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神奇的搅拌摩擦焊工艺--通过固态搅拌连接材料

11 月 22, 2024

搅拌摩擦焊是一种将固体材料的另一种成分连接起来的创新方法。它使用旋转工具在不熔化金属的情况下固结金属。它通过搅拌处于塑化状态的材料，形成具有优异性能的牢固结合。本文将探讨 FSW 如何发挥其魔力、影响它的参数、推动其发展的应用，以及为什么它在未来的制造领域大有可为。了解这种开创性焊接方法背后的固态秘密。

揭开搅拌摩擦焊的神秘面纱：用于连接固体材料部件的方法

搅拌摩擦焊或固态连接始于 1991 年，它试图消除熔融焊接的这些缺陷。通过利用旋转的圆柱形工具插入铝或其他金属工件而不熔化它们，FSW 通过工具旋转路径周围的强烈热影响区形成牢固的结合。研究人员欣喜地发现，这种非破坏性工艺能产生与母材特性相当的高质量接头。

在 FSW 过程中，工具的肩部会向下施压，而其销轴则会同时旋转并沿着接缝线移动。这一奇妙的过程使材料在塑化状态下围绕销钉流动，从而形成冶金结合。当工具向前移动时，后面会形成固相**连接。通过固相连接，FSW 不仅能产生出色的焊接强度，还能产生最小的变形并缩短生产时间。最令人兴奋的是，FSW 可用于航空航天领域，以连续无缝焊接取代铆钉，从而提高安全性并降低成本。

搅拌摩擦焊是如何工作的？

搅拌摩擦焊或固态连接非常酷！它不像焊枪那样用火把东西熔在一起，而是使用一种特殊的旋转工具。工具上有一个针和一个肩。当您想将两块金属连接起来时，FSW 机器会慢慢地将针插入两块金属的交接处。

当针插入时，它不会熔化金属，只会使金属变得柔软。与此同时，肩部向下压，将金属片紧紧固定。最神奇的部分来了--针开始像钻头一样快速转动！旋转产生的摩擦热会摩擦销钉周围的金属，但不会将其烧焦。

这将铝或钢软化成汤状。工具移动时，会从针的前端一直搅拌到后端。这种神奇的搅拌运动能将小型金属数控加工将每一块焊接在一起！工具在焊接过程中会在后面形成一条整齐的焊缝，称为 "接合"。由于没有熔化，焊缝具有非常精细的纹理结构，因此强度更高。

与熔化焊接方法相比，焊缝周围的热影响区更大。这使得焊缝感觉更像原始材料，而不像熔化焊缝。另一个重要的事实是，搅拌摩擦焊的焊缝晶粒非常小，因此可以持续很长时间。航空航天公司对使用 FSW 焊接飞机和火箭零件感到非常兴奋，因为它能使零件变得特别坚固，并能承受很大的应力。

最重要的是，搅拌摩擦焊可以用来连接铝、钢甚至塑料等各种材料！搅拌摩擦焊能够在不熔化的情况下进行固态连接，这有助于焊接无法熔合的材料。得益于神奇的搅拌工具，焊接质量始终保持美观和稳定。

FSW 机器如何发挥魔力

在搅拌摩擦焊接过程中，专用设备会遵循几个令人兴奋的步骤，在不熔化的情况下将金属片连接在一起。每一个步骤都对焊接出超强耐用的焊缝非常重要。

投入

首先，FSW 工具将其旋转针慢慢推入材料交接处的接缝。随着深入，肩部会施加足够的压力，将金属片牢牢固定。这一步让摩擦热逐渐在金属中形成。

住宅达到温度

对于钢材等较难焊接的材料，机器可能会暂停一下，让销钉静止一会儿。这种 "停留 "时间允许精密金属加工由于旋转针的作用，汤会变得足够热，从而搅拌在一起。停留的时间越长，材料就越柔软！

