構(gòu)，主要有如下幾方面功能和要求：

①獲得所需要的真空度。

②防止X射線泄漏。

③屏蔽外部磁場(chǎng)對(duì)電子束的干擾。工裝臺(tái)(具)的作用是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)確定的位置和形狀的焊接，并在焊接過(guò)程中保持焊接位置的準(zhǔn)確、焊接速度的穩(wěn)定。因此，工裝臺(tái)(具)不僅要能對(duì)焊接件進(jìn)行定位，而且還要能夠使其做所需要的各種移動(dòng)，包括水平方向的直線運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)等。(2)工作倉(cāng)12

(3)真空系統(tǒng)真空系統(tǒng)的作用是使電子槍室和工作倉(cāng)獲得真空，主要是由機(jī)械泵和擴(kuò)散泵組成。抽真空時(shí)先用機(jī)械泵(一般為羅茨泵)將電子槍室和工作倉(cāng)從大氣壓抽到1.3~0.13Pa，然后再以機(jī)械泵配合擴(kuò)散泵將真空進(jìn)一步提高到1.3×10-3Pa甚至于1.3×10-4Pa。(4)高壓電源及控制系統(tǒng)高壓電源為電子槍提供加速電壓、控制電壓及陰極加熱電流。高壓電源內(nèi)有高壓變壓器，其初級(jí)連接在三相380V主電路上，次級(jí)接整流器。(3)真空系統(tǒng)133．電子束焊接工藝及應(yīng)用電子束焊接工藝參數(shù)主要有加速電壓、電子束電流、焊接速度和聚焦電流等，這些參數(shù)將影響焊接線能量和能量密度，因而影響焊接成形，電子束焊接時(shí)線能量可用下式來(lái)估算：

q=60UbIb／v

式中q——焊接線能量，J／cm；

Ub——加速電壓，V；Ib——電子束流，A；

v——焊接速度，cm／min。3．電子束焊接工藝及應(yīng)用14

加速電壓(Ub)增加焊接熔深增大。在保持其他參數(shù)不變的條件下，焊縫深寬比與加速電壓成正比。在實(shí)際焊接過(guò)程中，加速電壓一般是比較固定的，只有在焊接厚度和工作距離(電子槍與焊件表面的距離)需要做較大的調(diào)整時(shí)才改變加速電壓。

電子束電流(Ib)與加速電壓一起決定電子束的功率。當(dāng)其他參數(shù)固定時(shí)，隨電子束流增加，焊接線能量增大，焊縫熔深和熔寬均增大。在實(shí)際焊接過(guò)程中，隨著焊接材料、尺寸和成形要求的變化，電子束流需要經(jīng)常調(diào)整。在其他參數(shù)確定時(shí)，焊接線能量與焊接速度(v)成反比。焊接速度增加，焊縫熔深和熔寬均減小。由于焊縫冷卻速度與焊接速度有關(guān)，因此，焊接速度還對(duì)焊接熔池凝固行為和縫組織有一定影響。

加速電壓(Ub)增加焊接熔深增大。在保持其15電子束聚焦?fàn)顟B(tài)對(duì)焊縫形狀也有很大影響，焊接時(shí)聚焦電流Ic主要用于調(diào)節(jié)被焊件與焦點(diǎn)的相對(duì)位置。電子束的聚焦位置有上焦點(diǎn)、下焦點(diǎn)和表面焦點(diǎn)三種，需要根據(jù)焊接材料、焊接厚度、焊縫間隙和其他焊接參數(shù)確定。當(dāng)焊接厚度大于10mm時(shí)，通常采用下焦點(diǎn)(焦點(diǎn)處于焊件表面之下)，且焦點(diǎn)在焊接熔深的30％處；當(dāng)焊接厚度大于50mm時(shí)，焦點(diǎn)在焊接熔深的50％～75％之間為宜。

電子束聚焦?fàn)顟B(tài)對(duì)焊縫形狀也有很大影響，焊接時(shí)聚16一般金屬材料都可以用電子束進(jìn)行焊接。電子束焊與激光焊均屬高能束焊接，特點(diǎn)相似，主要是能量密度高，焊接速度快，焊縫金屬冷速快，容易得到細(xì)晶組織，且焊縫窄、焊接熱影響區(qū)小，焊接變形和應(yīng)力小等。一般金屬材料的電子束焊接性與激光焊相似，接頭都具有良好的抗熱裂和冷裂能力，焊接性比采用普通電弧焊時(shí)的焊接性要好。一般金屬材料都可以用電子束進(jìn)行焊接。電子束焊17由于電子束穿透能力強(qiáng)，焊縫深寬比大，因此在航空航天、核能等領(lǐng)域重要的大厚件焊接方面電子束焊接具有不可替代的地位，如核反應(yīng)堆大型線圈隔板、大型傳動(dòng)齒輪、飛機(jī)起落架、機(jī)翼大梁、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子等，涉及的材料主要有鈦合金、高強(qiáng)鋼、高溫合金、不銹鋼、復(fù)合材料等。電子束焊對(duì)金屬間化合物材料的連接也具有重要的應(yīng)用價(jià)值，應(yīng)用電子束焊接已經(jīng)成功地焊接了鎳-鋁、鈦-鋁和鐵-鋁等金屬間化合物材料。

