搅拌摩擦焊(FSW)详解:原理、工艺优势与工业应用
什么是搅拌摩擦焊?
搅拌摩擦焊(FSW)是一种固相连接工艺,利用旋转工具产生的摩擦热连接两个面对面的工件,且不熔化工件材料。旋转工具与工件间摩擦产生热量,在FSW工具附近形成软化区。
工具沿接缝线移动时,机械搅拌混合两块金属,工具施加的机械压力锻造热软化金属,类似粘土或面团揉合。
主要用于锻造或挤压铝合金,特别适用于需极高焊接强度的结构。FSW可连接铝合金、铜合金、钛合金、低碳钢、不锈钢、镁合金。近年成功用于聚合物焊接,且已实现铝-镁等异种金属连接。应用见于现代造船、列车、航空航天。
运行原理
工具推进过程展示焊缝区及工具肩影响区域。
FSW使用带轮廓针的旋转圆柱工具,针直径小于肩直径。焊接时工具压入两夹紧工件的对接接头,直至针刺入工件、肩面接触工件表面。针比所需焊深略短,肩面骑在工件表面。短暂停留后,工具以预设速度沿接缝线前进。
耐磨工具与工件间摩擦产生热量,加上机械搅拌产热和材料内部绝热热,使搅拌材料软化但不熔融。工具前进时,针特殊轮廓将塑性材料从前缘推至后方,高压协助锻造固焊。工具沿焊缝线在塑性金属管状轴中移动,导致基体材料动态再结晶的剧烈固态变形。
搅拌摩擦焊工艺过程
FSW使用专用工具高速旋转跨越待焊接缝。工具旋转过金属时产生热量,使金属塑性化并熔合。FSW可焊两种接头:搭接、对接。
工具两部分组成:旋转于接缝上的圆柱肩、从肩延伸的轮廓针。针先钻入接缝,肩在工件表面旋转直至达到最佳温度并传导至材料。随后工具沿接缝移动形成连续焊缝。这得益于工具体积加热和轮廓针对金属颗粒搅拌混合。针深入工件搅拌软化颗粒使其熔合,故名“搅拌”。
搅拌摩擦焊应用
FSW工艺最初由TWI在大多数工业化国家申请专利,授权183+用户。FSW及其变体(搅拌摩擦点焊、搅拌摩擦加工)用于:造船海工、航空航天、汽车、铁路车辆、通用制造、机器人、计算机。
FSW广泛应用于用铝工业:
造船: 首用于焊接渔船空心铝板。今常用于焊接船体船壳用铝冷冻板。因FSW变形极小,长焊缝下铝板仍保形。
航空航天: 航天器储存低温氧气的铝燃料箱采用FSW,焊接球形封头与圆筒体。波音1999年8月德尔塔II火箭级间模块采用FSW成功发射。飞机机身轻量化铝框架连接亦用FSW,因其比螺栓/铆接更轻。
铁路: 用于高速列车空心型材和T型加强挤压件制造。
汽车: 车身底盘转向铝材,成FSW主要采用者。常规焊法难复现FSW高公差件。FSW快速焊接周期对铝焊极具吸引力。
搅拌摩擦焊与摩擦焊的区别
多种焊法利用摩擦产热,最常见是摩擦焊。典型摩擦焊中,工件相对高速移动产生界面热使其熔化融合。这限制工件装夹,须能高速往复移动工件。
FSW克服此限制:固定工件,移动工具沿接缝焊接。
搅拌摩擦焊优势
优势源于无耗材、无保护气体的独特焊接方式:
- 焊缝无缝、美观
- 可焊 otherwise 难焊合金如铝2xxx、7xxx系列
- 全自动化工艺
- 无需焊剂或保护剂
- 低峰值温度防止收缩和气孔裂纹
搅拌摩擦焊劣势
- 需复杂/专用工装夹具
- 焊板留明显退刀孔
- 初始/建厂成本高
- 柔性不如电弧焊
- 无法填丝焊接
- 非锻造性材料不可焊
工业技术