搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding-FSW)是一种先进的固态连接工艺,可实现铝、镁、铅、铜、钢、钛、金属基复合材料、异种金属等材料高质量、高强度、低变形连接,能够在较大的长度和厚度范围内实现材料的对接或搭接焊接。搅拌摩擦焊焊接时,搅拌摩擦焊工具在装备的驱动下高速旋转插入待焊材料并沿着行进,在摩擦热的作用下,熔池材料塑化并被搅拌混合,经过回复与再结晶过程实现冶金熔合。船舶搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊整个过程的温度都在材料的熔点之下,在较低温度和摩擦头锻压作用下,搅拌摩擦焊接头从根本上避免熔焊中容易产生的元素烧损、夹杂、气孔、热裂纹等缺陷。船舶搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊广泛应用于航空工业、造成工业、汽车工业、轨道交通、电子电力行业等。像如今的新能源汽车电池托盘、汽车轮毂、电控、水冷电机壳;以及各种水冷板、水冷散热器都是用搅拌摩擦焊技术实现的。现在建筑铝模板领域也在开始应用。
船舶搅拌摩擦焊自1991年英国焊接研究所发明搅拌摩擦焊开始,美国和欧洲率先使此技术用于航天运载工具的焊接,从一定程度上解决了轻质合金焊接性差的一系列问题。迄今为止,航空航天技术已是衡量一个国家国防实力乃至综合国力的重要指标。越来越多的国家投入大量的资金来发展太空运输工具,箭体材料呈轻质、高强的发展方向,国外箭体材料已经发展到第三代铝锂合金,其关键的连接技术已由最初的钨极氩弧焊发展到搅拌摩擦焊,且已成功用于美国Delta系列,Atlas系列火箭筒体、航天飞机的高质量焊接。日本三菱重工已经开发出双轴肩搅拌摩擦焊技术, 并将其应用于新型运载火箭 H-2B 贮箱的筒段的焊接。船舶搅拌摩擦焊在航空领域,美国波音公司、英国空中客车公司等航空巨头公司已在飞机结构件上成功运用搅拌摩擦焊技术。美国大型军用运输机 C-17 的舱内地板和载货斜坡地板采用了搅拌摩擦焊技术;F-15战斗机尾翼整流罩也采用了搅拌摩擦焊技术;空客公司采用搅拌摩擦焊对A430大型客机翼肋进行焊接;美国月蚀公司在 Eclipse-500 型商务飞机上采用搅拌摩擦焊技术全面替代了铆钉连接结构搅拌摩擦焊技术已成为飞机制造的关键技术之一。
应用焊接过程中也不需要其它焊接消耗材料,如焊条、焊丝、焊剂及保护气体等。消耗的是焊接搅拌头。船舶搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊加工同时,由于搅拌摩擦焊接时的温度相对较低,因此焊接后结构的残余应力或变形也较熔化焊小得多。特别是Al合金薄板熔化焊接时,结构的平面外变形是非常明显的,无论是采用无变形焊接技术还是焊后冷、热校形技术,都是很麻烦的,而且增加了结构的制造成本。船舶搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊主要是用在熔化温度较低的有色金属,如Al、cu等合金。这和搅拌头的材料选择及搅拌头的工作寿命有关。当然,这也和有色金属熔化焊接相对困难有关,迫使人们在有色金属焊接时寻找非熔化的焊接方法。对于延性好、容易发生塑性变形的黑色材料,经辅助加热或利用其超塑性,也有可能实现搅拌摩擦焊,但这就要看熔化焊和搅拌摩擦焊哪个技术经济指标更合理来决定。
船舶搅拌摩擦焊在焊接过程中,搅拌针在旋转的同时伸入工件的接缝中,旋转搅拌头(主要是轴肩)与工件之间的摩擦热,使焊头前面的材料发生强烈塑性变形,然后随着焊头的移动,高度塑性变形的材料逐渐沉积在搅拌头的背后,从而形成搅拌摩擦焊焊缝。搅拌摩擦焊对设备的要求并不高,最基本的要求是焊头的旋转运动和工件的相对运动,即使一台铣床也可简单地达到小型平板对接焊的要求。但焊接设备及夹具的刚性是极端重要的。搅拌头一般采用工具钢制成,焊头的长度一般比要求焊接的深度稍短。应该指出,搅拌摩擦焊缝结束时在终端留下个匙孔。通常这个匙孔可以切除掉,也可以用其它焊接方法封焊住。针对匙孔问题,已有伸缩式搅拌头研发成功,焊后不会留下焊接匙孔。船舶搅拌摩擦焊关于在搅拌摩擦过程中界面原子的运动仍处于研究阶段。