论文部分内容阅读
【摘 要】搅拌摩擦焊以其独特的加工优点被应用广泛应用于各行业，不仅成本低、焊接性能好、效率较高、而且绿色环保。笔者对搅拌摩擦焊的原理、优缺点、焊接程序、研究和运用状况开展具体的分析。
【关键词】搅拌摩擦焊;原理与优缺点;进程;研究现状与应用
中图分类号：TH16 文献标志码：A
搅拌摩擦焊与过去一般的焊接技术对比，其具备成本低、环保、焊接变形小和高效等特征，被广泛的应用结构制造领域，比如航天航空领域、造船业以及陆路交通领域。笔者对搅拌摩擦焊的原理、优缺点、焊接程序、研究和运用状况开展具体分析。
1 原理与优缺点
1.1原理
搅拌摩擦焊（FSW）是采取固相方式连接的一种焊接方法[1]。详细进程为在搅拌摩擦焊时，外形为柱形且带针凸与轴肩的搅拌头，旋转焊接进入被焊接工件中。此时，搅拌头与被焊接的工件摩擦迸发很多热量，将工件部分热塑化。而后搅拌工具沿着待焊界面处转移时，热塑化的部分被搅拌头从前部搅动到后部，同时该处材料在搅拌工具的机械锻造下，完成工件之间的固相连接。
1.2 优点
1.攪拌摩擦焊是经过材料热塑性完成，焊接一致性较高，焊缝质量良好无热裂痕、无杂质等缺点而且不存在焊接气孔等熔焊弊端[2]。2.简化工序，焊接时不需开坡口，不需要填充物和焊接使用气。3.绿色环保，搅拌摩擦焊接进程中只产生低能量，而且不产生辐射、有害烟雾、焊接飞溅，完成了焊接进程的绿色环保。4.焊接性能优越，焊缝处产生较低的残余应力，焊缝的强度与韧性高，成分与母体材质一致，提高了焊接稳定性，节省了维护成本。5.异质合金焊接，搅拌摩擦焊可完成异质合金的焊接，甚至用其他熔焊方法不能实现的焊接组合制品。
1.3 缺点
搅拌摩擦焊的弊端基本包括以下几点：1.必须刚性固定待加工工件。2.所成型的焊缝对于加强焊波形成阻碍，因而不可使用填角焊接方法进行焊接;3.搅拌头是一种耗材，因此经常进行更换。目前焊接铝合金的搅拌头寿命一般为500～1000米。
2 焊接进程
军用时搅拌摩擦焊进程一般包括以下：1.酸洗去除氧化层。2.将焊接物拼装。3.将焊接物定位、压紧、限位。4.点焊定位。5.光刀压焊。6.带螺纹的刀头开始搅拌摩擦焊。7.摩擦焊完成后，去除表面焊缝处多余物。8.液压机加热、压平、校直。具体进程与原因分析如下：1.铝合金在空气中会被氧化，因而，需要将机加工后的铝合金板经过酸洗，去除氧化层后，再进行焊接。2.酸洗后，将需要焊接零件进行拼装。3.用夹具定位、限位、压紧。4.在正式焊接前，先点焊将焊接物初步固定。5.用光刀压焊。6.用带螺纹的刀头进行搅拌摩擦焊。7.焊接结束后焊缝处留有多余焊渣，将焊渣铲除干净。8.由于搅拌摩擦焊后，板料产生较大变形，影响后续机加工，故用液压机加热，压平，校直。
3 搅拌摩擦焊的研究状况
现有的搅拌摩擦焊铝合金焊接方面包含的接头种类诸多[3]，类型具体有对接、搭接、型接、角接等，而且完成了镁合金、铜、铝合金等诸多材质的焊接;而且有限元分析也广泛应用于搅拌摩擦焊，借助有限元仿真，计算出高温钢在搅拌摩擦焊加工时的温度情况，而且改进了相应的热场力学的三维模型;另外对焊接后的产品进行无损检测的研究技术也日渐成熟;关于铝合金和镁合金相接之间的混成物的形成研究也逐步增多;为了更加优化设计搅拌头，对搅拌头的直径尺寸进行了相应的研究;在设计优化工艺参数时，相干文献分析了两种不同型号铝合金在搅拌摩擦焊时的设置参数，优化了搅拌摩擦焊的焊接性能。
