什么是搅拌摩擦焊？- 工艺和应用

什么是搅拌摩擦焊？

搅拌摩擦焊 (FSW) 是一种固态连接工艺，它利用旋转工具产生的摩擦热来连接两个相对的工件，而不会熔化工件材料。旋转刀具与工件材料之间的摩擦产生热量，导致FSW刀具附近出现软化区域。

当工具沿着接合线移动时，它将两块金属机械混合，并通过工具施加的机械压力锻造热软化的金属，就像连接粘土或面团一样。

它主要用于锻造或挤压铝材，特别是用于需要非常高焊接强度的结构。 FSW能够连接铝合金、铜合金、钛合金、低碳钢、不锈钢和镁合金。

最近，它成功地用于焊接聚合物。此外，最近通过 FSW 实现了异种金属（例如铝与镁合金）的连接。 FSW的应用可以在现代造船、火车和航空航天应用中找到。

刀具通过接头的进度，同时显示焊接区和受刀肩影响的区域

FSW 使用旋转圆柱形工具执行，该工具具有直径小于肩部直径的异形销。在焊接过程中，刀具被送入两个夹紧工件之间的对接接头，直到探头刺入工件并且肩部接触工件表面。

探头略短于所需的焊接深度，工具肩部位于工作表面之上。经过短暂的停留时间后，刀具以预设的焊接速度沿接合线向前移动。

耐磨工具与工件之间会产生摩擦热。这种热量，连同机械混合过程产生的热量和物料内部的绝热热量，使搅拌的物料软化而不熔化。

当工具向前移动时，探头上的特殊轮廓将塑化材料从前端面推到后端，在此处，强大的力有助于焊接的锻造巩固。

刀具在塑化管状金属轴中沿焊缝移动的过程会导致严重的固态变形，包括母材的动态再结晶。

摩擦搅拌焊接使用一种特殊设计的工具，该工具在需要焊接在一起的接缝上高速旋转。当工具在金属上旋转时，它们之间会产生热量。这种热量导致金属变成塑料并相互融合。搅拌摩擦焊可以焊接两种类型的接头：

用于搅拌摩擦焊接的工具有两个部分。一个称为肩部的圆柱形零件在接缝上旋转，一个异形销从肩部伸出。

首先将销钉钻入接缝中。然后，台肩在工件顶部旋转一定时间，直至达到最佳温度并被材料吸收。

然后，工具在焊缝上移动，从而形成连续的焊缝。由于工具产生的体积加热和异形销混合金属颗粒，这是可能的。它来自进入工作区的异形销，在那里它被命名为“搅拌”，因为销实际上是在搅拌软化的颗粒以使其融合。

FSW 工艺最初已在大多数工业化国家获得了 TWI 的专利，并已为超过 183 个用户获得许可。搅拌摩擦焊及其变体搅拌摩擦点焊和搅拌摩擦加工用于以下工业应用：造船和海上、航空航天、汽车、铁路机车车辆、一般制造、机器人和计算机。

搅拌摩擦焊在各种使用铝的行业中都有应用。

造船业： FSW首先用于焊接渔船的空心铝板。今天，这种焊接技术在焊接用于船体和船体的铝制冷冻板时很常见。由于 FSW 产生的变形最小，因此铝板即使经过较长的焊缝也能保持其形状。

航空航天： 航天器中用于储存低温氧气的铝燃料箱利用 FSW。连接技术将圆顶焊接到构成这些油箱的圆柱形结构上。波音公司在 1999 年 8 月成功升空的 Delta II 火箭的级间模块中使用了 FSW。

FSW 还用于连接飞机机身中的轻质铝框架。这是因为该技术提供了一种比螺栓连接或铆接更轻的替代方法。

铁路： 搅拌摩擦焊可用于制造高速列车的空心型材和 T 型加强筋挤压件。

汽车行业： 汽车行业已将铝作为制备汽车底盘的最佳材料。因此，它是FSW技术的主要采用者之一。传统的焊接方法无法再现像 FSW 那样的高公差零件。 FSW 的快速焊接时间也使其比其他形式的铝焊接更具吸引力。

几种焊接技术使用摩擦产生热量，其中最常见的是摩擦焊接。在典型的摩擦焊接方法中，通过在接缝处移动一个工件相对于另一个工件在两个工件之间产生热量。

两个表面之间的摩擦使它们熔化并融合。

然而，这对摩擦焊接在工件设置方面造成了限制，因为它必须能够通过线性往复运动来高速移动工件。

搅拌摩擦焊通过将工件固定到位，然后沿焊缝移动工具，从而在此过程中形成焊缝，从而克服了这一限制。

搅拌摩擦焊的优势在于其独特的焊接方式，无需使用耗材或屏蔽元件技术。这使焊缝具有以下特征：

制造工艺