1.2 搅拌摩擦焊技术

1.2.1 搅拌摩擦焊简介

搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding）是英国焊接研究所（简称TWI）于1991发明的一种固相连接技术，并在同年申请了专利[3]。具有焊接变形小，无裂纹、夹渣、气孔等熔焊方法中常见的缺陷等优势，并能完成一般熔焊方法都无法完成的材料的连接，一经出世便得到高度的重视。FSW过程的原理如图1-1所示。先把待焊试样放在垫板上然后用夹具压紧，防止在焊接过程中出现松动或者滑移。焊接工具主要由轴肩、搅拌针和夹持部分组成。搅拌针一般不宜过长或者过短，通常设计为轴肩直径长度的三分之一，略比试样板材厚度稍短。为了降低焊接过程中搅拌头所受到的阻力，最大程度减少搅拌针的磨损，通常使搅拌头与板材具有2°～5°的夹角。焊接时搅拌针缓缓插入板材中，直到轴肩接触到板材表面。由于搅拌头与板材摩擦产生热量，在其附近会产生螺旋状的塑性层。焊接过程中一般都是板材不动，搅拌头相对于板材以一定的速度做相对运动。生成的塑性层材料会由搅拌针的前方移向后方，随着搅拌头继续向前运动，其尾部材料开始冷却并形成焊缝，所以会导致搅拌摩擦焊接头的厚度只有木材的94%～97%。轴肩的作用分为两个方面，一方面是与焊件表面摩擦产生热量，另一个重要的方面就是防止塑性状态的材料溢出，并且还可以去除焊件表面的氧化膜。

图1-1 搅拌摩擦焊过程的示意图

FSW过程中包括一些专业术语，如前进侧、后退侧等。前进侧（Advancing Side，简称AS）指的是搅拌头旋转速度方向与焊接速度方向一致的一边；后退侧（Retreating Side，简称RS）指的是搅拌头旋转速度方向与焊接速度方向相反的一边。前进侧和后退侧关于焊缝中心对称，焊接时两块板材分别放置于这两侧。如图1-1是搅拌摩擦焊的过程示意图。

由于焊接过程中材料所受热力作用大小有所差异，就会发生不同的塑性变形，形成不同组织的结构的区域。图1-2 为FSW接头的微观组织示意图，将焊接接头分为A、B、C、D四个区域，分别是：母材（basic metal，简称 BM）；热影响区（heat affected zone ，简称ＨＡＺ）是在焊接过程中仅受到热循环作用，而并没有受到搅拌头的脚不能作用的区域；热机械影响区（thermal mechanically   affected zone ，简称TMAZ）是位于焊核区两侧的区域，该区域所发生的塑性变形相比起焊核区较小，但是材料也发生了一定程度的拉长变形；焊核区（weld nugget zone，简称WNZ）就是搅拌针直接扎入并进行搅拌的区域，塑性变形较为剧烈，经过动态再结晶之后会生成细小的等轴晶组织[4]。

图1-2 FSW接头微观组织分区示意图

1.2.2 搅拌摩擦焊的优点

FSW作为一种新型的固态连接技术，其优点主要体现在以下几个方面：

固相连接，可以获得高质量的焊接接头。相比于传统的熔焊，由于搅拌焊的焊接温度未达到焊件的熔点温度，避免了熔焊时在熔池中产生的气孔、裂纹及夹杂等缺陷。同时，焊接过程中没有凝固收缩，焊后接头内应力较低，变形量较小。

焊接成本较低。焊接过程中不需要填充材料，也不需要保护气体，唯一所消耗的就是搅拌头。一个工具钢材质的搅拌头在焊接铝合金时，就可以完成800米长的焊缝。

绿色、安全、节能。焊接前无需对待焊工件特意进行表面清理，这是由于焊接过程中搅拌头轴肩会与工件表面进行摩擦进而除去焊件表面的氧化膜。焊接过程中无飞溅、烟尘和噪音，工作环境较好。FSW靠的是焊接工具高速旋转并逐步向前移动来完成整条焊缝的焊接，与常规的熔焊相比更加的节省能源。