1。2 常规搅拌摩擦焊

1。2。1 常规搅拌摩擦焊的原理

FSW作为一项传统的理想的固相连接方法，具有着低成本和获得良好焊接接头的优势。搅拌摩擦焊其原理示意图如图1-1所示，利用一个旋转的轴肩和搅拌针组成的搅拌头，焊接过程中，搅拌针插入工件表面，然后沿着接头线旋转水平移动。搅拌头和工件表面经过摩擦产生热量，热量使得搅拌针周围的材料发生软化。与此同时，软化的材料产生从前进侧到后退侧产生了塑性变形，从而形成了固态连接接头。搅拌摩擦焊可以焊接不同的接头，如对接接头，搭接接头，T型接头等等[7]。

图1-1 搅拌摩擦焊接原理

1。2。2 常规搅拌摩擦焊的工艺特点

从搅拌摩擦焊的原理我们可以看出，相对传统的熔化焊接方法而言，拥有以下几点优点：

(1) 焊接接头的质量高，避免了熔焊时熔池凝固过程中产生的裂纹、气孔等缺陷。焊缝是在塑性状态下的受挤压完成的，属于固相连接，十分适合焊接具有特殊焊接性的铝合金材料。

(2) 容易实现平板的对接和搭接，在焊接直焊缝、角焊缝以及环焊缝的时候有很大便利，其次还有利于大型筒体制造及大型拼版对接、大型框架结构等。

(3) 焊接时无需填充材料和保护气体，焊接成本降低。在焊接较厚的工件时，工件无需加工坡口。在焊接有氧化膜的材料时，如铝合金材料，只需将表面的油污去除即可。在材料对接时对装配精度无特殊要求，可以留有一定空隙。

(4) 便于实现机械化、自动化操作，质量比较稳定，重复性高。

(5) 焊件有配套的装夹工具，刚性固定较好，焊接时加热温度低，焊件不容易产生变形。这一点熔化焊很难做到，因此搅拌摩擦焊有利于加工工件要求变形小的材料。

(6) 焊接过程安全、没有污染、没有飞溅、没有辐射，也没有烟尘噪声以及电磁干扰等有害物质的产生，是一种绿色环保的连接方法。

虽然FSW原则上能够实现任意材料之间的焊接，但在实际应用中还会遇到以下局限性： 

(1) 对工件的装夹会较为繁琐，对于不同的结构材料则需要不同的工装夹具，因此灵活性较差。

(2) 对于不同板厚的材料，需要不同的搅拌头，在焊接结束后,搅拌头退出的位置会在焊缝的末端会产生匙孔，从而需要添加引板和退板。

(3) 就目前而言，搅拌摩擦焊的焊接速度和效率有待提高。

(4) 在焊接时，需在焊接工件的底部垫垫板，因此在焊接封闭结构时垫板的安放及取出有困难[8]。

1。2。3 搅拌摩擦焊热过程分析

在搅拌摩擦焊接过程中由于轴肩与焊件材料的表面的摩擦、搅拌针和材料的摩擦、搅拌针附近材料的发生塑性变形等产生了大量热量，其焊接过程是一个复杂固态相变过程由热、流、力组成，焊接过程发生了以下四个过程：包括温度瞬态变化、材料软化塑性流动、动态再结晶、应力应变耦合，所以焊接过程中的产热机制较为复杂。对各种工艺参数、焊接缺陷、组织结构和组织性能的前提是搅拌摩擦焊温度场的分析［9］。经过实验研究发现，焊速一定的情况下下，随着旋转速度的不断提高，搅拌头的峰值温度会出现上升的想象，发现采用螺纹形搅拌针时采集的温度数据要比试板采用圆柱形搅拌针时的温度时要低［10］。Friggrd 等人认为主要的产热形式是塑性变形产热［11］，但搅拌针的产热比例也能达到20%［12］。焊接过程中搅拌头沿着焊缝行走，产生的热量对焊缝及焊缝附近的母材有热循环的作用，这些热循环作用会使得材料中沉淀相溶解以及软化了焊缝和热影响区。可以建立合适的热力学模型，模拟在一定得焊接参数下理论上的材料所经历的热过程，对接头形式、优化焊接参数、获得符合性能要求的接头具有重要作用[13]。论文网