摘 要：攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding－FSW）作為一項(xiàng)新型的革命性的連接技術(shù)，為裝備制造工業(yè)中輕合金的低成本、高效率和高質(zhì)量連接提供了有效途徑；本文在詳細(xì)介紹攪拌摩擦焊知識(shí)產(chǎn)權(quán)、原理、攪拌頭、焊接材料、接頭性能、攪拌摩擦焊設(shè)備和攪拌摩擦焊工業(yè)應(yīng)用等基礎(chǔ)上，對(duì)攪拌摩擦焊在中國(guó)裝備制造工業(yè)中的發(fā)展和應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)要概括。
關(guān)鍵詞：攪拌摩擦焊；制造技術(shù)；焊接設(shè)備

攪拌摩擦焊技術(shù)是世界焊接技術(shù)發(fā)展史上自發(fā)明到工業(yè)應(yīng)用時(shí)間跨度最短和發(fā)展最快的一項(xiàng)神奇的固相連接新技術(shù)［1］。攪拌摩擦焊被認(rèn)為是最有前途和最適合宇航材料以及結(jié)構(gòu)件制造的工藝方法之一［2］。

本文在介紹攪拌摩擦焊原理、攪拌頭、焊接材料、接頭性能、攪拌摩擦焊設(shè)備及工業(yè)應(yīng)用等的基礎(chǔ)上，對(duì)攪拌摩擦焊在中國(guó)的發(fā)展和應(yīng)用進(jìn)行展望。

1 攪拌摩擦焊知識(shí)產(chǎn)權(quán)

攪拌摩擦焊是英國(guó)焊接研究所（TWI）1991年發(fā)明的，并進(jìn)行了世界范圍內(nèi)專(zhuān)利保護(hù)的新型連接技術(shù)［3］［4］［5］。攪拌摩擦焊自發(fā)明以來(lái)就受到制造工業(yè)的密切關(guān)注和支持，并且在1996年就在工業(yè)制造領(lǐng)域得到成功應(yīng)用［6］。

截止2002年9月15日，世界范圍內(nèi)得到英國(guó)焊接研究所攪拌摩擦焊專(zhuān)利技術(shù)許可的用戶(hù)已經(jīng)有78家。迄今，世界范圍內(nèi)已經(jīng)申請(qǐng)的與攪拌摩擦焊技術(shù)相關(guān)的專(zhuān)利技術(shù)有551項(xiàng)。

1995年英國(guó)焊接研究所（TWI）在中國(guó)申請(qǐng)了有關(guān)攪拌摩擦焊和攪拌頭專(zhuān)利保護(hù)(專(zhuān)利號(hào):ZL95192193.2)，并且在1999年得到了中國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)局的批準(zhǔn)(批準(zhǔn)號(hào):51451)；在 2002年4月18日，北京航空制造工程研究所和英國(guó)焊接研究所在北京正式簽署攪拌摩擦焊專(zhuān)利許可和技術(shù)合作協(xié)議，并且在雙方合作成立了中國(guó)攪拌摩擦焊中心的基礎(chǔ)上，注冊(cè)成立了中國(guó)首家專(zhuān)業(yè)化的攪拌摩擦焊技術(shù)公司——北京賽福斯特技術(shù)有限公司。

北京賽福斯特技術(shù)有限公司負(fù)責(zé)中國(guó)攪拌摩擦焊中心在中國(guó)地區(qū)（包括：香港、澳門(mén)和臺(tái)灣）的所有攪拌摩擦焊業(yè)務(wù)：主要從事攪拌摩擦焊技術(shù)的研究、FSW工程應(yīng)用開(kāi)發(fā)、FSW設(shè)備的制造和銷(xiāo)售以及全權(quán)負(fù)責(zé)中國(guó)攪拌摩擦焊中心的FSW "二級(jí)許可權(quán)" 的發(fā)放和管理。
中國(guó)攪拌摩擦焊中心和專(zhuān)業(yè)化北京賽福斯特技術(shù)有限公司的成立，標(biāo)志著攪拌摩擦焊技術(shù)的開(kāi)發(fā)和工程應(yīng)用研究工作在中國(guó)市場(chǎng)的正式開(kāi)始，是新世紀(jì)中國(guó)焊接技術(shù)發(fā)展史上一塊矚目的里程碑。


2 攪拌摩擦焊原理
攪拌摩擦焊是利用一種特殊的非耗損的攪拌頭，旋轉(zhuǎn)著壓入被焊零件的界面，攪拌頭與被焊零件的摩擦使被焊材料熱塑化，當(dāng)攪拌頭沿著焊接界面向前移動(dòng)時(shí)，熱塑化的材料由前向后轉(zhuǎn)移，在熱/機(jī)聯(lián)合作用下擴(kuò)散連接形成致密的固相連接接頭。

