一文讓你徹底明白攪拌摩擦焊

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攪拌摩擦焊原理
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$ }$ J5 H, }) i0 E7 x' p; a3 m4 `! A攪拌摩擦焊方法與常規(guī)摩擦焊一樣,。攪拌摩擦焊也是利用摩擦熱與塑性變形熱作為焊接熱源,。不同之處在于攪拌摩擦焊焊接過(guò)程是由一個(gè)圓柱體或其他形狀(如帶螺紋圓柱體)的攪拌針(welding pin)伸入工件的接縫處,，通過(guò)焊頭的高速旋轉(zhuǎn),，使其與焊接工件材料摩擦,，從而使連接部位的材料溫度升高軟化,。同時(shí)對(duì)材料進(jìn)行攪拌摩擦來(lái)完成焊接的。

焊接過(guò)程如圖所示,。在焊接過(guò)程中工件要?jiǎng)傂怨潭ㄔ诒硥|上,，焊頭邊高速旋轉(zhuǎn)，邊沿工件的接縫與工件相對(duì)移動(dòng),。焊頭的突出段伸進(jìn)材料內(nèi)部進(jìn)行摩擦和攪拌,，焊頭的肩部與工件表面摩擦生熱，并用于防止塑性狀態(tài)材料的溢出,，同時(shí)可以起到清除表面氧化膜的作用,。

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在焊接過(guò)程中，攪拌針在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)伸入工件的接縫中,，旋轉(zhuǎn)攪拌頭(主要是軸肩)與工件之間的摩擦熱,，使焊頭前面的材料發(fā)生強(qiáng)烈塑性變形，然后隨著焊頭的移動(dòng),，高度塑性變形的材料逐漸沉積在攪拌頭的背后,，從而形成攪拌摩擦焊焊縫。攪拌摩擦焊對(duì)設(shè)備的要求并不高,，最基本的要求是焊頭的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng),，即使一臺(tái)銑床也可簡(jiǎn)單地達(dá)到小型平板對(duì)接焊的要求。

但焊接設(shè)備及夾具的剛性是極端重要的。攪拌頭一般采用工具鋼制成,，焊頭的長(zhǎng)度一般比要求焊接的深度稍短,。應(yīng)該指出，攪拌摩擦焊縫結(jié)束時(shí)在終端留下個(gè)匙孔,。通常這個(gè)匙孔可以切除掉,，也可以用其它焊接方法封焊住,。針對(duì)匙孔問(wèn)題,，已有伸縮式攪拌頭研發(fā)成功，焊后不會(huì)留下焊接匙孔,。

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攪拌摩擦焊焊接過(guò)程示意

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  K# \) S/ z1 E( B$ K( R攪拌摩擦焊接頭微觀組織
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) ^3 r$ @- u+ d基于焊縫組織晶粒和析出強(qiáng)化相的微觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn),，可以把攪拌摩擦焊焊縫分為4個(gè)明顯的區(qū)域：焊核區(qū)(Stirred或Nugget Zone)、熱力影響區(qū)(Thermo-Mechanically Affected Zone,，TMAZ),、熱影響區(qū)(Heat-Affected Zone，HAZ)以及母材(Base或Parent material),。
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焊核區(qū)材料經(jīng)受的嚴(yán)重變形和摩擦熱,，由晶粒尺寸為1-15μm不等的細(xì)小等軸再結(jié)晶組織組成。再結(jié)晶組織的內(nèi)部為低密度的位錯(cuò),，但也有發(fā)現(xiàn)再結(jié)晶組織的內(nèi)部卻有高密度的亞晶界,、亞晶和位錯(cuò)。在鋁合金和其他有些的合金中焊核區(qū)可以觀察到類似“洋蔥環(huán)”結(jié)構(gòu),。