搅拌

一旦达到合适的温度，工具就会开始向前移动，因为销钉会像钻头一样继续快速旋转。这将激发金属颗粒，使其在塑料状态下相互搅动。肩部的移动将混合材料整齐地推到针的背面。

升空

当机器沿着接缝线进行跟踪时，它利用这种惊人的搅拌运动将各部分连接成一个连续的焊缝。完成后，机器会小心翼翼地将工具抬起，让新粘合的焊缝慢慢冷却，形成一个非常牢固的接缝。

FSW 工艺能为制造商带来如此愉悦的体验，是因为它始终能提供比其他方法更高质量的结果。找到最佳的柱塞、旋转和驻留设置，焊接工人就能为重要的应用领域提供所需的耐用解决方案。搅拌摩擦焊能够无缝连接飞机部件所需的高难度材料，这一点尤其令航空工程师兴奋不已。总之，搅拌摩擦焊通过其独特的固态工艺创造了奇迹。

实现搅拌摩擦焊的特殊工具

神奇的 FSW 工具肩负着一项重要任务--仅利用摩擦力加热、搅拌并将金属片固定在一起，以实现固态连接。它必须由非常坚固的材料制成，才能正确完成这项神奇的任务。

工具如何创造焊接奇迹

肩部紧紧下压，使工件固定到位。当它旋转时，其摩擦力恰到好处地摩擦金属，从而产生大量热量，同时又不会烧毁工件。与此同时，销钉在自身周围旋转搅拌软化的材料。

为特殊工作设计的特殊徽章

圆柱形、锥形或螺纹形的针体可让针以定制的方式混合不同的材料。例如，方形销钉能使晶体结构更小，强度更高。但在复合材料焊接中，方形销钉有时会弄断纤维绳，因此要改用其他形状的销钉。

需要超级耐用的材料

钴基 MP159 或钢 H13 等高强度合金通常用于制造销轴和轴肩。这是因为它们必须保持比工件更高的韧性。金属加工技术即使在非常高的温度下也是如此。耐磨性在焊接易粘附在工具上的脏铝时尤为重要。

寻找完美组合

根据工作需要选择正确的销钉设计和工具材料给制造商带来了极大的乐趣。当航空航天公司在实验中找到一种既能延长使用寿命又能提高焊接质量的组合材料时，他们会非常兴奋。这样就可以通过搅拌摩擦焊和材料流动魔法制造出轻质耐用的飞机部件。总之，工具是整个工艺的核心！

为顶级焊接找到完美设置

在使用搅拌摩擦焊时，如果设置得当，就能焊接出非常坚固耐用的零件。几个关键的调整就能控制神奇的效果。

速度应该有多快？

工具的旋转速度就像汽车的发动机，转速越高动力越大，但转速越慢越安全。转速越快，混合时产生的热量就越大，但转速太慢，材料就会变硬、结块。

以正确的步伐前进

同样重要的是机器在接缝处使用工具时的移动速度。速度太快，金属就不能很好地融合。太慢则会产生干点，削弱焊接效果。

施加理想压力

按压肩部的下压力使金属片舒适地结合在一起。但这也会影响销钉和材料之间摩擦产生的热量。黄金压力使工具在搅拌时不会产生凹凸或孔洞。

稳扎稳打还是垂钓

稍微倾斜工具可以加强对某些类型合金的搅拌。不过，过于倾斜会使神奇的混合运动偏离轨道。总的来说，直着插入效果最好。

通过不断测试这些令人兴奋的参数的不同组合，焊接工人可以找到其材料最满意的设置。这确保了高级钣金焊接冷却后，结构凝固成超强形状。这样的优化使部件在关键用途上具有惊人的强度。例如，航空航天工程师对这一工艺非常满意，因为它可以为商用喷气式飞机制造出轻质耐用的机翼。总之，对旋转、移动、力和倾斜的精确控制，造就了可靠而美妙的搅拌摩擦焊缝！