3 攪拌摩擦焊特點(diǎn)

與傳統(tǒng)的弧焊方法相比較，攪拌摩擦焊在輕合金材料的連接方面具有諸多優(yōu)越性，如：

固相連接——被焊材料沒(méi)有熔化；
無(wú)變形焊接方法——焊接變形很小；
材料自擴(kuò)散連接——不需要添絲和保護(hù)氣；
綠色焊接技術(shù)——沒(méi)有煙塵、飛濺、紫外輻射；
機(jī)床加工技術(shù)——容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；
優(yōu)良的連接質(zhì)量——接頭性能等于或超過(guò)母材；
節(jié)省能源——總功率輸入低；
“萬(wàn)能”焊接方法可以焊接所有牌號(hào)的輕合金材料。

攪拌摩擦焊在某些方面也存在局限性，例如，需要攪拌頭向被焊工件施加足夠大的頂鍛壓力和向前驅(qū)動(dòng)力，被焊零件需要被剛性固定；焊接末尾會(huì)存在“匙孔”；另外，與弧焊相比較，需要對(duì)焊縫施加巨大的頂鍛壓力，限制了攪拌摩擦焊技術(shù)在機(jī)器人等柔性設(shè)備上的應(yīng)用。

4 攪拌頭

攪拌頭是攪拌摩擦焊技術(shù)中最重要的技術(shù)之一。

攪拌頭一般由耐高溫抗磨損材料制成，主要包括特形指棒和軸肩兩部分，在焊接過(guò)程軸肩與被焊材料的表面緊密接觸，防止塑化金屬材料的擠出和氧化，同時(shí)攪拌軸肩還可以提供部分焊接所需要的攪拌摩擦熱，攪拌指棒的形狀比較特殊，焊接過(guò)程中攪拌指棒要旋轉(zhuǎn)著壓入被焊材料的結(jié)合界面處，并且沿著待焊界面向前移動(dòng)。

隨著攪拌摩擦焊技術(shù)的發(fā)展，英國(guó)焊接研究所研制的“藝術(shù)階段”的 WhorlTM和 MX TrifluteTM系列攪拌頭可以在6毫米厚的鋁合金擠壓形材上連續(xù)焊接上千米的焊縫而不用更換，并且可以得到性能更加優(yōu)良的焊縫。

攪拌摩擦焊薄板結(jié)構(gòu)零件時(shí)，攪拌頭的肩部與工件表面摩擦產(chǎn)生的熱量是金屬熱塑化所需能量的來(lái)源。對(duì)于厚板的攪拌摩擦焊來(lái)說(shuō)，要得到優(yōu)良的焊接接頭，隨著板厚的增加，攪拌頭與工件之間需要提供更多的熱來(lái)保證攪拌頭附近區(qū)域金屬的熱塑化，同時(shí)，攪拌頭還需要確保焊接區(qū)域金屬材料的攪拌激活以及控制塑化金屬的流變轉(zhuǎn)移來(lái)形成合格的固相焊縫。總之，攪拌頭確實(shí)是攪拌摩擦焊技術(shù)中的心臟。

5 攪拌摩擦焊材料

攪拌摩擦焊的焊接溫度一般低于材料的熔點(diǎn)，焊接過(guò)程中始終沒(méi)有材料的熔化。所以攪拌摩擦焊是一種固態(tài)連接方法。

基于攪拌摩擦焊過(guò)程中不存在材料熔化的特點(diǎn)，攪拌摩擦焊幾乎可以焊接所有系列的鋁合金材料以及鋁基復(fù)合材料(MMC)。對(duì)于以前傳統(tǒng)焊接方法認(rèn)為“不可焊接”的2xxx和7xxx系列高強(qiáng)鋁合金材料，也能得到可靠連接。對(duì)于異種材料攪拌摩擦焊也具有優(yōu)越性，如攪拌摩擦焊不僅可以實(shí)現(xiàn)2024/6061以及2024/7075等不同牌號(hào)鋁合金材料的焊接，還可以實(shí)現(xiàn)銅合金和鋁合金等不同種材料的焊接。

