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【摘 要】本文主要介绍了搅拌摩擦焊技术及其搭接技术在汽车工业中的应用，并对目前存在的问题进行了研究。
【关键词】汽车工业；搅拌摩擦焊搭接技术
0.引言
搅拌摩擦焊（FSW）技术是由英国焊接研究所（TWI）发明并于1991年获得专利。FSW是一种固相连接方法，非常适用于需要尽量保持原料金属特性的情况。目前该项技术在在造船、航天航空和轿车业的铝合金连接方面得到了广泛的应用。
1.搅拌摩擦焊技术
搅拌摩擦焊是一种连续的、纯机械的新型固相连接技术，在焊接时，带有轴肩和圆柱体探针的搅拌头一边高速旋转、一边缓慢地插入到被焊材料接缝处。被焊工件后面要加一块垫板以防焊穿，而且被焊工件也需要夹紧固定，防止焊接时搅拌头插入和旋转造成被焊工件间隙过大。焊接过程中，搅拌头与被焊工件摩擦产热，产生的热量可以使工件软化达到塑性状态，呈塑性的金属在搅拌头旋转压力的挤压作用下，沿搅拌头探针从前进面被搅拌到回撤面，随着搅拌头的移动，高度塑性变形的金属流向搅拌头的后部，冷却后形成焊缝。
对于焊接材料而言，搅拌摩擦焊可以焊接所有牌号的铝合金，包括可以熔焊的5000、6000系列铝合金和熔焊难以焊接的2000、7000和铝锂合金材料；同时搅拌摩擦焊还可以实现不同种材料的连接。正常情况下，搅拌摩擦焊不需要焊丝和保护气，焊接过程消耗较少。焊接接头强度可以达到母材金属的80%以上。
2.汽车结构搅拌摩擦焊优越性
汽车通常选用能够大批量制造的商业化金属材料制造，使用比较普遍的一种是薄板低碳钢，另一种是铝合金。铝合金具有很好的塑性和加工性能，可以进行锻造、铸造、机械加工或挤压，制造成各种复杂零件，应用于汽车车体结构和发动机零部件。搅拌摩擦焊非常适合批量化产品的制造，经过程序和参数优化，基于机床和自动化实现的搅拌摩擦焊接头质量具有非常高的一致性。搅拌摩擦焊汽车零件的接头性能非常优越，针对铝合金材料，一般条件下搅拌摩擦焊接头机械性能指标都大于普通熔焊技术指标和达到与接近母材性能指标，并且有些指标，如冲击韧性，还要高于母材指标。这些特点对于提高汽车的安全性非常重要。
搅拌摩擦焊主要研究多集中于对接接头，对搭接研究很少，但在汽车加工过程中，由于板材的厚度较小，并且连接线并非为直线，所以在一定程度上很难实现对接，这时就需要研究搅拌摩擦焊的搭接工艺。然而在搅拌摩擦焊接头中，迁移界面的存在将影响焊缝的机械性能。目前研究的内容主要有：工艺参数对接头性能的影响、搅拌头形状对接头性能的影响、特殊焊接工艺的设计。
2.1工艺参数对搭接接头性能的影响
搅拌摩擦焊搭接焊接时，工艺参数选择不当，焊缝中容易出现缺陷，有时甚至使得焊缝不能成形。同时，改变工艺参数也会改变接头中的迁移界面形态，从而影响接头性能。
焊接时摩擦头肩部与工件表面和搅拌针与母材的摩擦热是焊接能量的主要来源。转速较低时,接头处热量不足以使金属塑化,所以无法使两板之间建立完全的连接；转速太大，焊接输入热能相应变大，这样不仅焊接材料容易变形，而且也会导致接头组织长大，以致接头强度下降。由于焊接用材料为防锈铝，其熔点以下较高温度时塑性较好，所以在试验转速范围内焊接时所得接头表面成型均较好，且接头内部未发现有孔洞。
A.Elrefaey在对纯铝和低碳钢的搅拌摩擦搭接焊的研究中发现，接头的剪切强度随着搅拌头旋转速度的增加而增加，随着焊接速度的增加稍微降低。分析认为，其原因是焊缝中向铝板迁移的钢的垂直迁移量不同而造成的。目前已有不少学者对搅拌摩擦焊搭接接头的焊接工艺参数影响进行了研究，且有部分学者对其影响原因进行了分析，大部分学者认为工艺参数主要是通过改变焊缝中迁移界面的形态，从而影响焊缝性能。
2.2搅拌头形状对搭接接头性能的影响
在搅拌摩擦焊的研究中，通过改变搅拌头形状能有效地改变焊缝金属的迁移方式，从而改变迁移界面的形态，达到提高焊缝机械性能的目的。现有搅拌摩擦焊搭接焊使用的搅拌头大都是在无螺纹、左螺纹或右螺纹搅拌头的基础上进行改进的。
