搅拌摩擦焊:材料科学的革命性新技术

洪石荣 原创 | 2010-10-23 22:04 | 收藏 | 投票

       搅拌摩擦焊,简称FSW是英国剑桥焊接研究所(简称TWI)于1991年10月发明的一项焊接新技术,该技术首先在焊接铝与铅异种金属获得成功。由于这种新工艺能进行板材的对接,并具有固相焊接接头的独特优点,现在美国波音公司已将该种新工艺用来生产航空航天各种铝合金容器,并投入大量资金为这种新工艺进行深一步开发和研究,想以此来加强在航空航天工业生产中的竞争实力。试验表明这种高质量低成本的焊接新工艺具有美好的发展前景,被认为是继激光焊后又一次革命性的焊接技术。
      搅拌摩擦焊接过程属于固相焊接,最关键的核心技术就是搅拌头,它由轴肩和探针两部分组成。搅拌摩擦焊接接头质量是通过控制焊接工艺参数而实现的,这些参数比较简单,主要包括搅拌头旋转速度、焊接速度、焊接压力、搅拌头倾斜角度等。搅拌头的旋转速度过高,引进材料应变速率增加,会影响焊缝的再结晶过程;转速过低,会引起产热不足,造成焊接缺陷或者焊接失败。
      搅拌摩擦焊接是一种固相连接方法,相对于传统熔焊方法具有很多优点。可以得到高质量的接头,焊缝变形小,且无裂纹、夹杂、气孔等焊接缺陷。在焊接过程中不需要其它焊接材料,如焊条、焊丝、焊剂及保护气体等。另外,在搅拌摩擦焊接前及焊接过程中对环境没有污染,焊前工件无需严格的表面清理准备要求,焊接过程中的摩擦和搅拌可以去除焊件表面的氧化膜,且无烟尘和飞溅、噪声低。它是典型的绿色技术。
      搅拌摩擦焊自发明以来,已经在航空航天、铁道车辆、造船、汽车等制造领域显示出强劲的创新活力和广阔的应用前景。目前应用搅拌摩擦焊接技术已经成功连接的材料有铝合金、镁合金、铅、锌、铜、不锈钢、低碳钢等同种或异种材料。TWI主要与航空航天、海洋、道路交通、铝材厂、焊接设备制造厂等大公司联合,以团体赞助或合作的形式开发这种技术。目前他们正在进行的由工业企业赞助的研究项目包括钢的搅拌摩擦焊、汽车轻型构件的搅拌摩擦焊等。
      国外已经将搅拌摩擦焊成功应用于实际生产,而国内目前对这项技术的研究还处于探索阶段。中国搅拌摩擦焊中心是中国航空工业第一集团公司北京航空制造工程研究所和英国焊接研究所于2002年4月共同创建的在中国地区的搅拌摩擦焊技术开发、研究和应用推广中心。该中心主要负责搅拌摩擦焊技术在中国市场的技术开发、工程应用开发、搅拌摩擦焊设备的研发、生产和销售等。中国搅拌摩擦焊中心的成立标志着中国科研院所和TWI在搅拌摩擦焊技术方面的全面合作和共同发展,标志着搅拌摩擦焊技术开发、研究和工程应用工作在中国市场的正式启动,是新世纪中国焊接技术发展史上新的里程碑。目前国内已经成功实现了铝合金、铜合金和塑料等材料的搅拌摩擦焊接。搅拌摩擦焊接技术正向着实际生产应用转化。
      国内哈工大的搅拌摩擦焊联合实验室由现代焊接生产技术国家重点实验室同中国搅拌摩擦焊接中心在2003年6月20日联合成立。隶属于焊接国家重点实验室,从事搅拌摩擦焊技术的基础研究和应用技术研究。联合实验室有中国自行研制的第一台搅拌摩擦焊接设备,该设备可用于直缝和环缝焊接,焊接最大板厚15mm。目前实验室已成功取得多种合金的焊接,且在铝合金、镁合金的温度场和流场的试验及数值模拟方面取得了很大的研究成果。研究已经达到国内领先、国际先进水平。
      搅拌摩擦焊接工艺可以取代电阻点焊和铆焊,这项技术能较好的保持微细晶粒合金的强度和塑性并能保证焊缝区的微细晶粒组织,可以应用于超塑性成型领域。如果能较好地结合激光焊接技术,还可以大大降低搅拌摩擦焊接对设备的要求。随着焊接工具的发展可应用搅拌摩擦焊接技术进行焊接的材料会更加广泛可以优化接头性能,降低生产成本,而且可以很容易实现自动化生产。搅拌摩擦焊接必将对连接技术的发展产生巨大的冲击和推动。

 


 

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