1. 前言
普通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,不过焊接的对象主要是回转形零件,难以克服被焊工件几何形状的限制或提高生产率, 于是搅拌摩擦焊出现了，
搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding)是英国TWI提出的焊接技术。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。
和传统点焊技术不同，摩擦搅拌焊技术不需要预先对两块金属片进行加热，等金属片焊接起来后又要进行冷却以消除焊接缝线当中的应力作用等复杂过程，相反，金属在摩擦搅拌焊焊接过程当中一直保持着一种稳定状态——不会涉及到金属的加热融化以及冷却硬化两个温度态，而是一直保持着冷却态。
2 方法
与常规摩擦焊一样,搅拌摩擦焊也是利用摩擦热作为焊接热源。不同之处在于,摩擦搅拌焊接是采用旋转的硬质搅拌头侵入工件之预接合面，施以强烈搅动，并沿着接合缝移动。在摩擦搅拌焊中，其搅拌头如同端铣刀切削刀刃的部分称之搅拌头销针(Probe or Pin)，而紧贴在工件上表面直径较大部分称之搅拌头肩部(Shoulder)，搅拌头销会侵入工件中施以强烈搅动，同时利用接触面摩擦产生的高温，迫使圆棒进入工件上，直到肩部接触到工件表面，经由工具头旋转摩擦提高温度至工件塑性状态。随著工具头的旋转与移动，将塑性变形区两边的材料搅拌在一起。而热源就是来自工具头肩部及工件表面的摩擦。整个銲接过程銲道的温度始终未超过母材的熔点，就铝合金而言，焊道温度大约为420°C，
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。
在焊接过程中,焊头在旋转的同时伸入工件的接缝中,旋转焊头与工件之间的摩擦热,使焊头前面的材料发生强烈塑性变形,然后随着焊头的移动,高度塑性变形的材料流向焊头的背后,从而形成搅拌摩擦焊焊缝。
Welding nugget： 焊核区
TMAZ : thermal mechanically affected zone 热机械影响区
HAZ: heat affected zone热影响区
Retreating : 后退侧
Advancing： 前进侧
3 AL合金的搅拌摩擦
A1合金广泛应用在飞机、航天器、船舶、高速火车等制造领域。特别是高强度A1合金,在采用传统的熔化焊接方法时,即使采用很好的变极性焊接设备,也仍然容易产生焊接裂纹等焊接缺陷。搅拌摩擦焊是固相焊接。以6016-T6高强度A1合金为便,该合金的熔化温度约为582摄氏度,而焊缝中心的最高温度仅450摄氏度左右,所以搅拌摩擦焊时不会产生与金属熔化有关的焊接缺陷。
与熔化焊接比较，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。通常在A1合金焊接时,一个工具钢搅拌头可焊到800m长的焊缝。
同时,由于搅拌摩擦焊接时的温度相对较低,因此焊接后结构的残余应力或变形也较熔化焊小得多。特别是A1合金薄板熔化焊接时,结构的平面外变形是非常明显的,无论是采用无变形焊接技术还是焊后冷、热校形技术,都是很麻烦的,而且增加了结构的制造成本。
目前搅拌摩擦焊主要是用在熔化温度较低的有色金属,如A1、Cu等合金。这和搅拌头的材料选择及搅拌头的工作寿命有关。当然,这也和有色金属熔化焊接相对困难有关,迫使人们在有色金属焊接时寻找非熔化的焊接方法。对于延性好、容易发生塑性变形的黑色材料,经辅助加热或利用其超塑性,也有可能实现搅拌摩擦焊,但这就要看熔化焊和搅拌摩擦焊哪个技术经济指标更合理来决定。
搅拌摩擦焊作为一种固相焊接方法,焊接前及焊接过程中对环境的污染小。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,焊接过程中也无烟尘和飞溅,同时噪声低。
由于搅拌摩擦焊仅仅是靠焊头旋转并移动,逐步实现整条焊缝的焊接,所以比熔化焊甚至常规摩擦焊更节省能源。
不同的铝合金的可焊性比较：
搅拌摩擦焊工艺参数很简单,最重要的参数是:搅拌头的尺寸、搅拌头的圆周速度以及搅拌头与工件的相对移动速度。表1是几种有色金属常用的焊接速度。一般来说,对于铝合金的焊接,焊头的旋转速度可以从几百r/min到上千r/min。焊接速度一般在1mm/s~15mm/s之间。所以搅拌摩擦焊可以很方便地实现自动控制。另外,在焊接过程中焊头要压紧工件。
焊接形式
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