4 搅拌摩擦焊的运用
搅拌摩擦焊运用以来，就是绿色焊接技术的标杆，凭借明显的特点，在以下诸多领域被大量的运用和研究[4]。
（1）航天航空中方面：借助搅拌摩擦焊，美国航空部门完成了铝质燃料箱的拼焊，然后发现借助该焊接技术的铝合金具备很好的抗腐蚀功能。另外应用于火箭的中心助推器和低温燃料筒、中间舱段和压力贮箱、飞机蒙皮和衍樑、筋条和加强件之间的连接，框架、飞机内壁板和下部地板的连接、飞机燃料箱、油箱、熔焊结构件的修葺等范畴。
（2）造船业方面：适用于船体外壳、壁板、侧板拼板、甲板以及飞机升降场地等结构中。并且搅拌摩擦焊基本替代了以往的船舶增强件的制作形式，在船舶轻质合金制作成型的构件中得到运用，时间成本降低、质量与可靠性得到保障。
（3）陆路交通方面：主要运用于集装箱、轨道和高速列车等。而汽车领域的搅拌摩擦焊的运用范围主要包括：车体的支架盘、引擎结构等零部件上。如Alstom、DanStir两家欧洲企业对汽车结构件的搅拌焊接技术展开分析。日立公司借助该焊接技术完成了在单、双层的挤压焊接连接上。列车制造方面，长春客车集团公司通过采购静龙门式摩擦焊接设施，完成了车钩座的批量焊接任务。
参考文献：
[1]廖艳.搅拌摩擦焊的研究现状及前景展望[J].山东工业技术，2018（05）：9.
[2]蔡云.材料性能对铝合金搅拌摩擦焊焊缝成形的影响[J].时代农机，2018，45（05）：56-57.
[3]徐安莲.浅析轻量化产品的绿色焊接技术——搅拌摩擦焊[J].中国战略新兴产业，2018（24）：167.
[4]张鑫，韩冬，吴军，等.搅拌摩擦焊设备和控制系统研究现状[J].热加工工艺，2018，47（05）：10-14.
（作者单位：江苏自动化研究所）
【关键词】搅拌摩擦焊;原理与优缺点;进程;研究现状与应用
中图分类号：TH16 文献标志码：A
搅拌摩擦焊与过去一般的焊接技术对比，其具备成本低、环保、焊接变形小和高效等特征，被广泛的应用结构制造领域，比如航天航空领域、造船业以及陆路交通领域。笔者对搅拌摩擦焊的原理、优缺点、焊接程序、研究和运用状况开展具体分析。
1 原理与优缺点
1.1原理
搅拌摩擦焊（FSW）是采取固相方式连接的一种焊接方法[1]。详细进程为在搅拌摩擦焊时，外形为柱形且带针凸与轴肩的搅拌头，旋转焊接进入被焊接工件中。此时，搅拌头与被焊接的工件摩擦迸发很多热量，将工件部分热塑化。而后搅拌工具沿着待焊界面处转移时，热塑化的部分被搅拌头从前部搅动到后部，同时该处材料在搅拌工具的机械锻造下，完成工件之间的固相连接。
1.2 优点
1.攪拌摩擦焊是经过材料热塑性完成，焊接一致性较高，焊缝质量良好无热裂痕、无杂质等缺点而且不存在焊接气孔等熔焊弊端[2]。2.简化工序，焊接时不需开坡口，不需要填充物和焊接使用气。3.绿色环保，搅拌摩擦焊接进程中只产生低能量，而且不产生辐射、有害烟雾、焊接飞溅，完成了焊接进程的绿色环保。4.焊接性能优越，焊缝处产生较低的残余应力，焊缝的强度与韧性高，成分与母体材质一致，提高了焊接稳定性，节省了维护成本。5.异质合金焊接，搅拌摩擦焊可完成异质合金的焊接，甚至用其他熔焊方法不能实现的焊接组合制品。
1.3 缺点