攪拌摩擦焊還可以焊接銅、鎂、鋅、鉛等合金材料，對(duì)于鋼合金、鈦合金和鋁基復(fù)合材料的攪拌摩擦焊開(kāi)發(fā)研究也很成功。

對(duì)于不同材料狀態(tài)的鋁合金，攪拌摩擦焊也能實(shí)現(xiàn)焊接，如鍛壓板材和擠壓形材的焊接，鍛壓板材和鑄鋁的焊接等。

6 接頭性能

攪拌摩擦焊接頭主要包括四個(gè)微結(jié)構(gòu)區(qū)域：焊核區(qū)、熱/機(jī)影響區(qū)、熱影響區(qū)和母材；中間區(qū)域?yàn)榫Я７浅＜?xì)小的焊核區(qū)域，其中橢圓形的“洋蔥”環(huán)狀組織結(jié)構(gòu)是焊接接頭良好的標(biāo)志；在焊核區(qū)的外圍存在一個(gè)熱/機(jī)影響區(qū)，此部分晶粒組織發(fā)生了明顯的塑性變形和部分重結(jié)晶。

普通條件下（如O狀態(tài)）的非熱處理強(qiáng)化鋁合金，攪拌摩擦焊可以得到?jīng)]有空洞和裂紋的優(yōu)良焊接接頭，接頭的拉伸強(qiáng)度一般大于或優(yōu)于母材，并且斷裂一般出現(xiàn)在熱影響區(qū)和遠(yuǎn)離焊縫接頭的母材上；對(duì)于冷作和熱處理強(qiáng)化鋁合金，攪拌摩擦焊接頭的力學(xué)性能優(yōu)于弧焊接頭。另外，通過(guò)控制攪拌摩擦焊過(guò)程中焊縫區(qū)域的熱輸入，特別是控制攪拌摩擦焊接頭中硬度和強(qiáng)度最低的熱影響區(qū)的回火和過(guò)時(shí)效影響，可以有效地提高焊接接頭的力學(xué)性能指標(biāo)。

與熔焊方法相比較，鋁合金材料的攪拌摩擦焊接頭的疲勞性能具有明顯的優(yōu)勢(shì)，這是因?yàn)閿嚢枘Σ梁傅玫降氖蔷?xì)的再結(jié)晶組織，另外焊接過(guò)程沒(méi)有材料的熔化，焊縫組織中沒(méi)有熔焊經(jīng)常出現(xiàn)的凝固偏析、裂紋、氣孔和夾雜等缺陷，所以接頭綜合性能比熔焊優(yōu)良。

7 攪拌摩擦焊設(shè)備

攪拌摩擦焊設(shè)備有很多種類(lèi)，且具備如下特點(diǎn)：精度高、剛度強(qiáng)，力矩大和多軸柔性控制。

針對(duì)攪拌摩擦焊開(kāi)發(fā)研究，美國(guó)South Carolina大學(xué)擁有世界上靜態(tài)焊接壓力最大（130 kN）的液壓驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)設(shè)備。這臺(tái)大壓力、自適應(yīng)的柔性制造設(shè)備，主要用來(lái)從事宇航結(jié)構(gòu)件的攪拌摩擦焊研究；該攪拌摩擦焊設(shè)備裝有可調(diào)節(jié)的自適應(yīng)攪拌頭和多軸攪拌摩擦焊控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)非平面和變截面（厚度）結(jié)構(gòu)件高強(qiáng)合金材料的攪拌摩擦焊開(kāi)發(fā)研究。

2002年，英國(guó)焊接研究所（TWI）擁有了世界上尺寸最大的龍門(mén)式攪拌摩擦焊設(shè)備，該設(shè)備的焊接范圍為8 m(長(zhǎng))x 5 m（寬）x 1 m（高），該設(shè)備是迄今世界上最大的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

2003年5月，中國(guó)攪拌摩擦焊中心設(shè)計(jì)、制造的亞洲迄今最大（據(jù)公開(kāi)報(bào)到）的一臺(tái)攪拌摩擦焊設(shè)備通過(guò)驗(yàn)收，并正式投入研究、開(kāi)發(fā)使用。該型號(hào)為FSW-1DB-001型攪拌摩擦焊設(shè)備可以焊接厚度為25 mm的鋁合金、鎂合金，15 mm的銅合金以及10 mm的鈦合金材料，可以焊接1.5 m長(zhǎng)的縱縫，和直徑2 m以上的筒形件。該設(shè)備主要由主軸動(dòng)力單元、液壓驅(qū)動(dòng)單元、擺動(dòng)式焊接夾具、高精度焊接平臺(tái)、懸臂式移動(dòng)橫梁、SIEMENS WinAC友好人機(jī)界面控制系統(tǒng)、德國(guó)Heidenhain位置傳感控制系統(tǒng)等組成。主要應(yīng)用對(duì)象為大壁板航天火箭筒體的攪拌摩擦焊制造。

8 攪拌摩擦焊工業(yè)應(yīng)用

攪拌摩擦焊技術(shù)已由試驗(yàn)研究、工程開(kāi)發(fā)轉(zhuǎn)入大規(guī)模的工業(yè)化應(yīng)用階段，迄今，已經(jīng)在宇航、船舶、高速列車(chē)等制造領(lǐng)域得到了非常成功的應(yīng)用。