G.M.D.Cantin等人使用一种倾斜搅拌头来对5038－O铝合金进行了搅拌摩擦焊搭接焊接，该技术与常规搅拌摩擦焊不同的地方是使用了一种搅拌头轴中心线与机械轴中心线成一定倾斜角度的搅拌头进行焊接。试验发现，倾斜搅拌头焊接得到的接头具有比常规搅拌接头更高的拉伸强度和更长的疲劳寿命。分析认为，使用倾斜搅拌头焊接相比于常规搅拌头将使得焊缝中迁移界面的尖锐程度降低，从而降低应力集中值。现有文献普遍认为，改变搅拌头形状能够改变焊缝塑性金属的流动路径，从而改善搭接接头中的迁移界面形态，达到了提高焊缝性能的目的。
2.3焊接接头组织分析
根据焊缝各区内组织不同,可将其分为四个区:焊核区、热机械影响区(TMAZ)、热影响区(HAZ)及母材区等。焊核区内有一条宽约2μm左右的缝,整条缝基本呈直线。这是焊接时搅拌摩擦头以一定焊速横穿两板接触面并向前移动时，因搅动的塑性金属与搅拌针下端面下方的母材热状态不同，难于形成均一的晶粒所致。当搅拌针的长度接近于两板厚度时，此缝因垫板的挤压作用而消失。
在搅拌并摩擦焊接过程中,搅拌针与工件及搅拌过程中所需时间较长,所以晶粒易于长大;而在焊核中部搭接触面附近受热塑化程度小,相应金属的离心力也较小，受搅拌区域窄，所以单位面积上金属受挤压程度大，易于对晶核进行强烈、充分搅碎,得到细小的晶核，在随后的冷却过程中得到细微的晶粒。由于在焊接过程中所选用搅拌针长度一般较板厚尺寸小，搅拌针不能直接对底部金属进行搅拌,而是在周边的塑性金属的带动下对其进行间接搅拌，故对于焊核底部的搅拌力度不够，金属受挤压程度小，所以晶粒尺寸较大。此外,在焊核底部,由于工件与工作台直接接触，金属冷却速度快，故塑性金属在流动的过程中便形成了金属流动曲线。
3.结论
目前，搅拌摩擦焊由于其在轻合金焊接方面的优越性而广泛应用于航空航天、造船、汽车、铁路等工业领域，而且在一些特殊的结构件中，搅拌摩擦焊搭接接头有取代其他焊接方法的趋势。 [科]
【关键词】汽车工业；搅拌摩擦焊搭接技术
0.引言
搅拌摩擦焊（FSW）技术是由英国焊接研究所（TWI）发明并于1991年获得专利。FSW是一种固相连接方法，非常适用于需要尽量保持原料金属特性的情况。目前该项技术在在造船、航天航空和轿车业的铝合金连接方面得到了广泛的应用。
1.搅拌摩擦焊技术
搅拌摩擦焊是一种连续的、纯机械的新型固相连接技术，在焊接时，带有轴肩和圆柱体探针的搅拌头一边高速旋转、一边缓慢地插入到被焊材料接缝处。被焊工件后面要加一块垫板以防焊穿，而且被焊工件也需要夹紧固定，防止焊接时搅拌头插入和旋转造成被焊工件间隙过大。焊接过程中，搅拌头与被焊工件摩擦产热，产生的热量可以使工件软化达到塑性状态，呈塑性的金属在搅拌头旋转压力的挤压作用下，沿搅拌头探针从前进面被搅拌到回撤面，随着搅拌头的移动，高度塑性变形的金属流向搅拌头的后部，冷却后形成焊缝。
对于焊接材料而言，搅拌摩擦焊可以焊接所有牌号的铝合金，包括可以熔焊的5000、6000系列铝合金和熔焊难以焊接的2000、7000和铝锂合金材料；同时搅拌摩擦焊还可以实现不同种材料的连接。正常情况下，搅拌摩擦焊不需要焊丝和保护气，焊接过程消耗较少。焊接接头强度可以达到母材金属的80%以上。
2.汽车结构搅拌摩擦焊优越性
汽车通常选用能够大批量制造的商业化金属材料制造，使用比较普遍的一种是薄板低碳钢，另一种是铝合金。铝合金具有很好的塑性和加工性能，可以进行锻造、铸造、机械加工或挤压，制造成各种复杂零件，应用于汽车车体结构和发动机零部件。搅拌摩擦焊非常适合批量化产品的制造，经过程序和参数优化，基于机床和自动化实现的搅拌摩擦焊接头质量具有非常高的一致性。搅拌摩擦焊汽车零件的接头性能非常优越，针对铝合金材料，一般条件下搅拌摩擦焊接头机械性能指标都大于普通熔焊技术指标和达到与接近母材性能指标，并且有些指标，如冲击韧性，还要高于母材指标。这些特点对于提高汽车的安全性非常重要。
