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1 攪拌摩擦焊的原理

攪拌摩擦焊是指利用高速旋轉的焊具與工件摩擦產生的熱量使被焊材料局部塑性化，當焊具沿著焊接界面向前移動時，被塑性化的材料在焊具的轉動摩擦力作用下由焊具的前部流向后部，并在焊具的擠壓下形成致密的固相焊縫。

常用術語解釋

（1）前進側（Advancing Side, AS）和后退側（Retreating Side, RS）：以攪拌摩擦焊縫中心為界，焊縫分為兩側，它由焊具的旋轉方向和前進方向所決定。在焊縫的前進側，焊具的旋轉方向與焊具的前進方向相一致；而在焊縫的后退側，焊具的旋轉方向與焊具的前進方向相反。

作用：在前進側有部分材料向前流動，也有部分材料向后流動，并在該側發生較大的混合；而在后退側的材料只是向后流動，且有部分材料進入前進側。焊具前上部區域的塑化金屬主要向下流動，焊具前下部區域的塑化金屬主要沿焊具由后退側向前進側流動；焊具后部區域上層的塑化金屬有向前、向上流動的趨勢，焊具附近中下部區域的塑化金屬向下、向后流動。

（2）焊具或攪拌頭（Welding Tool）：用于攪拌摩擦焊接的特制焊接工具稱為攪拌摩擦焊具，簡稱焊具或攪拌頭。攪拌摩擦焊具由針部（Pin）和肩部（Shoulder）組成，二者又稱攪拌針和軸肩。

作用：軸肩—通過摩擦提供焊接區材料塑化所需的熱能。軸肩端部形狀是內凹的，可保證其下方的軟化材料在焊接過程中受到向內的作用力并發生聚集，防止已經塑性化的材料從焊接區中溢出，并對攪拌針后方所形成的空腔進行填充，保證焊縫良好成形。攪拌針—除了通過摩擦提供焊接所需的一部分熱量外，主要是機械地破壞待焊母材原有的對接面，并使附近區域受到強烈的攪拌，造成對接表面及其附近材料的充分混合，形成具有大變形特征的、由細小等軸晶粒組成的焊核。

（3）焊核區（Weld Nugget Zone, WNZ）：焊縫中心部分稱為焊核區，該區域在焊具強烈攪拌摩擦作用下發生顯著的塑性變形和完全的動態再結晶，形成細小、等軸晶粒的微觀組織。

（4）熱力影響區(Thermal-Mechanically Affected Zone, TMAZ)：鄰近WNZ的外圍區域為TMAZ，在焊具的熱力作用下發生塑性變形和部分再結晶，形成由彎曲而拉長晶粒組成的微觀組織。

（5）熱影響區 (Heat Affected Zone, HAZ)：TMAZ以外的部分區域為HAZ，沒有受到焊具的機械攪拌作用，只在摩擦熱的作用下發生晶粒長大現象，形成較為粗大的微觀組織。

攪拌摩擦焊過程如圖1所示，微觀組織區的分布如圖2所示。

圖1 攪拌摩擦焊的原理圖

圖2 接頭的微觀組織區的組成（BMZ為母材）

攪拌摩擦焊的優點：FSW焊縫經由塑性變形和動態再結晶形成，其微觀組織細密、晶粒細小、不含熔焊的樹枝晶。與傳統的熔焊方法相比，沒有飛濺和煙塵，沒有合金元素燒損、裂紋和氣孔等缺陷，不需要添加焊絲和保護氣體；在焊接接頭力學性能方面，比TIG和MIG焊具有明顯的優越性；對于有色金屬材料(如鋁、鎂、鋅、銅等)的連接，在焊接方法、接頭力學性能以及生產效率等方面．FSW都顯現出其他焊接方法無可比擬的優越性。

2 攪拌摩擦焊的應用

日前應用FSW成功連接的材料有Al合金、Mg合金、鉛、鋅、銅、不銹鋼、低碳鋼等同種或異種材料，攪拌摩擦焊主要應用在航天、航空、船舶、車輛和核能等領域。

航空：波音公司首次投資1500萬美元，由GMAW工藝轉向FSW工藝，焊接缺陷率降低10倍，產品性能提高30%以上。應用攪拌摩擦焊接的飛機已經在波音公司起飛。

船舶：中航工業北京賽福斯特技術有限公司自主研發成功了中國第一臺船舶帶筋壁板攪拌摩擦焊設備，該設備可以焊接長度 12m、寬度6m、厚度 12mm 的鋁合金帶筋壁板，滿足了中國海軍新型導彈快艇的研制需求。

汽車工業：轎車車門的連接已經采用攪拌摩擦焊技術連接，效果良好，如圖3所示。

圖3 轎車車門的FSW連接

3 攪拌摩擦焊的發展方向

（1）攪拌摩擦焊接復合技術

包括復合運動式，熱源輔助式、隨焊激冷式，圖4為往復式攪拌摩擦焊的原理圖，原理是攪拌頭在攪拌摩擦焊接過程中周期性地進行正轉與反轉的往復運動；圖5為歪斜式攪拌摩擦焊的原理圖，原理是利用不對稱的攪拌頭實現攪拌摩擦焊接。焊接過程中，攪拌頭中心軸與焊機旋轉中心軸存在一個傾角，從而對焊縫實現歪斜式攪拌。

圖4 往復式攪拌摩擦焊

圖5 歪斜式攪拌摩擦焊

（2）攪拌摩擦改性技術

包括表面直接改性和鑄造材料改性等。表面直接改性的原理為利用只有軸肩而沒有攪拌針的攪拌頭對工件表面進行摩擦，攪拌頭所經過的區域即形成了一道表面改性層，多道搭接即可實現表面改性的目的。

參考文獻：

[1] 姚君山, 張彥華, 王國慶, 等．攪拌摩擦焊技術研究進展[J]．宇航材料工藝, 2003, (4):23-29.

[2] 欒國紅, 郭德倫. 攪拌摩擦焊技術在中國的發展和推廣應用[J]. 航空制造技術2014, (17):71-75.

本文由材料人編輯部金屬材料學術組teliduxing供稿，材料牛編輯整理。

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