由于電子束穿透能力強(qiáng)，焊縫深寬比大，因此在航18§10.4攪拌摩擦焊攪拌摩擦焊(frictionstirwelding，簡(jiǎn)稱FSW)是英國(guó)劍橋焊接研究所TWI(Theweldinginstitute)開(kāi)發(fā)的一種材料連接新技術(shù)，1991年10月，劍橋焊接研究所首次提出攪拌摩擦焊的專利技術(shù)。由于在連接結(jié)構(gòu)方面突破了傳統(tǒng)摩擦焊的局限性，因此，攪拌摩擦焊自產(chǎn)生以來(lái)受到了廣泛的關(guān)注，獲得了迅速的應(yīng)用。攪拌摩擦焊是由摩擦焊派生、發(fā)展起來(lái)的，本質(zhì)上屬于固相連接的范疇。§10.4攪拌摩擦焊191.攪拌摩擦焊原理和特點(diǎn)如圖10-24和圖10-25所示，攪拌摩擦焊是利用一種非耗損的攪拌頭在待焊界面攪拌摩擦而實(shí)現(xiàn)連接的。1.攪拌摩擦焊原理和特點(diǎn)20●原理高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭和封肩與金屬的摩擦生熱使金屬處于塑性狀態(tài)，在攪拌頭的作用下被封肩封閉的塑性金屬一方面上下循環(huán)流動(dòng)，另一方面隨著攪拌頭向前移動(dòng)，不斷向攪拌頭后方流動(dòng)填充攪拌頭移出的空間而形成致密的焊縫?！裨?1①可實(shí)現(xiàn)板材對(duì)接，突破了傳統(tǒng)摩擦焊的局限性

傳統(tǒng)摩擦焊是利用被焊工件端面相對(duì)運(yùn)動(dòng)、摩擦所產(chǎn)生的熱使端部達(dá)到熱塑性狀態(tài)，然后迅速頂鍛而實(shí)現(xiàn)焊接的一種方法?？梢苑奖愕剡B接同種或異種材料，包括金屬、部分金屬基復(fù)合材料、陶瓷材料及塑料。由于摩擦焊生產(chǎn)率高、質(zhì)量好，在制造業(yè)中獲得了廣泛的工程應(yīng)用。但摩擦焊在連接結(jié)構(gòu)方面存在局限性，連接的對(duì)象主要是回轉(zhuǎn)型零件。

攪拌摩擦焊不是依靠焊件間的相對(duì)摩擦來(lái)進(jìn)行焊接，可以實(shí)現(xiàn)板材對(duì)接，從根本上突破了傳統(tǒng)的摩擦焊只能焊接軸類構(gòu)件的局限性，擴(kuò)大了摩擦焊的應(yīng)用范圍。①可實(shí)現(xiàn)板材對(duì)接，突破了傳統(tǒng)摩擦焊的局限性22②焊接接頭缺陷少、性能好采用傳統(tǒng)的熔化焊接方法焊接鋁合金，尤其是硬鋁合金時(shí)，即使采用很好的變極性焊接設(shè)備，也仍然容易產(chǎn)生焊接裂紋等焊接缺陷。攪拌摩擦焊焊縫是在塑性狀態(tài)下受擠壓完成的，屬于固相焊，避免了熔焊時(shí)熔池凝固過(guò)程中產(chǎn)生裂縫、氣孔等缺陷，焊縫晶粒細(xì)小、組織均勻、性能好，為凝固裂縫敏感材料(例如焊接高強(qiáng)鋁合金)的焊接提供了新的途徑。例如，采用攪拌摩擦焊接6016-T6高強(qiáng)度鋁合金時(shí)，焊縫中心的最高溫度僅450℃左右，低于其熔化溫度，因此焊接時(shí)不易產(chǎn)生與金屬熔化有關(guān)的焊接缺陷。

②焊接接頭缺陷少、性能好23

③焊接熱影響區(qū)組織變化小攪拌摩擦焊加熱溫度低，熱影響區(qū)范圍小、溫度低，組織變化小(如亞穩(wěn)相能保持基本不變)，有利于焊接熱處理強(qiáng)化鋁合金。同時(shí)攪拌摩擦焊接時(shí)的溫度相對(duì)較低，因此焊接后結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力或變形也較熔化焊小得多。④焊接殘余應(yīng)力和變形小攪拌摩擦焊加熱溫度低，且焊件有剛性固定，因此焊件不易變形、殘余應(yīng)力小，可實(shí)現(xiàn)可控精度連接。

⑤便于機(jī)械化自動(dòng)化理論上攪拌摩擦焊可用于全位置焊接，裝配要求低，對(duì)焊接操作要求低，焊接質(zhì)量穩(wěn)定性好，重復(fù)性高，并適合于自動(dòng)化焊接。③焊接熱影響區(qū)組織變化小24

⑥低成本攪拌摩擦焊接過(guò)程中惟一消耗的是焊接摩擦棒(攪拌頭)，無(wú)需填充材料，也不用保護(hù)氣體；厚焊接件不用坡口加工；焊接鋁材工件不用去氧化膜，只需用溶劑擦去油污即可；對(duì)接允許留一定間隙，不苛求裝配精度。

⑦安全攪拌摩擦焊是一種無(wú)污染、無(wú)煙塵、無(wú)弧光、無(wú)輻射的清潔、安全的焊接方法。當(dāng)然，攪拌摩擦焊在焊接材料和結(jié)構(gòu)方面仍然存在一些局限性。目前，攪拌摩擦焊主要應(yīng)用于焊接鋁合金、塑料等熔點(diǎn)比較低的材料，熔點(diǎn)較高的材料的攪拌摩擦焊接技術(shù)尚在研究開(kāi)發(fā)中。⑥低成本252．影響攪拌摩擦焊的工藝因素?cái)嚢枘Σ梁甘且粋€(gè)復(fù)雜的工藝過(guò)程，影響攪拌摩擦焊的主要因素有攪拌頭的材料和結(jié)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度、攪拌頭軸肩、被焊材料的種類等。（1）