搅拌摩擦焊的弊端基本包括以下几点：1.必须刚性固定待加工工件。2.所成型的焊缝对于加强焊波形成阻碍，因而不可使用填角焊接方法进行焊接;3.搅拌头是一种耗材，因此经常进行更换。目前焊接铝合金的搅拌头寿命一般为500～1000米。
2 焊接进程
军用时搅拌摩擦焊进程一般包括以下：1.酸洗去除氧化层。2.将焊接物拼装。3.将焊接物定位、压紧、限位。4.点焊定位。5.光刀压焊。6.带螺纹的刀头开始搅拌摩擦焊。7.摩擦焊完成后，去除表面焊缝处多余物。8.液压机加热、压平、校直。具体进程与原因分析如下：1.铝合金在空气中会被氧化，因而，需要将机加工后的铝合金板经过酸洗，去除氧化层后，再进行焊接。2.酸洗后，将需要焊接零件进行拼装。3.用夹具定位、限位、压紧。4.在正式焊接前，先点焊将焊接物初步固定。5.用光刀压焊。6.用带螺纹的刀头进行搅拌摩擦焊。7.焊接结束后焊缝处留有多余焊渣，将焊渣铲除干净。8.由于搅拌摩擦焊后，板料产生较大变形，影响后续机加工，故用液压机加热，压平，校直。
3 搅拌摩擦焊的研究状况
现有的搅拌摩擦焊铝合金焊接方面包含的接头种类诸多[3]，类型具体有对接、搭接、型接、角接等，而且完成了镁合金、铜、铝合金等诸多材质的焊接;而且有限元分析也广泛应用于搅拌摩擦焊，借助有限元仿真，计算出高温钢在搅拌摩擦焊加工时的温度情况，而且改进了相应的热场力学的三维模型;另外对焊接后的产品进行无损检测的研究技术也日渐成熟;关于铝合金和镁合金相接之间的混成物的形成研究也逐步增多;为了更加优化设计搅拌头，对搅拌头的直径尺寸进行了相应的研究;在设计优化工艺参数时，相干文献分析了两种不同型号铝合金在搅拌摩擦焊时的设置参数，优化了搅拌摩擦焊的焊接性能。
4 搅拌摩擦焊的运用
搅拌摩擦焊运用以来，就是绿色焊接技术的标杆，凭借明显的特点，在以下诸多领域被大量的运用和研究[4]。
（1）航天航空中方面：借助搅拌摩擦焊，美国航空部门完成了铝质燃料箱的拼焊，然后发现借助该焊接技术的铝合金具备很好的抗腐蚀功能。另外应用于火箭的中心助推器和低温燃料筒、中间舱段和压力贮箱、飞机蒙皮和衍樑、筋条和加强件之间的连接，框架、飞机内壁板和下部地板的连接、飞机燃料箱、油箱、熔焊结构件的修葺等范畴。
（2）造船业方面：适用于船体外壳、壁板、侧板拼板、甲板以及飞机升降场地等结构中。并且搅拌摩擦焊基本替代了以往的船舶增强件的制作形式，在船舶轻质合金制作成型的构件中得到运用，时间成本降低、质量与可靠性得到保障。
（3）陆路交通方面：主要运用于集装箱、轨道和高速列车等。而汽车领域的搅拌摩擦焊的运用范围主要包括：车体的支架盘、引擎结构等零部件上。如Alstom、DanStir两家欧洲企业对汽车结构件的搅拌焊接技术展开分析。日立公司借助该焊接技术完成了在单、双层的挤压焊接连接上。列车制造方面，长春客车集团公司通过采购静龙门式摩擦焊接设施，完成了车钩座的批量焊接任务。
参考文献：
[1]廖艳.搅拌摩擦焊的研究现状及前景展望[J].山东工业技术，2018（05）：9.
[2]蔡云.材料性能对铝合金搅拌摩擦焊焊缝成形的影响[J].时代农机，2018，45（05）：56-57.
[3]徐安莲.浅析轻量化产品的绿色焊接技术——搅拌摩擦焊[J].中国战略新兴产业，2018（24）：167.
[4]张鑫，韩冬，吴军，等.搅拌摩擦焊设备和控制系统研究现状[J].热加工工艺，2018，47（05）：10-14.
（作者单位：江苏自动化研究所）