搅拌摩擦点焊概述

1 引言

随着全球资源与环境保护问题的日趋严峻，运载工具的轻量化设计成为汽车、航空航天等制造领域的

发展方向。一方面采用铝合金代替传统的钢材料，另一方面通过高效的新型工艺技术提高产品的可靠性

并降低产品重量。铝合金作为运载工具的主要制造材料，其主要连接方式是焊接和铆接。在欧洲汽车车体

生产中，常用的连接技术是YAG激光焊接方法，在日本车体制造中常用电阻点焊方法，运载火箭贮箱的制

造过程中要大量应用电阻点焊和铆接技术，而航空飞行器的制造过程更需要广泛采用铆接技术。电阻点焊生产效率高、操作灵活性好，但也存在许多局限性，主要表现在:a.焊接过程需要提供大电流，耗能大;

b.铝合金表面氧化膜造成电极寿命明显缩短;C.由于焊接大电流的作用，工件将产生明显的热变形，且焊缝中易出现缺陷和焊点质量不稳定，接头质量差;d.焊接过程中有飞溅，点焊工作环境差。铆接是铝合金构件中一种常用的连接技术，但是采用铆接技术一方面会增加铝合金构件的重量，另一方面在铆接过程中会产生大量的噪音，生产环境恶劣，另外，铆接技术需要在铝合金构件上预开孔，增加了生产成本。因此，研究开发铝合金新的点焊连接技术替代传统的电阻点焊和铆接技术，对扩大铝合金在汽车工业的应用，推动汽车轻量化发展以及提高航空、航天运载能力具有十分重要的意义。

FSSW可以形成点焊的搭接接头，其焊缝外观与通常应用于铝合金构件的电阻点焊类似，因而具有很高的应用价值和研究意义。2 搅拌摩擦点焊的基本原理目前， 已公开的资料中报道了两种不同的FSSW技术。第一种方法是日本Mazda汽车公司于1993年发明的搅拌摩擦点焊 J，基本原理如图l所示。这种搅拌摩擦点焊又称为"带有退出孔的搅拌摩擦点焊"技术，采用的焊接设备与普通搅拌摩擦焊接设备类似，具体的焊接过程可分为3个阶段:a.压入过程:搅拌头不断旋转，通过施加顶锻压

力插入连接工件中，在压力作用下工件与搅拌头之间产生摩擦热，软化周围材料，搅拌头进一步压入工件;b.连接过程:搅拌头完全镶嵌在工件中，保持搅拌头压力并使轴肩接触工件表面，继续旋转一定时

间:C.回撤过程:完成连接后搅拌头从工件退出，在点焊缝中心留下典型的退出凹孔。

第二种方法是德国GKSS研究中心于1999年发明的搅拌摩擦点焊，采用特殊的搅拌头，通过精确

控制搅拌头各部件的相对运动，在搅拌头回撤的同时填充搅拌头在焊接过程中形成的退出孔，采用该方法

焊接的点焊缝平整，焊点中心没有凹孔。搅拌摩擦点焊的搅拌头主要由三部分组成，分别为最内部的探

针、中间层的袖筒以及最外层的夹套。其中，夹套在焊接时固定，不发生旋转，而中间层的袖筒和最内层

的探针在焊接时既发生旋转也发生沿轴向的相对运动。

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摩擦焊是利用工件端面相互运动、相互摩擦所产生的热，使端部达到热塑性状态，然后迅速顶锻，完成焊接的一种方法。摩擦焊可以方便地连接同种或异种材料，包括金属、部分金属基复合材料、陶瓷及塑料。摩擦焊方法在制造业中已应用40多年了，由于其生产率高、质量好获得了广泛的工程应用，但焊接的对象主要是回转形零件。

搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding，简称FSW)是英国焊接研究所(The Welding Institute)于1991年发明的专利焊接技术。搅拌摩擦焊除了具有普通摩擦焊技术的优点外，还可以进行多种接头形式和不同焊接位置的连接。

搅拌摩擦焊方法与常规摩擦焊一样。搅拌摩擦焊也是利用摩擦热与塑性变形热作为焊接热源。不同之处在于搅拌摩擦焊焊接过程是由一个圆柱体或其他形状（如带螺纹圆柱体）的搅拌针(welding pin)伸入工件的接缝处，通过焊头的高速旋转，使其与焊接工件材料摩擦，从而使连接部位的材料温度升高软化。同时对材料进行搅拌摩擦来完成焊接的。在焊接过程中工件要刚性固定在背垫上，焊头边高速旋转，边沿工件的接缝与工件相对移动。焊头的突出段伸进材料内部进行摩擦和搅拌，焊头的肩部与工件表面摩擦生热，并用于防止塑性状态材料的溢出，同时可以起到清除表面氧化膜的作用。

焊接过程中也不需要其它焊接消耗材料，如焊条、焊丝、焊剂及保护气体等。唯一消耗的是焊接搅拌头。

搅拌摩擦焊方法焊接铝合金取得了很好的效果，在铝合金上的应用越来越广泛，研究也越来越深入。不仅涉及到各种同种材料的焊接，还研究了大范围的异种铝合金的焊接。

本文重点描述的搅拌摩擦点焊(Friction Stir Spot Welding，FSSW)是在“线性”搅拌摩擦焊接基础上，研究开发的一种创新的焊接技术。此项技术最先在2003年由马自达公司与川崎重工用于旗下的RX-8运动款汽车，用来装配铝合金发动机罩和后门。从那以后其它汽车公司也陆陆续续采用了这项技术，比如丰田，通用，福特，菲亚特，标致雪铁龙等。

对铝合金材料连接来说，FSSW有不少优点。我们知道应用了铝合金的汽车制造过程中有可能需要大量应用电阻点焊和铆接技术。

电阻点焊生产效率高、操作灵活性好，但也存在许多局限性，比如：

a．焊接过程需要提供大电流，耗能大；

b．铝合金表面氧化膜造成电极寿命明显缩短；

C．由于焊接大电流的作用，工件将产生明显的热变形，且焊缝中易出现缺陷和焊点质量不稳定，接头质量差；

d．焊接过程中有飞溅，点焊工作环境差。

铆接是铝合金构件中一种常用的连接技术，（包括前文讲的SPR与RSR）。但是也有缺点：

a．会增加铝合金构件的重量，

b．在铆接过程中会产生大量的噪音，生产环境恶劣，

c．需要在铝合金构件上预开孔，增加了生产成本。

下图为FSSW操作原理模拟图，焊接过程可分为3个阶段：

a．压入过程：搅拌头不断旋转，通过施加顶锻压力插入连接工件中，在压力作用下工件与搅拌头之间产生摩擦热，软化周围材料，搅拌头进一步压入工件；

b．连接过程：搅拌头镶嵌在工件中，保持搅拌头压力并使轴肩接触工件表面，继续旋转一定时间；

C．回撤过程：完成连接后搅拌头从工件退出，在点焊缝中心留下典型的退出凹孔。

马自达某款车型采用FSSW焊接的成形零件：

马自达某款车型采用FSSW焊接的设备与线体：

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