攪拌頭的材料和結(jié)構(gòu)攪拌摩擦焊所使用的攪拌頭由軸肩和摩擦棒組成。攪拌頭是攪拌摩擦焊接過(guò)程中的關(guān)鍵。摩擦棒的結(jié)構(gòu)決定了加熱、塑性流動(dòng)和塑化材料被頂鍛的模式；摩擦棒的尺寸和軸肩的大小及形狀決定了焊縫的尺寸、焊接速度和接頭的強(qiáng)度；摩擦棒的材料決定了摩擦加熱的速率、摩擦棒的強(qiáng)度和焊接溫度。

2．影響攪拌摩擦焊的工藝因素26●結(jié)構(gòu)從文獻(xiàn)上看，國(guó)外采用的摩擦棒是標(biāo)準(zhǔn)英制螺紋，但很多文獻(xiàn)提出了具有特殊結(jié)構(gòu)的摩擦棒，而且出于技術(shù)保密的原因，迄今為止未見(jiàn)詳細(xì)報(bào)道?！癫牧夏Σ涟舻牟牧贤ǔ２捎煤辖鸸ぞ咪?。攪拌頭軸肩的直徑通常是摩擦棒直徑的3倍左右，軸肩直徑過(guò)小，摩擦熱不足以塑化材料，軸肩直徑過(guò)大，可能使軸肩下面的被焊材料達(dá)到或超過(guò)熔點(diǎn)，不利于焊接強(qiáng)度的提高，甚至?xí)?dǎo)致焊縫表面的不平整。軸肩的材料可以采用中碳鋼。

●結(jié)構(gòu)27（2）攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度根據(jù)攪拌摩擦焊?jìng)鳠岱治?，通過(guò)旋轉(zhuǎn)攪拌頭與被焊材料的摩擦所產(chǎn)生的熱源強(qiáng)度q為式中q——熱源強(qiáng)度，W／m2；

——旋轉(zhuǎn)角速度，rad／min；

P——軸肩與工件之間的壓力，Pa：

——摩擦系數(shù)；

R——軸肩的直徑，m；r——攪拌頭中心到軸肩的距離(r≤R)，m；由上式得：式中n——攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度，rad／min。（2）攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度28從上式可知，轉(zhuǎn)速是影響攪拌摩擦焊熱源的主要因素之一。當(dāng)攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度較低時(shí)，摩擦熱不夠，不足以形成熱塑性流動(dòng)層，在焊縫中容易形成孔洞。隨著轉(zhuǎn)速的提高，摩擦熱增大，熱塑性流動(dòng)層由上而下逐漸增大，焊縫中的孔洞逐漸減?。划?dāng)轉(zhuǎn)速上升到一定值時(shí)，孔洞消失，形成致密的焊縫。但轉(zhuǎn)速過(guò)高時(shí)，會(huì)使摩擦棒周圍以及軸肩下面的材料溫度達(dá)到或超過(guò)熔點(diǎn)，無(wú)法形成固相連接。根據(jù)攪拌摩擦焊所采用的攪拌頭、板厚、所焊材料及焊接速度的不同，旋轉(zhuǎn)速度在200～2000r／min之間。

從上式可知，轉(zhuǎn)速是影響攪拌摩擦焊熱源的主要29（3）焊接速度在攪拌摩擦焊接過(guò)程中，攪拌頭的結(jié)構(gòu)及其他參數(shù)確定后，熱源強(qiáng)度就是一定的，焊接線能量與焊接速度成反比。當(dāng)焊接速度過(guò)小時(shí)，攪拌頭所產(chǎn)生的熱量使焊接溫度過(guò)高，焊接區(qū)金屬溫度將接近金屬熔點(diǎn)，使金屬因過(guò)熱而出現(xiàn)疏松，產(chǎn)生液化裂紋，同時(shí)，焊縫表面不平整。當(dāng)焊接速度過(guò)大時(shí)，攪拌摩擦焊所產(chǎn)生的熱量不足以使攪拌頭周圍的金屬達(dá)到塑化狀態(tài)，不能形成良好的焊縫，焊縫內(nèi)部易出現(xiàn)孔洞。根據(jù)攪拌摩擦焊所采用的攪拌頭、板厚、所焊材料及旋轉(zhuǎn)速度的不同，焊接速度一般為1~2.5mm/s。（3）焊接速度30（4）壓緊力攪拌頭與被焊工件表面之間的接觸狀態(tài)對(duì)焊縫的成形也有較大的影響。當(dāng)壓緊力不足時(shí)，表面熱塑性金屬“上浮”，溢出焊接表面，焊縫底部在冷卻后會(huì)由于金屬的“上浮”而形成孔洞。當(dāng)壓緊力過(guò)大時(shí)，軸肩與焊件表面摩擦力增大，摩擦熱將使軸肩發(fā)生“粘頭”現(xiàn)象，使焊縫表面出現(xiàn)飛邊、毛刺等缺陷。（4）壓緊力313．?dāng)嚢枘Σ梁傅膽?yīng)用由于攪拌摩擦焊具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，自問(wèn)世以來(lái)獲得了迅速的推廣和應(yīng)用。攪拌摩擦焊首先用于焊接鋁與鉛等異種金屬并獲得成功，之后很快被用來(lái)焊接高強(qiáng)鋁合金板材。經(jīng)過(guò)多年的研究，已經(jīng)可以用該方法焊接厚度達(dá)75mm的鋁合金板材，圖10-26為典型的焊接接頭，圖10-27為用摩擦焊拼焊的鋁合金板。