应用

航空航天工业对搅拌摩擦焊如此兴奋，是因为它解决了飞机和火箭制造的大问题。用这种神奇的固态连接技术连接轻质铝合金，可以避免金属熔化时可能产生的裂纹和变化。

无薄弱点焊接机翼

坚固而平滑的机翼结构对于载人在空中安全飞行至关重要。FSW 可以使不同的铝片无缝融合，不会出现熔化过程中的薄弱环节。这让飞机设计师们兴奋不已！

不会熄灭的燃料箱

火箭需要经久耐用的燃料箱，以承受极冷和极热的温度，同时容纳易挥发的火箭燃料。有了搅拌摩擦焊，工程师们就可以轻松地焊接那些遇火即碎的复合材料和合金。1999 年，第一枚使用搅拌摩擦焊燃料箱的火箭就取得了巨大成功！

大型制造奇迹

大型航空航天公司对一次性连接整个火箭组件或长条飞机部件的巨大 FSW 设备兴奋不已。波音公司和伊萨公司的机器可以达到 18 米，用于建造超大型燃料箱和结构！

看到飞机和航天飞机在天空中飞驰，我们就知道这些飞行器的强度和安全性有赖于搅拌摩擦焊。该工艺的持续使用和创新有望带来更多令人惊叹的航空航天进步。总之，搅拌摩擦焊通过其独特的固态连接魔法，在不影响强度和安全性的情况下，为连接具有挑战性的合金带来了极大的乐趣。

为什么搅拌摩擦焊现在和将来都很成功？

搅拌摩擦焊给人们带来了无穷的乐趣，因为它在制造出令人惊叹的产品的同时也保护了环境。与火焊不同，搅拌摩擦焊不会产生任何有害气体烟雾或飞溅物，不会影响空气质量。

顺利加入

由于搅拌摩擦焊不会熔化金属，因此它可以轻松连接任何铝合金，不会出现液体再冻结的问题。通常在熔化过程中会发生争执的合金在这种工艺下也能成为闺蜜。

简易组合

对于 FSW 而言，混合复合材料和不同合金并不困难。熔化工艺很难在不产生裂纹的情况下混合这些混合物。但固态搅拌解决了这一问题，因此制造商可以制造出坚固耐用的混合材料。

自动化批量生产

机器人以适当的速度控制特殊工具的旋转和滑动。这样，工厂就能在整批零件上反复生产出相同的焊缝。飞机、汽车和小工具的制造从未如此简单！

搅拌摩擦焊接技术前景光明！

在这篇文章中，我们了解了搅拌摩擦焊是如何创造固态连接奇迹的。通过使用一种无需熔化的特殊旋转工具，搅拌摩擦焊可以混合通常在火焊过程中会打架的金属混合物。这种工艺还可以定制微小的晶体结构和热区。

正如我们所看到的，对旋转、移动速度和压力等设置进行仔细调整，可以在不同批次的零件上实现一致的焊接。制造商们在找到他们材料最满意的工具速度、力和其他神奇参数时会非常兴奋！如今，一些令人惊叹的应用包括飞机机翼、火箭油箱和航空航天组件。凭借其顺利连接复合材料和棘手合金的能力，还能取得更多进步。

工程师们还希望有朝一日能用定制的金属混合物制造出整车和结构。但有趣的事情才刚刚开始--搅拌摩擦焊仍在继续发展！专家们正在对钢、铜和钛等金属的新参数组合进行激动人心的测试。一些有趣的实验甚至直接使用搅拌加工来塑造合金。机器人可以在保持精确的同时扩大生产规模。更多的自动化可以帮助建筑行业设计出具有特殊要求的产品。合金混合物后来。对于需要特殊微结构的医疗设备来说，也存在着令人兴奋的潜力。

随着新发现的不断涌现，搅拌摩擦焊似乎将在各大行业中变得更加得心应手。航空航天业尤其期待看到通过优化异种材料流动而发明的轻量化奇迹。总之，这种独特的固态连接魔法的前景非常光明！