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。搅拌摩擦焊技术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。搅拌摩擦焊技术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。
搅拌摩擦焊技术搅拌摩擦焊除了可以焊接普通熔焊方法难以焊接的材料外,还有以下优点1)焊接温度低,即使在长焊缝情况下也是如此。2)固相连接,不产生类似熔焊街头的铸造组织缺陷。接头各种力学性能,比如疲劳、弯曲、拉伸等指标好。搅拌摩擦焊技术焊前、焊后辅助修补工时较少,生产成本大幅度降低。焊接过程中的搅拌和摩擦可有效去除工件表面氧化膜及附着杂质,减少了清理步骤。4)焊接过程不需要添加保护气体和焊料。5)能够进行全位置焊接,适应性好,效率高,操作简单,易于实现自动化。6)无烟尘、辐射、飞溅、噪声及弧光等有害物质产生,是一种环保型链接方法。
由于搅拌摩擦焊过程中热输入相对于熔焊过程较小,接头部位不存在金属的熔化,是一种固态焊接过程,在合金中保持母材的冶金性能,可以焊接金属基复合材料、快速凝固材料等采用熔焊会有不良反应的材料。搅拌摩擦焊技术其主要优点如下:(1)焊接接头热影响区显微组织变化小.残余应力比较低,焊接工件不易变形;(2)能一次完成较长焊缝、大截面、不同位置的焊接.接头高:(3)操作过程方便实现机械化、自动化,设备简单,能耗低,功效高,对作业环境要求低:(4)无需添加焊丝,焊铝合金时不需焊前除氧化膜,不需要保护气体,成本低;(5)可焊热裂纹敏感的材料,适合异种材料焊接:(6)焊接过程安全、无污染、无烟尘、无辐射等。搅拌摩擦焊技术搅拌摩擦焊也存在一定的缺点:焊接工件必须刚性固定,反面应有底板;焊接结束搅拌探头提出工件时,焊缝端头形成一个键孔,并且难以对焊缝进行修补:工具设计、过程参数和机械性能数据只在有限的合金范围内可得:在某种情况下,如特殊领域中要考虑腐蚀性能、残余应力和变形时,性能需进一步提高才可实际应用;对板材进行单道连接时,焊速不是很高:搅拌头的磨损消耗太快等。
搅拌摩擦焊技术在焊接过程中,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。搅拌摩擦焊技术关于在搅拌摩擦过程中界面原子的运动仍处于研究阶段。