3．?dāng)嚢枘Σ梁傅膽?yīng)用32對(duì)大量的鋁與鋁合金的焊接的工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐已經(jīng)證明，攪拌摩擦焊是經(jīng)濟(jì)、可靠的焊接方法，已經(jīng)成功的進(jìn)行了包括2000系列(Al-Cu)、5000系列(Al-Mg)、6000系列(Al-Mg-Si)、7000系列(AI-Mg-Si)、8000系列(Al-Li)等鋁合金的焊接，焊接速度從最初的5mm／min提高到1200mm/min，連接結(jié)構(gòu)也從最簡(jiǎn)單的對(duì)接接頭發(fā)展到幾乎所有的接頭形式，如圖10-28所示。對(duì)大量的鋁與鋁合金的焊接的工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐已經(jīng)證33目前，攪拌摩擦焊技術(shù)的商業(yè)應(yīng)用主要集中在船舶制造、海洋工業(yè)和宇航工業(yè)等領(lǐng)域。在挪威，已用該技術(shù)焊接了長(zhǎng)達(dá)20m的快艇鋁合金結(jié)構(gòu)件，并制造了鋁合金輪轂，如圖10-29所示。

目前，攪拌摩擦焊技術(shù)的商業(yè)應(yīng)用主要集中在船舶34在美國(guó)洛克希德·馬丁航空航天公司用該技術(shù)焊接了儲(chǔ)存液態(tài)氧的低溫容器；在馬歇爾航天飛行中心，也已用該技術(shù)焊接了大型圓筒形容器。在電機(jī)制造業(yè)中也可利用攪拌摩擦焊接銅籠轉(zhuǎn)子、磁極鐵心(見(jiàn)圖10-30、圖10-31)。

在美國(guó)洛克希德·馬丁航空航天公司用該技術(shù)焊接35利用攪拌摩擦焊可以制備飛機(jī)蒙皮、中心翼盒上蓋板、飛機(jī)起落架的傳動(dòng)支撐門、飛機(jī)方向舵翼板、地板等，如圖10-32～圖10-36所示。

利用攪拌摩擦焊可以制備飛機(jī)蒙皮、中心翼盒上蓋36攪拌摩擦焊接技術(shù)在鐵路運(yùn)輸、公路運(yùn)輸、建筑工業(yè)、電器行業(yè)、飲料行業(yè)、武器裝備等領(lǐng)域均有巨大的應(yīng)用潛力。隨著航空航天等工業(yè)領(lǐng)域?qū)Σ牧闲阅苜|(zhì)量比要求的提高，鋁材、鎂合金等低熔點(diǎn)合金的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛，必然為攪拌摩擦焊接技術(shù)提供更多的應(yīng)用市場(chǎng)。表10-3列出了攪拌摩擦焊的應(yīng)用。攪拌摩擦焊接技術(shù)在鐵路運(yùn)輸、公路運(yùn)輸、建筑工37材料加工新技術(shù)與新工藝102課件38隨著對(duì)攪拌摩擦焊技術(shù)研究工作的深入，尤其是通過(guò)對(duì)攪拌頭材料的研究，使攪拌摩擦焊能夠適應(yīng)不同性質(zhì)材料的焊接，還可能使攪拌摩擦焊應(yīng)用于銅合金、鎂合金、鋼和鈦合金等其他材料的焊接。圖10-37是由空中客車工業(yè)公司負(fù)責(zé)的攪拌摩擦焊接技術(shù)應(yīng)用研究項(xiàng)目“宇航工業(yè)近期商業(yè)目標(biāo)技術(shù)應(yīng)用(簡(jiǎn)稱TAN-GO)”的研究?jī)?nèi)容。此項(xiàng)目將歷時(shí)4年，研究經(jīng)費(fèi)預(yù)算為8800萬(wàn)歐元，由12個(gè)國(guó)家34個(gè)合作伙伴參加。主要研究對(duì)象為金屬材料機(jī)身、復(fù)合材料機(jī)身、中心翼箱、側(cè)部翼箱。隨著對(duì)攪拌摩擦焊技術(shù)研究工作的深入，尤其是通39材料加工新技術(shù)與新工藝102課件40§10.3電子束焊接陰極發(fā)射、經(jīng)高壓加速、磁透鏡聚焦而獲得的電子束流與激光束統(tǒng)稱為高能束。電子束作為材料加工的能源具有如下特點(diǎn)：