* ~! \5 _( u% G0 m在母材和焊核區(qū)之間是攪拌摩擦焊特有的熱力影響區(qū),。熱力影響區(qū)的特征是存在高度變形的結(jié)構(gòu)。焊核區(qū)周圍母材晶粒被拉長(zhǎng)變形,，盡管熱力影響區(qū)也經(jīng)歷了塑性變形,，卻由于沒(méi)有足夠大的應(yīng)力，不發(fā)生再結(jié)晶,。在熱力影響區(qū)也有強(qiáng)化相的溶解,、粗化，這取決與熱力影響區(qū)經(jīng)歷的熱循環(huán)強(qiáng)度,。熱力影響區(qū)晶粒通常由高密度的亞晶界組成,。
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/ M/ \/ d) Z' s7 V1 B3 e# D熱影響區(qū)只受熱的影響，保持與母材相同晶粒結(jié)構(gòu),，但是受溫度的影響,，晶粒的尺寸有明顯的長(zhǎng)大和強(qiáng)化相的粗化，熱影響區(qū)所經(jīng)歷的溫度對(duì)其所包含的亞晶影響較小,。
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攪拌摩擦焊的優(yōu)缺點(diǎn)

由于攪拌摩擦焊過(guò)程中熱輸入相對(duì)于熔焊過(guò)程較小,，接頭部位不存在金屬的熔化，是一種固態(tài)焊接過(guò)程，在合金中保持母材的冶金性能,，可以焊接金屬基復(fù)合材料,、快速凝固材料等采用熔焊會(huì)有不良反應(yīng)的材料。
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其主要優(yōu)點(diǎn)如下:

(1)焊接接頭熱影響區(qū)顯微組織變化小.殘余應(yīng)力比較低,，焊接工件不易變形,。
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5 z8 o$ j8 T9 y; v8 h+ M(2)能一次完成較長(zhǎng)焊縫、大截面,、不同位置的焊接接頭高,。
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# m. }2 t$ f8 V; c" f% n9 f5 N(3)操作過(guò)程方便實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化,，設(shè)備簡(jiǎn)單,，能耗低，功效高,，對(duì)作業(yè)環(huán)境要求低,。
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- B. S3 y  K. O2 ^(4)無(wú)需添加焊絲，焊鋁合金時(shí)不需焊前除氧化膜,，不需要保護(hù)氣體,，成本低。

(5)可焊熱裂紋敏感的材料,，適合異種材料焊接,。

(6)焊接過(guò)程安全、無(wú)污染,、無(wú)煙塵,、無(wú)輻射等。
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. @/ D. t+ Y; K" {5 w攪拌摩擦焊也存在一定的缺點(diǎn):

焊接工件必須剛性固定,，反面應(yīng)有底板,；焊接結(jié)束攪拌探頭提出工件時(shí)，焊縫端頭形成一個(gè)鍵孔,，并且難以對(duì)焊縫進(jìn)行修補(bǔ)：工具設(shè)計(jì),、過(guò)程參數(shù)和機(jī)械性能數(shù)據(jù)只在有限的合金范圍內(nèi)可得：在某種情況下，如特殊領(lǐng)域中要考慮腐蝕性能,、殘余應(yīng)力和變形時(shí),，性能需進(jìn)一步提高才可實(shí)際應(yīng)用；對(duì)板材進(jìn)行單道連接時(shí),，焊速不是很高：攪拌頭的磨損消耗太快等,。
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攪拌摩擦焊的缺陷及控制措施
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( W) S" O' n% V) i6 T▶表面溝槽　　
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+ n: _. h8 w8 e( G1 l# p表面溝槽又稱犁溝缺陷，它往往出現(xiàn)在焊縫的上表面,，偏向于焊縫的前進(jìn)邊呈溝槽狀,。其原因是由于焊縫周圍的熱塑性金屬流動(dòng)不充分,，焊縫的塑性金屬無(wú)法充分填充攪拌針行進(jìn)過(guò)程中留下的瞬時(shí)空腔，從而在焊縫靠近前進(jìn)邊的位置形成表面溝槽,�,！　�
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▶▶控制措施是：增大軸肩直徑，增大壓力,，降低焊接速度,。
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/ f- g: Q; ]6 ~+ L$ H5 d+ P▶飛邊毛刺　　
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+ w! |& n( a; e/ H8 J5 u# W2 J2 \8 t7 g飛邊毛刺出現(xiàn)在焊縫的外邊緣，呈波浪形,，返回邊的飛邊往往比前進(jìn)邊大,。此種缺陷是由于旋轉(zhuǎn)速度和焊接速度的匹配不當(dāng)，在焊接過(guò)程中,，下壓量過(guò)大,，會(huì)形成大量的飛邊,�,！　�
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▶▶控制措施：優(yōu)化焊接參數(shù)，減少下壓量,。
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▶表面起皮　　