搅拌摩擦焊主要研究多集中于对接接头，对搭接研究很少，但在汽车加工过程中，由于板材的厚度较小，并且连接线并非为直线，所以在一定程度上很难实现对接，这时就需要研究搅拌摩擦焊的搭接工艺。然而在搅拌摩擦焊接头中，迁移界面的存在将影响焊缝的机械性能。目前研究的内容主要有：工艺参数对接头性能的影响、搅拌头形状对接头性能的影响、特殊焊接工艺的设计。
2.1工艺参数对搭接接头性能的影响
搅拌摩擦焊搭接焊接时，工艺参数选择不当，焊缝中容易出现缺陷，有时甚至使得焊缝不能成形。同时，改变工艺参数也会改变接头中的迁移界面形态，从而影响接头性能。
焊接时摩擦头肩部与工件表面和搅拌针与母材的摩擦热是焊接能量的主要来源。转速较低时,接头处热量不足以使金属塑化,所以无法使两板之间建立完全的连接；转速太大，焊接输入热能相应变大，这样不仅焊接材料容易变形，而且也会导致接头组织长大，以致接头强度下降。由于焊接用材料为防锈铝，其熔点以下较高温度时塑性较好，所以在试验转速范围内焊接时所得接头表面成型均较好，且接头内部未发现有孔洞。
A.Elrefaey在对纯铝和低碳钢的搅拌摩擦搭接焊的研究中发现，接头的剪切强度随着搅拌头旋转速度的增加而增加，随着焊接速度的增加稍微降低。分析认为，其原因是焊缝中向铝板迁移的钢的垂直迁移量不同而造成的。目前已有不少学者对搅拌摩擦焊搭接接头的焊接工艺参数影响进行了研究，且有部分学者对其影响原因进行了分析，大部分学者认为工艺参数主要是通过改变焊缝中迁移界面的形态，从而影响焊缝性能。
2.2搅拌头形状对搭接接头性能的影响
在搅拌摩擦焊的研究中，通过改变搅拌头形状能有效地改变焊缝金属的迁移方式，从而改变迁移界面的形态，达到提高焊缝机械性能的目的。现有搅拌摩擦焊搭接焊使用的搅拌头大都是在无螺纹、左螺纹或右螺纹搅拌头的基础上进行改进的。
G.M.D.Cantin等人使用一种倾斜搅拌头来对5038－O铝合金进行了搅拌摩擦焊搭接焊接，该技术与常规搅拌摩擦焊不同的地方是使用了一种搅拌头轴中心线与机械轴中心线成一定倾斜角度的搅拌头进行焊接。试验发现，倾斜搅拌头焊接得到的接头具有比常规搅拌接头更高的拉伸强度和更长的疲劳寿命。分析认为，使用倾斜搅拌头焊接相比于常规搅拌头将使得焊缝中迁移界面的尖锐程度降低，从而降低应力集中值。现有文献普遍认为，改变搅拌头形状能够改变焊缝塑性金属的流动路径，从而改善搭接接头中的迁移界面形态，达到了提高焊缝性能的目的。
2.3焊接接头组织分析
根据焊缝各区内组织不同,可将其分为四个区:焊核区、热机械影响区(TMAZ)、热影响区(HAZ)及母材区等。焊核区内有一条宽约2μm左右的缝,整条缝基本呈直线。这是焊接时搅拌摩擦头以一定焊速横穿两板接触面并向前移动时，因搅动的塑性金属与搅拌针下端面下方的母材热状态不同，难于形成均一的晶粒所致。当搅拌针的长度接近于两板厚度时，此缝因垫板的挤压作用而消失。
在搅拌并摩擦焊接过程中,搅拌针与工件及搅拌过程中所需时间较长,所以晶粒易于长大;而在焊核中部搭接触面附近受热塑化程度小,相应金属的离心力也较小，受搅拌区域窄，所以单位面积上金属受挤压程度大，易于对晶核进行强烈、充分搅碎,得到细小的晶核，在随后的冷却过程中得到细微的晶粒。由于在焊接过程中所选用搅拌针长度一般较板厚尺寸小，搅拌针不能直接对底部金属进行搅拌,而是在周边的塑性金属的带动下对其进行间接搅拌，故对于焊核底部的搅拌力度不够，金属受挤压程度小，所以晶粒尺寸较大。此外,在焊核底部,由于工件与工作台直接接触，金属冷却速度快，故塑性金属在流动的过程中便形成了金属流动曲线。
3.结论
目前，搅拌摩擦焊由于其在轻合金焊接方面的优越性而广泛应用于航空航天、造船、汽车、铁路等工业领域，而且在一些特殊的结构件中，搅拌摩擦焊搭接接头有取代其他焊接方法的趋势。 [科]