①功率密度高。如電子束焊接時(shí)。通常加速電壓范圍為30～150kV，束流為20～1000mA，電子束的柬斑直徑為0.1～1.0mm，電子束的功率密度可達(dá)106W／cm2以上。②快速、精確的可控性。作為物質(zhì)基本粒子的電子具有極小的質(zhì)量(9.1×1031kg)和一定的負(fù)電荷(1.6×10C)，荷質(zhì)比高達(dá)1.76×1011C／kg，通過(guò)電場(chǎng)或磁場(chǎng)可以方便、快速而精確地對(duì)電子束進(jìn)行控制。③有效功率大，與激光相比更易被固體金屬吸收。第10章先進(jìn)連接技術(shù)§10.3電子束焊接第10章先進(jìn)連接技術(shù)41電子束用于焊接可以追溯到加世紀(jì)50年代，是由德國(guó)人K.H.Steigerwald和英國(guó)人J.A.Stohr幾乎在同時(shí)期發(fā)明的，主要是用于一些重要的、用其他方法難以焊接的材料和結(jié)構(gòu)。雖然近年來(lái)又發(fā)展了一些新的電子束材料加工技術(shù)，如電子束表面淬火、電子束表面合會(huì)化、電子束熔覆、電子束物理氣相沉積等，但電子束最重要的工業(yè)應(yīng)用還是在焊接方面。電子束用于焊接可以追溯到加世紀(jì)50年代，是由421．電子束焊接原理與特點(diǎn)電子束焊是利用聚焦后的電子束流加熱、熔合被焊金屬(母材)而實(shí)現(xiàn)連接的一種焊接方法，在焊接方法的分類中通常將電子束焊接和激光焊接統(tǒng)稱為高能束焊接。電子束焊接的最大特點(diǎn)是存在“小孔效應(yīng)”，小孔效應(yīng)的形成是一個(gè)復(fù)雜的高溫流體動(dòng)力學(xué)過(guò)程。從陰極發(fā)射的電子在數(shù)十到數(shù)百千伏的加速電壓作用下被加速到0.3~0.7倍的光速，經(jīng)聚焦后形成高功率密度的電子束流。1．電子束焊接原理與特點(diǎn)43焊接時(shí)電子束轟擊金屬表面，電子的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，金屬被迅速加熱熔化并達(dá)到沸點(diǎn)，一部分金屬被氣化金屬蒸氣離開(kāi)熔池時(shí)對(duì)液態(tài)金屬產(chǎn)生一個(gè)附加壓力，在電子束的束流壓力和金屬蒸氣的附加壓力的共同作用下，熔化的金屬被排開(kāi)，電子束可以繼續(xù)轟擊底部的固態(tài)金屬，被焊金屬中很快形成小孔。小孔的深度取決于電子束的束流壓力和金屬蒸氣附加壓力與液態(tài)金屬的壓力和表面張力之間的平衡。功率密度越高，小孔的深度越大。隨著電子束在工件上移動(dòng)，小孔也隨著電子束一起運(yùn)動(dòng)，液態(tài)金屬繞過(guò)小孔流向熔池后部使小孔不斷鎖閉并凝固形成焊縫，如圖10-21所示。焊接時(shí)電子束轟擊金屬表面，電子的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊?4由于電子束能量密度高，因此，與一般電弧焊相比電子束焊接具有如下特點(diǎn)：

①電子束穿透能力強(qiáng)，焊縫深寬比大。電子束焊接深寬比可達(dá)60：1，一次可焊透300mm不銹鋼板；

②焊接速度快。如焊接125mm鋁板時(shí)焊接速度可達(dá)400mm/min，是氬弧焊的40倍；

③焊縫性能好。焊縫冷速高，可避免晶粒長(zhǎng)大，獲得細(xì)晶組織，且合金元素?zé)龘p少，焊縫抗腐蝕性能好；

④焊接變形小。焊接熱輸入小，熱影響區(qū)小，焊接變形小；

⑤真空條件下焊接對(duì)焊縫有很好的保護(hù)作用，有利于焊接鈦及鈦合金等活性材料，也有利于獲得良好的焊縫成形。由于電子束能量密度高，因此，與一般電弧焊相比45電子束焊接的上述特點(diǎn)使其在工業(yè)生產(chǎn)中獲得了廣泛的應(yīng)用，尤其在焊接航空航天用先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料(如高溫合金、鈦合金、復(fù)合材料及金屬間化合物等方面)具有重要的地位。按照被焊件所處的環(huán)境條件，電子束焊可分為三種：高真空電子束焊、低真空電子束焊和非真空電子束焊?！窀哒婵针娮邮父哒婵针娮邮甘侵副缓讣h(huán)境真空為10-4~10-1Pa的電子束焊接，由于高真空對(duì)熔池有很好的保護(hù)作用，并防止合金元素的燒損，因此可焊接活性金屬、難熔金屬和質(zhì)量要求較高的構(gòu)件。

電子束焊接的上述特點(diǎn)使其在工業(yè)生產(chǎn)中獲得了廣46●低真空電子束焊接低真空電子束焊接是在10-1~10Pa的真空條件下進(jìn)行的，生產(chǎn)效率高，適合于批量大的零件的焊接和在生產(chǎn)線上使用?！穹钦婵针娮邮附臃钦婵针娮邮附訒r(shí)被焊件處在非真空環(huán)境(電子束仍在真空條件下獲得)，可以焊接大型產(chǎn)品，生產(chǎn)效率高，但電子束散射嚴(yán)重，功率密度低，焊接熔深和深寬比均較小。