表面起皮或起絲呈皮狀或絲狀出現(xiàn)在焊縫的表面,。該缺陷的產(chǎn)生是大量的金屬摩擦產(chǎn)熱，積累于焊縫的表層金屬,，使得表層的局部金屬達(dá)到熔化狀態(tài),，在焊接過(guò)程中逐漸冷卻呈皮狀或絲狀分布于焊縫表面�,！　�
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: ^4 R& h0 A9 k$ V! C: I- P5 t▶▶控制措施：優(yōu)化焊接參數(shù),，降低轉(zhuǎn)速，提高焊速,。
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▶表面鼓皮　　

5 i# I3 a8 m: s; `1 d4 K表面鼓皮通常在FSW焊后熱處理之后出現(xiàn),，位于焊縫表面0.3mm以內(nèi)的雜質(zhì)鼓包。焊縫鼓包是由于焊縫表面氧化膜夾雜在熱處理過(guò)程中由于溫度的升高,，雜質(zhì)物分解膨脹造成,。　　

4 O. f" G2 }( ~1 _& d  c' O▶▶控制措施：焊前將氧化膜或油污清理干凈,。

▶背部焊瘤　　

; E0 \6 G1 l$ d( t6 T) X" ^背部焊瘤表現(xiàn)為焊縫別不的金屬向外凸出,。形成的原因是由于攪拌針頂部與焊縫底部的間隙過(guò)小，或產(chǎn)品裝配時(shí),，焊縫底部存在較大間隙,，導(dǎo)致焊接過(guò)程中，攪拌針的軸向擠壓力擠壓底部的金屬向焊縫底部凸出,，呈現(xiàn)焊瘤狀,。　　
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/ M. Q, U: g2 H. S0 k▶▶控制措施：保證被焊材料與工裝良好貼合，保證間隙盡量小,，稍微減小攪拌針的長(zhǎng)度,。
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攪拌摩擦焊的應(yīng)用
, E5 Q2 a. M6 V! V; E
/ v" K$ P" t: y4 c% n" k; U攪拌摩擦焊主要是用在熔化溫度較低的有色金屬，如Al,、cu等合金,。這和攪拌頭的材料選擇及攪拌頭的工作壽命有關(guān)。當(dāng)然,，這也和有色金屬熔化焊接相對(duì)困難有關(guān),，迫使人們?cè)谟猩�金屬焊接時(shí)尋找非熔化的焊接方法。對(duì)于延性好,、容易發(fā)生塑性變形的黑色材料,，經(jīng)輔助加熱或利用其超塑性，也有可能實(shí)現(xiàn)攪拌摩擦焊,，但這就要看熔化焊和攪拌摩擦焊哪個(gè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)更合理來(lái)決定,。

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攪拌摩擦焊在有色金屬的連接中已獲得成功的應(yīng)用，但由于焊接方法特點(diǎn)的限制,，僅限于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的構(gòu)件,，如平直的結(jié)構(gòu)或圓筒形結(jié)構(gòu)的焊接，而且在焊接過(guò)程中工件要有良好的支撐或村墊,。原則上,，攪拌摩擦焊可進(jìn)行多種位置焊接，如平焊,，立焊,，仰焊和俯焊;可完成多種形式的焊接接頭，如對(duì)接,、角接和搭接接頭,，甚至厚度變化的結(jié)構(gòu)和多層材料的連接，也可進(jìn)行異種金屬材料的焊接,。

# U; T( W& C- j) D( s# f另外,，攪拌摩擦焊作為一種固相焊接方法，焊接前及焊接過(guò)程中對(duì)環(huán)境的污染小,。焊前工件無(wú)需嚴(yán)格的表面清理準(zhǔn)備要求,，焊接過(guò)程中的摩擦和攪拌可以去除焊件表面的氧化膜，焊接過(guò)程中也無(wú)煙塵和飛濺.同時(shí)噪聲低,。由于攪拌摩擦焊僅僅是靠焊頭旋轉(zhuǎn)并移動(dòng),，逐步實(shí)現(xiàn)整條焊縫的焊接，所以比熔化焊甚至常規(guī)摩擦焊更節(jié)省能源,。

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