摩擦搅拌焊接:固态金属连接工艺

 它是一种基于摩擦的固态焊接，用于加热和焊接金属及其合金。这篇文章解释了它的工作原理、为什么它优于熔化焊接、它的主要应用领域（如汽车、航空航天）、FSW 现代发展的简要更新以及各种衍生工艺（如摩擦搅拌点焊）。本书旨在介绍有关这一重要金属焊接工艺的所有基本信息。

搅拌摩擦焊：固态金属连接工艺

目录

导言

搅拌摩擦焊原理

搅拌摩擦焊的优势

工具设计和工艺参数

搅拌摩擦焊的应用

金属连接的挑战和最新进展

搅拌摩擦焊的创新衍生物

搅拌摩擦焊的未来发展

结论

常见问题

搅拌摩擦焊（FSW）是 1991 年在英国焊接研究所发明的一种新型固态连接工艺。自问世以来，它极大地改变了除熔接工艺外依赖金属连接技术的众多金属加工行业。在 FSW 中，使用一种非消耗性的旋转工具来产生低于被连接材料熔点的摩擦热。这将加热并软化金属，使其能够被锻造在一起，从而产生高质量、无缺陷的接合点。

由于不存在凝固裂纹和气孔等问题，FSW 比熔融焊接产生的焊缝更牢固、更稳定。它不仅用于航空铝合金，还用于汽车、船舶、铁路等领域。这些是本文讨论的基本内容，包括搅拌摩擦焊的原理、搅拌摩擦焊的优势、搅拌摩擦焊的应用以及搅拌摩擦焊的新发展。其范围包括这一重要金属焊接工艺的所有方面。

运行原理

FSW 是一种连接材料的新工艺，输入热量较少，且不会熔化基材。在这一过程中，一个电加热的非冷凝式电极（带有圆柱形销钉和圆柱形肩）被放置在相邻部件的两个相邻表面上，并从工作接头的一端移动到另一端。

通过摩擦产生热量

当 FSW 工具的销轴旋转并穿过材料时，与工件接触的肩部和销轴表面之间会产生摩擦热。这种热量会使对接工件的材料软化，但不会达到熔点。然后，销钉通过机械方式将软化的材料混合在一起，打破原有的粘结结构并将它们锻造在一起。

形成均匀焊缝

在销钉后面，材料冷却并迅速再结晶，从而在两个原始部件之间形成固态结合。这样就形成了一个均匀的焊块，没有任何熔化或凝固相关的缺陷，这些缺陷通常出现在以下情况中 熔焊。

与传统焊接相比的优势

卓越的机械性能

由于不存在与熔化和凝固相关的缺陷，FSW 焊缝具有优异的机械性能，相当于或优于焊接状态下的母材本身。

提高安全性

与气体金属弧焊等熔化焊接工艺相比，FSW 没有烟雾、飞溅或紫外线辐射。因此，它是一种更安全的焊接工艺。

无需填充物

由于 FSW 是一种固态工艺，因此不需要任何填充材料（如焊丝或助焊剂），从而简化了工艺。

轻松实现自动化

在各行各业的大批量生产中，FSW 的自动化连续性非常适合机器人和自动化实施。

可在所有位置操作

与某些熔融焊接工艺不同，FSW 可以在平放、水平、垂直或架空位置对材料进行焊接，而且效果相同。

良好的焊接外观

与熔焊相比，搅拌摩擦焊缝通常具有平整、均匀的外观，变形极小。

工具设计和工艺参数

工具设计的重要性

工具设计在决定穿透深度、发热特性以及最终的焊接质量方面起着至关重要的作用。先进的工具设计有助于达到更深的深度和更厚的焊接截面。

刀具几何形状变化

工具设计可以改变探针或插针的轮廓（轮廓范围从简单的圆柱形到螺纹或阶梯形插针）、肩部直径和特征，以影响材料流动。

工艺参数的影响

工具旋转和移动速度、切入深度等工艺参数对焊接过程中的发热和材料流动有很大影响。对于较厚的部分，最好采用较低的速度来产生较小的能量和扭矩，以便深入焊接；而对于较薄的材料，则可采用较高的速度。然而，搅拌摩擦焊是一种前景广阔的固态连接技术，与不同行业的其他熔融焊接工艺相比，它具有多种优势......工具设计和工艺参数的不断进步进一步增强了它的能力。

搅拌摩擦焊的应用

金属基复合材料

连接铝基复合材料

Fsw 工艺被成功用于焊接碳化硅（SiC）和碳化硼（B4C）等硬陶瓷颗粒增强的金属基复合材料（MMC）。该方法可在铝基体增强碳化硅和碳化硼颗粒中产生良好的接缝，其机械性能可媲美或优于基体金属。

改善微观结构和强度

MXY 与熔化焊接技术相比，采用 FSW 技术生产的焊点在焊缝中的钢筋分布更细、更均匀。这意味着接头强度更高，接近基底复合材料的强度。在 FSW 焊接过程中不会出现液化和溶解缺陷，从而避免了在熔融焊接 MMC 时经常出现的开裂和气孔问题。