●低真空電子束焊接472．電子束焊接系統(tǒng)電子束焊接系統(tǒng)主要由電子槍、真空系統(tǒng)、工作倉(cāng)(真空室)、高壓電源及控制系統(tǒng)等幾部分組成，下面分別簡(jiǎn)要介紹。（1）電子搶電子槍是電子束焊接系統(tǒng)的核心部分，是產(chǎn)生和控制電子束的電子光學(xué)系統(tǒng)。電子槍有二極電子槍與三極電子槍之分，現(xiàn)代電子束焊機(jī)多采用三極電子槍。2．電子束焊接系統(tǒng)48圖10-22為三極電子槍典型結(jié)構(gòu)示意圖，主要由陰極、陽(yáng)極、偏壓電極、聚焦線圈和偏轉(zhuǎn)線圈等組成。陰極為電子發(fā)射極，通常由熱電子發(fā)射能力強(qiáng)且不易“中毒”的材料構(gòu)成，常用的材料有鎢、鉭、六硼化鑭(LaB6)等。圖10-22為三極電子槍典型結(jié)構(gòu)示意圖，主要49工作時(shí)陰極處于高的負(fù)電位，它與接地的陽(yáng)極之間形成電子束的加速電場(chǎng)。偏壓電極相對(duì)于陰極呈負(fù)電位，通過(guò)調(diào)節(jié)該負(fù)電位的大小和改變偏壓電極的形狀和位置可以調(diào)節(jié)電子束流的大小并改變電子束的形狀。聚焦線圈俗稱電磁透鏡，主要是利用電子切割磁力線時(shí)所受到的洛侖茲力來(lái)使電子束聚焦。通常電子槍的電極系統(tǒng)也同時(shí)構(gòu)成一個(gè)靜電透鏡，它使陰極發(fā)射出來(lái)的電子匯聚在陽(yáng)極附近形成交叉點(diǎn)。電子束穿過(guò)陽(yáng)極后又逐漸發(fā)散，然后通過(guò)電磁透鏡(聚焦線圈)使其再一次匯聚在待焊件表面形成斑點(diǎn)。偏轉(zhuǎn)線圈的作用是使電子束做重復(fù)性擺動(dòng)或偏移。工作時(shí)陰極處于高的負(fù)電位，它與接地的陽(yáng)極之間形50對(duì)于大功率電子槍(≥30kW)可能設(shè)有兩個(gè)聚焦線圈并在電子束通道上設(shè)置有小孔徑光闌，以減少金屬蒸氣和離子對(duì)電子槍工作穩(wěn)定性的影響，同時(shí)。雙聚焦還增加了調(diào)節(jié)電子束形狀的可能性。電子槍的靜電透鏡和電磁透鏡各部件必須保持同軸，否則電子束軌跡將發(fā)生畸變，在調(diào)節(jié)聚焦或改變束流時(shí)電子束將發(fā)生偏移，因此，電子槍上一般還裝有機(jī)械式或電磁式的合軸調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。對(duì)于大功率電子槍(≥30kW)可能設(shè)有兩個(gè)聚51(2)工作倉(cāng)電子束焊接系統(tǒng)的工作倉(cāng)主要由真空室和工裝臺(tái)(具)組成。真空室一般采用帶有加強(qiáng)筋的低碳鋼薄板結(jié)構(gòu)，主要有如下幾方面功能和要求：

①獲得所需要的真空度。

②防止X射線泄漏。

③屏蔽外部磁場(chǎng)對(duì)電子束的干擾。工裝臺(tái)(具)的作用是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)確定的位置和形狀的焊接，并在焊接過(guò)程中保持焊接位置的準(zhǔn)確、焊接速度的穩(wěn)定。因此，工裝臺(tái)(具)不僅要能對(duì)焊接件進(jìn)行定位，而且還要能夠使其做所需要的各種移動(dòng)，包括水平方向的直線運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)等。(2)工作倉(cāng)52

(3)真空系統(tǒng)真空系統(tǒng)的作用是使電子槍室和工作倉(cāng)獲得真空，主要是由機(jī)械泵和擴(kuò)散泵組成。抽真空時(shí)先用機(jī)械泵(一般為羅茨泵)將電子槍室和工作倉(cāng)從大氣壓抽到1.3~0.13Pa，然后再以機(jī)械泵配合擴(kuò)散泵將真空進(jìn)一步提高到1.3×10-3Pa甚至于1.3×10-4Pa。(4)高壓電源及控制系統(tǒng)高壓電源為電子槍提供加速電壓、控制電壓及陰極加熱電流。高壓電源內(nèi)有高壓變壓器，其初級(jí)連接在三相380V主電路上，次級(jí)接整流器。(3)真空系統(tǒng)533．電子束焊接工藝及應(yīng)用電子束焊接工藝參數(shù)主要有加速電壓、電子束電流、焊接速度和聚焦電流等，這些參數(shù)將影響焊接線能量和能量密度，因而影響焊接成形，電子束焊接時(shí)線能量可用下式來(lái)估算：

q=60UbIb／v

式中q——焊接線能量，J／cm；

Ub——加速電壓，V；Ib——電子束流，A；

v——焊接速度，cm／min。3．電子束焊接工藝及應(yīng)用54

加速電壓(Ub)增加焊接熔深增大。在保持其他參數(shù)不變的條件下，焊縫深寬比與加速電壓成正比。在實(shí)際焊接過(guò)程中，加速電壓一般是比較固定的，只有在焊接厚度和工作距離(電子槍與焊件表面的距離)需要做較大的調(diào)整時(shí)才改變加速電壓。

電子束電流(Ib)與加速電壓一起決定電子束的功率。當(dāng)其他參數(shù)固定時(shí)，隨電子束流增加，焊接線能量增大，焊縫熔深和熔寬均增大。在實(shí)際焊接過(guò)程中，隨著焊接材料、尺寸和成形要求的變化，電子束流需要經(jīng)常調(diào)整。在其他參數(shù)確定時(shí)，焊接線能量與焊接速度(v)成反比。焊接速度增加，焊縫熔深和熔寬均減小。由于焊縫冷卻速度與焊接速度有關(guān)，因此，焊接速度還對(duì)焊接熔池凝固行為和縫組織有一定影響。