船舶制造和海洋工業(yè)是攪拌摩擦焊首先得到商業(yè)應(yīng)用的兩個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，主要應(yīng)用：甲板、側(cè)板、防水壁板、和地板；型材；外殼和主體結(jié)構(gòu)件；直升機(jī)降落平臺(tái)；水上觀(guān)測(cè)站；海洋運(yùn)輸結(jié)構(gòu)件；帆船的桅桿及結(jié)構(gòu)件；船用冷凍器中空平板等。

攪拌摩擦焊在飛機(jī)制造領(lǐng)域還處于驗(yàn)證階段，攪拌摩擦焊已經(jīng)在軍用和民用飛機(jī)上得到驗(yàn)證飛行和部分應(yīng)用的有機(jī)翼、機(jī)身、尾翼、飛機(jī)油箱、起落架倉(cāng)蓋等。在宇航領(lǐng)域，攪拌摩擦焊已成功應(yīng)用運(yùn)載火箭、航天飛機(jī)的低溫燃料筒；軍用和科學(xué)研究火箭和導(dǎo)彈以及熔焊接構(gòu)件的修理等。

對(duì)于陸路交通工業(yè)：攪拌摩擦焊在列車(chē)制造領(lǐng)域的應(yīng)用主要為：高速列車(chē)、軌道貨車(chē)、地鐵車(chē)廂和有軌電車(chē)、集裝箱體等；攪拌摩擦焊在汽車(chē)上的應(yīng)用主要為：引擎和底盤(pán)和車(chē)身支架、汽車(chē)輪鼓、液壓成型管附件、車(chē)門(mén)預(yù)成型件、車(chē)體空間框架、卡車(chē)車(chē)體、載貨車(chē)的尾部升降平臺(tái)、汽車(chē)起重器、裝甲車(chē)的防護(hù)甲板等。

攪拌摩擦焊在民用建筑工業(yè)的應(yīng)用主要為：鋁合金橋梁、裝飾板、門(mén)窗框架、管線(xiàn)、鋁合金反應(yīng)器、熱交換器等。電子工業(yè)對(duì)攪拌摩擦焊的興趣也在增加，其應(yīng)用主要表現(xiàn)為：發(fā)動(dòng)機(jī)殼體、電器連接件、電器封裝等。

在其它工業(yè)領(lǐng)域，攪拌摩擦焊也有較多應(yīng)用，例如冰箱冷卻板、廚房電器和設(shè)備、“白色”家用物品和工具、天然器、液化氣儲(chǔ)箱和容器、家庭裝飾等。目前，攪拌摩擦焊技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用在中國(guó)剛剛開(kāi)始。但由于攪拌摩擦焊技術(shù)在成本、連接質(zhì)量、環(huán)境等方面的優(yōu)越性，在不到一年的時(shí)間內(nèi)已經(jīng)在軍工、列車(chē)和電力三個(gè)工業(yè)領(lǐng)域得到產(chǎn)品應(yīng)用。

迄今，已經(jīng)正式得到中國(guó)攪拌摩擦焊中心發(fā)授的攪拌摩擦焊專(zhuān)利技術(shù)二級(jí)許可的單位已有5家：華東船舶工業(yè)學(xué)院，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、西安固本科技有限公司、甘肅工業(yè)大學(xué)以及常州軌道牽引研究開(kāi)發(fā)中心。隨著人們對(duì)攪拌摩擦焊技術(shù)認(rèn)識(shí)的提高，預(yù)計(jì)在不遠(yuǎn)的將來(lái)，鋁合金、鎂合金、鋅合金、鈦合金等輕金屬材料的連接將主要由攪拌摩擦焊來(lái)完成，尤其在運(yùn)載火箭、高速鋁合金列車(chē)、鋁合金高速快艇、全鋁合金汽車(chē)等項(xiàng)目中攪拌摩擦焊技術(shù)將會(huì)占到主導(dǎo)地位。

9 結(jié)論

攪拌摩擦焊是一種革命性的新型制造技術(shù)。

攪拌摩擦焊可以焊接所有牌號(hào)的鋁合金，并且為鎂、鋅、鈦等輕合金材料以及鋁基復(fù)合材料的連接提供了新的工藝方法和途徑。

攪拌摩擦焊為宇航、船舶、列車(chē)、軍工、電力、建筑、裝飾等工業(yè)領(lǐng)域新型鋁合金、鎂合金產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造提供了可能。

攪拌摩擦焊在宇航領(lǐng)域具有巨大潛在應(yīng)用和遠(yuǎn)大的應(yīng)用前景,并將成為宇航制造領(lǐng)域主導(dǎo)連接技術(shù)。