汽车和航空航天工业

飞机机翼和机身面板

领先的飞机制造商广泛使用 FSW 连接机翼、机身和尾翼的铝合金面板。巴西航空工业公司使用该技术为其 E-Jets 生产机翼蒙皮和翼梁。波音公司在 747-8 型飞机面板上使用 FSW 焊接技术，焊接长度超过 33 公里。

汽车车身和底盘部件

汽车结构部件，如引擎盖、车门、车身后部面板、悬架连接件等，都是由顶级制造商采用 FSW 焊接而成。马自达在其大型卡车 Bongo 等多个车型上使用了这种工艺。福特在 F-150 皮卡和 Expedition SUV 的铝制车身上采用了 FSW 工艺。

海洋与运输

造船和船舶

意大利造船厂 Fincantieri 完全使用 FSW 焊接铝板建造渡轮和游轮的上层建筑、甲板和舱壁。Dockwise 使用搅拌摩擦对焊连接重型运输船的浮桥套筒。

地铁和高速列车

德里、孟买和悉尼等城市的地铁列车采用了摩擦搅拌焊接的铝制车身面板和底架。日本新干线子弹头列车的结构部件和外皮由搅拌摩擦焊接铝合金制成。

总之，从航空航天、汽车到船舶、运输和电子等不同行业，搅拌摩擦焊都能实现各种金属和合金的高效、无缺陷连接。随着工艺的不断发展，搅拌摩擦焊的应用领域也在不断拓展。

金属连接的挑战和最新进展

难焊材料

目前正在探索搅拌摩擦焊技术，以连接传统上被认为难以焊接的材料。

连接钢和钛合金

大量研究都在探讨 FSW 焊接高强度钢和钛合金的可行性，因为这些材料由于开裂而难以进行熔融焊接。初步研究表明，异种钢铝焊接和钛铝焊接可以获得理想的强度。

异种金属接头

此外，还研究了 FSW 焊接异种组合（如铝与铜、镁和碳纤维增强塑料）的方法。锆合金与钢的成功焊接证明了固态工艺的多功能性。

工艺优化研究

改进工具设计

我们研究了具有螺纹、通风和先进肩部特征的工具设计，以改善接头穿透、热流和材料混合。成型销有助于减少厚截面焊接中的缺陷。

参数优化

研究优化了相互依存的参数，如切入力、旋转速度、移动速度和工具几何形状。热模型与实验相结合，为预防缺陷提供了见解。

微观结构演变

研究探讨了影响搅拌区晶粒尺寸和结构的因素。调整冷却速度和工具特性可完善难加工合金组合的微观结构和机械性能。

创新衍生产品

摩擦搅拌点焊

这项技术的开发实现了板材组件的点焊。与电阻点焊相比，它在汽车闭合件和车身面板中的应用更具优势。

摩擦搅拌加工

这种技术通过精心控制的搅拌作用改变材料特性。其应用包括提高金属基复合材料的性能和制造梯度纳米结构。

摩擦水柱加工

混合使用 FSW 和挤压技术，扩大了利用铝、钛和不锈钢等材料制造管状和空心部件的选择范围。

不断进步的技术将搅拌摩擦焊的应用扩展到材料、设计和各行业大批量生产的新领域。

结论

总之，搅拌摩擦焊自 1991 年发明以来，已经彻底改变了金属焊接工艺。搅拌摩擦焊最初是作为铝合金熔化焊的替代技术而开发的，如今已成为一项成熟的技术，被广泛应用于各行各业，解决了以前传统技术难以解决的应用问题。搅拌摩擦焊具有独特的优势，如出色的机械性能、减少缺陷、安全性、自动化能力以及能够连接多种金属合金，因此已成为首选的制造方法。旨在了解材料流动行为、优化工艺参数和设计先进工具的持续研究正在进一步扩大搅拌摩擦焊的应用范围并提高其生产率。搅拌摩擦点焊和搅拌摩擦加工等创新衍生技术也将其应用潜力扩展到了新的制造领域。随着开发工作的不断深入，搅拌摩擦焊及其变体很可能会继续颠覆传统的制造方法，并在未来实现各行业先进合金组合和部件设计的制造。

常见问题

与熔化焊相比，FSW 的主要优势是什么？

它生产的焊缝强度更高、质量更好，不会产生气孔或裂纹等缺陷。此外，它还更安全、更自动化，可在所有位置操作，并且变形较小。

FSW 是否仅限于平板或板材连接？

不是的，现在的先进技术可以对复杂的三维形状、管状/空心部件以及异种/多种材料组合进行 FSW 焊接。点焊工具实现了面板组装。

哪些因素会影响焊接质量？

主要因素包括工具设计（销轴/肩部轮廓）、旋转/移动速度、切入深度以及针对材料和厚度的销轴力。热量、材料流动和接合强度均得到优化。

其他连接技术能否取代 FSW？

在许多应用中，没有任何替代品能提供相同程度的一致性和机械完整性。不过，在使用 FSW 工具受到限制的情况下，一些专用紧固件也可以发挥作用。