加速電壓(Ub)增加焊接熔深增大。在保持其55電子束聚焦?fàn)顟B(tài)對(duì)焊縫形狀也有很大影響，焊接時(shí)聚焦電流Ic主要用于調(diào)節(jié)被焊件與焦點(diǎn)的相對(duì)位置。電子束的聚焦位置有上焦點(diǎn)、下焦點(diǎn)和表面焦點(diǎn)三種，需要根據(jù)焊接材料、焊接厚度、焊縫間隙和其他焊接參數(shù)確定。當(dāng)焊接厚度大于10mm時(shí)，通常采用下焦點(diǎn)(焦點(diǎn)處于焊件表面之下)，且焦點(diǎn)在焊接熔深的30％處；當(dāng)焊接厚度大于50mm時(shí)，焦點(diǎn)在焊接熔深的50％～75％之間為宜。

電子束聚焦?fàn)顟B(tài)對(duì)焊縫形狀也有很大影響，焊接時(shí)聚56一般金屬材料都可以用電子束進(jìn)行焊接。電子束焊與激光焊均屬高能束焊接，特點(diǎn)相似，主要是能量密度高，焊接速度快，焊縫金屬冷速快，容易得到細(xì)晶組織，且焊縫窄、焊接熱影響區(qū)小，焊接變形和應(yīng)力小等。一般金屬材料的電子束焊接性與激光焊相似，接頭都具有良好的抗熱裂和冷裂能力，焊接性比采用普通電弧焊時(shí)的焊接性要好。一般金屬材料都可以用電子束進(jìn)行焊接。電子束焊57由于電子束穿透能力強(qiáng)，焊縫深寬比大，因此在航空航天、核能等領(lǐng)域重要的大厚件焊接方面電子束焊接具有不可替代的地位，如核反應(yīng)堆大型線圈隔板、大型傳動(dòng)齒輪、飛機(jī)起落架、機(jī)翼大梁、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子等，涉及的材料主要有鈦合金、高強(qiáng)鋼、高溫合金、不銹鋼、復(fù)合材料等。電子束焊對(duì)金屬間化合物材料的連接也具有重要的應(yīng)用價(jià)值，應(yīng)用電子束焊接已經(jīng)成功地焊接了鎳-鋁、鈦-鋁和鐵-鋁等金屬間化合物材料。

由于電子束穿透能力強(qiáng)，焊縫深寬比大，因此在航58§10.4攪拌摩擦焊攪拌摩擦焊(frictionstirwelding，簡(jiǎn)稱FSW)是英國(guó)劍橋焊接研究所TWI(Theweldinginstitute)開(kāi)發(fā)的一種材料連接新技術(shù)，1991年10月，劍橋焊接研究所首次提出攪拌摩擦焊的專利技術(shù)。由于在連接結(jié)構(gòu)方面突破了傳統(tǒng)摩擦焊的局限性，因此，攪拌摩擦焊自產(chǎn)生以來(lái)受到了廣泛的關(guān)注，獲得了迅速的應(yīng)用。攪拌摩擦焊是由摩擦焊派生、發(fā)展起來(lái)的，本質(zhì)上屬于固相連接的范疇?！?0.4攪拌摩擦焊591.攪拌摩擦焊原理和特點(diǎn)如圖10-24和圖10-25所示，攪拌摩擦焊是利用一種非耗損的攪拌頭在待焊界面攪拌摩擦而實(shí)現(xiàn)連接的。1.攪拌摩擦焊原理和特點(diǎn)60●原理高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭和封肩與金屬的摩擦生熱使金屬處于塑性狀態(tài)，在攪拌頭的作用下被封肩封閉的塑性金屬一方面上下循環(huán)流動(dòng)，另一方面隨著攪拌頭向前移動(dòng)，不斷向攪拌頭后方流動(dòng)填充攪拌頭移出的空間而形成致密的焊縫?！裨?1①可實(shí)現(xiàn)板材對(duì)接，突破了傳統(tǒng)摩擦焊的局限性

傳統(tǒng)摩擦焊是利用被焊工件端面相對(duì)運(yùn)動(dòng)、摩擦所產(chǎn)生的熱使端部達(dá)到熱塑性狀態(tài)，然后迅速頂鍛而實(shí)現(xiàn)焊接的一種方法?？梢苑奖愕剡B接同種或異種材料，包括金屬、部分金屬基復(fù)合材料、陶瓷材料及塑料。由于摩擦焊生產(chǎn)率高、質(zhì)量好，在制造業(yè)中獲得了廣泛的工程應(yīng)用。但摩擦焊在連接結(jié)構(gòu)方面存在局限性，連接的對(duì)象主要是回轉(zhuǎn)型零件。

攪拌摩擦焊不是依靠焊件間的相對(duì)摩擦來(lái)進(jìn)行焊接，可以實(shí)現(xiàn)板材對(duì)接，從根本上突破了傳統(tǒng)的摩擦焊只能焊接軸類構(gòu)件的局限性，擴(kuò)大了摩擦焊的應(yīng)用范圍。①可實(shí)現(xiàn)板材對(duì)接，突破了傳統(tǒng)摩擦焊的局限性62②焊接接頭缺陷少、性能好采用傳統(tǒng)的熔化焊接方法焊接鋁合金，尤其是硬鋁合金時(shí)，即使采用很好的變極性焊接設(shè)備，也仍然容易產(chǎn)生焊接裂紋等焊接缺陷。攪拌摩擦焊焊縫是在塑性狀態(tài)下受擠壓完成的，屬于固相焊，避免了熔焊時(shí)熔池凝固過(guò)程中產(chǎn)生裂縫、氣孔等缺陷，焊縫晶粒細(xì)小、組織均勻、性能好，為凝固裂縫敏感材料(例如焊接高強(qiáng)鋁合金)的焊接提供了新的途徑。例如，采用攪拌摩擦焊接6016-T6高強(qiáng)度鋁合金時(shí)，焊縫中心的最高溫度僅450℃左右，低于其熔化溫度，因此焊接時(shí)不易產(chǎn)生與金屬熔化有關(guān)的焊接缺陷。

②焊接接頭缺陷少、性能好63

③焊接熱影響區(qū)組織變化小攪拌摩擦焊加熱溫度低，熱影響區(qū)范圍小、溫度低，組織變化小(如亞穩(wěn)相能保持基本不變)，有利于焊接熱處理強(qiáng)化鋁合金。同時(shí)攪拌摩擦焊接時(shí)的溫度相對(duì)較低，因此焊接后結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力或變形也較熔化焊小得多。④焊接殘余應(yīng)力和變形小攪拌摩擦焊加熱溫度低，且焊件有剛性固定，因此焊件不易變形、殘余應(yīng)力小，可實(shí)現(xiàn)可控精度連接。

⑤便于機(jī)械化自動(dòng)化理論上攪拌摩擦焊可用于全位置焊接，裝配要求低，對(duì)焊接操作要求低，焊接質(zhì)量穩(wěn)定性好，重復(fù)性高，并適合于自動(dòng)化焊接。③焊接熱影響區(qū)組織變化小64

⑥低成本攪拌摩擦焊接過(guò)程中惟一消耗的是焊接摩擦棒(攪拌頭)，無(wú)需填充材料，也不用保護(hù)氣體；厚焊接件不用坡口加工；焊接鋁材工件不用去氧化膜，只需用溶劑擦去油污即可；對(duì)接允許留一定間隙，不苛求裝配精度。

⑦安全攪拌摩擦焊是一種無(wú)污染、無(wú)煙塵、無(wú)弧光、無(wú)輻射的清潔、安全的焊接方法。當(dāng)然，攪拌摩擦焊在焊接材料和結(jié)構(gòu)方面仍然存在一些局限性。目前，攪拌摩擦焊主要應(yīng)用于焊接鋁合金、塑料等熔點(diǎn)比較低的材料，熔點(diǎn)較高的材料的攪拌摩擦焊接技術(shù)尚在研究開(kāi)發(fā)中。⑥低成本652．影響攪拌摩擦焊的工藝因素?cái)嚢枘Σ梁甘且粋€(gè)復(fù)雜的工藝過(guò)程，影響攪拌摩擦焊的主要因素有攪拌頭的材料和結(jié)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度、攪拌頭軸肩、被焊材料的種類等。（1）

攪拌頭的材料和結(jié)構(gòu)攪拌摩擦焊所使用的攪拌頭由軸肩和摩擦棒組成。攪拌頭是攪拌摩擦焊接過(guò)程中的關(guān)鍵。摩擦棒的結(jié)構(gòu)決定了加熱、塑性流動(dòng)和塑化材料被頂鍛的模式；摩擦棒的尺寸和軸肩的大小及形狀決定了焊縫的尺寸、焊接速度和接頭的強(qiáng)度；摩擦棒的材料決定了摩擦加熱的速率、摩擦棒的強(qiáng)度和焊接溫度。

2．影響攪拌摩擦焊的工藝因素66●結(jié)構(gòu)從文獻(xiàn)上看，國(guó)外采用的摩擦棒是標(biāo)準(zhǔn)英制螺紋，但很多文獻(xiàn)提出了具有特殊結(jié)構(gòu)的摩擦棒，而且出于技術(shù)保密的原因，迄今為止未見(jiàn)詳細(xì)報(bào)道?！癫牧夏Σ涟舻牟牧贤ǔ２捎煤辖鸸ぞ咪?。攪拌頭軸肩的直徑通常是摩擦棒直徑的3倍左右，軸肩直徑過(guò)小，摩擦熱不足以塑化材料，軸肩直徑過(guò)大，可能使軸肩下面的被焊材料達(dá)到或超過(guò)熔點(diǎn)，不利于焊接強(qiáng)度的提高，甚至?xí)?dǎo)致焊縫表面的不平整。軸肩的材料可以采用中碳鋼。

●結(jié)構(gòu)67（2）攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度根據(jù)攪拌摩擦焊?jìng)鳠岱治?，通過(guò)旋轉(zhuǎn)攪拌頭與被焊材料的摩擦所產(chǎn)生的熱源強(qiáng)度q為式中q——熱源強(qiáng)度，W／m2；

——旋轉(zhuǎn)角速度，rad／min；

P——軸肩與工件之間的壓力，Pa：

——摩擦系數(shù)；

R——軸肩的直徑，m；r——攪拌頭中心到軸肩的距離(r≤R)，m；由上式得：式中n——攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度，rad／min。（2）攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度68從上式可知，轉(zhuǎn)速是影響攪拌摩擦焊熱源的主要因素之一。當(dāng)攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度較低時(shí)，摩擦熱不夠，不足以形成熱塑性流動(dòng)層，在焊縫中容易形成孔洞。隨著轉(zhuǎn)速的提高，摩擦熱增大，熱塑性流動(dòng)層由上而下逐漸增大，焊縫中的孔洞逐漸減小；當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到一定值時(shí)，孔洞消失，形成致密的焊縫。但轉(zhuǎn)速過(guò)高時(shí)，會(huì)使摩擦棒周圍以及軸肩下面的材料溫度達(dá)到或超過(guò)熔點(diǎn)，無(wú)法形成固相連接。根據(jù)攪拌摩擦焊所采用的攪拌頭、板厚、所焊材料及焊接速度的不同，旋轉(zhuǎn)速度在200～2000r／min之