摘要：搅拌摩擦焊是利用一种特殊形式的搅拌头边旋转边前进，通过搅拌头与工件的摩擦产生热量，摩擦热使该部位金属处于热塑性状态，并在搅拌头的压力作用下从其前端向后部塑性流动，从而使待焊件压焊为一个整体。本文简述了搅拌摩擦焊的工作原理及优缺点，重点分析了搅拌摩擦焊技术在航空航天、汽车、船舶、电力电子、轨道交通、国防军工以及其它领域的应用现状及发展趋势。
关键词：搅拌摩擦焊；航空航天；汽车；轨道交通；应用；发展趋势
引言
搅拌摩擦焊作为一项革命性新型焊接技术，其有效解决了轻合金材料焊接方法问题，可达成铝、镁、铜等轻质合金材料高效、优质、绿色的非熔化连接。中国发展和应用搅拌摩擦焊是时代的召唤，是我们所需肩负的重要使命。由此可见，对搅拌摩擦焊技术应用现状与发展趋势开展研究，既有着十分重要的现实意义，又有着十分重要的战略意义。
一、工作原理
搅拌摩擦焊，本质上是一种固相焊接，它需要借助一个非自耗的搅拌头（一般包括四部分，分别是搅拌针、轴肩、过渡部分和夹持部分）。首先将待焊工件刚性固定，接着将搅拌针高速旋转着插入到被焊工件内部，直到轴肩下压到被焊工件内，然后搅拌针沿着焊接方向与工件做相对运动，在摩擦热和塑形变形热的作用下，焊缝两侧金属在搅拌针的牵引下进行塑性流动，在搅拌针的搅拌和轴肩的锻压共同作用下，形成焊接接头。
二、优缺点
搅拌摩擦焊的优点：
1）固态焊接技术，没有材料熔化；
2）高质量，高效率，低成本；
3）可实现多种接头形式的焊接；
4）焊件中残余应力低，残余变形小；
5）搅拌摩擦焊接头强度高，断裂韧度高；
6）焊缝为细晶组织，没有气孔、裂纹、夹渣等缺陷，节省修理费用；
7）操作简单，便于实现自动化。
搅拌磨擦焊存在的主要缺点：
由于焊缝不形成增强焊波，难以用于填角焊等焊接，其接头形状有
限；焊接形式受限，曲线焊接操作较难；焊缝的始端与终端有残孔。
三、缺陷
（1）搅拌摩擦焊过程属于热力复合作用过程，通常在焊缝正下方存在刚性支撑，在开展难以提供刚性支撑的工件焊接时，难度十分大。此外，搅拌摩擦焊过程还属于机械运动过程，难以适用于待焊路径相对复杂、空间较狭小的工件焊接。
（2）搅拌摩擦焊过程要经由主轴朝焊接工件施加相对大的锻压力，且这一锻压力与焊接工件厚度呈正相关关系。此类疑难问题即为在确保极大顶锻压力状态下，如何确保设备的稳定性。尤其是针对应用于实现长大部件 FSW 焊接的动龙门式设备，问题会进一步凸显。
四、应用领域
搅拌摩擦焊在航空航天、汽车、船舶、电力电子、轨道交通、国防军工以及其它领域得到大量应用。
①航空航天领域：应用于运载火箭的中心助推器、低温燃料筒、中间舱段、压力贮箱、飞机蒙皮和衍樑、筋条、加强件之间的连接，框架之间的连接、飞机预成型件的安装、飞机壁板和地板的焊接；飞机油箱；飞机外挂燃料箱；运载火箭、航天飞机的；军用和科学研究火箭和导弹；熔焊结构件的修理等。美国航天部门成功地焊接了以往难以焊接的7075铝合金低温燃料箱。5454铝合金经FSW焊接后有很好的抗腐蚀性。波音公司用FSW焊接生产了DeltaIV运载火箭的储箱，材料为2219- T87铝合金。洛•马公司制造航天飞机外储箱预计将会采用FSW代替GTAW方法焊接。
②汽车领域：铝合金轮毂、悬挂连接臂、底盘零件、后门、引擎罩，泡沫铝顶板盖、以及新能源汽车的电池托盘、电池箱体、电机壳、电机控制器、散热盒体等。德国卡曼汽车公司采用三明治夹层结构泡沫铝材制造轻便轿车的顶板盖，其强度比原来的钢质构件提高 7 倍左右，而质量却减轻了 25%马自达汽车公司是第一个将搅拌摩擦焊应用于汽车车身制造的汽车制造商，采用该技术制造 2004 款马自达 RX-8 铝合金材质的后门以及引擎罩。
③船舶领域：应用于船甲板、侧板、船头、壳体、船舱防水壁板和地板，船舶的上层铝合金建筑结构，直升飞机起降平台，离岸水上观测站，船舶码头，水下工具和海洋运输工具，帆船的桅杆及结构件，船上制冷设备用的中空挤压铝板。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆世界上第一台商业化搅拌摩擦焊设备于 1996 年安装在挪威的Marine Aluminum 公司，最初用来进行渔船用的冷冻中空板和快艇某些部件的焊接，后来又用来进行大型游轮，双体船的舷梯、侧板、地板等部件的焊接，同时也进行直升机降落台的焊接。
④轨道交通领域：应用于列车车厢、壁板、顶板、侧墙板、地板、列车底架，以及最终组装等。
⑤国防军工领域：应用于铝合金、镁合金及其复合材料制成的轻量化装备的焊接，以及局部修复等，如装甲车、导弹等。
⑥电力电子领域：应用于散热器、热沉器、软连接、传感器、机箱等。
⑦其它领域：应用于其它铝合金、镁合金及其有色金属产品的焊接，如冶金用阴极板、阳极板、导电梁，铝合金压力容器等。
五、搅拌摩擦焊技术的发展趋势
近年来，搅拌摩擦焊技术在我国得到了飞速发展，且在工业制造领域中得到广泛推广。为了使该项新技术在我国得到进一步发展、应用，并将其有效转化成切实的产业产品制造能力，提高我国制造产品品质，务必要基于科学发展观来促进搅拌摩擦焊技术的有序发展。全面焊接领域在时代发展新形势下，要与时俱进、引入先进理念、成功发展经验逐步强化搅拌摩擦焊技术发展，如何进一步推动搅拌摩擦焊技术有序健康发展可以从以下相关内容展开：
1）结合实际国情
搅拌摩擦焊技术发展应当结合我国实际国情，并依据该项技术的具体发展趋势，基于对搅拌摩擦焊技术相关知识产权的尊重，加大基础技术探索研究力度，提高技术人员专业素质。搅拌摩擦焊技术进入人们的视野已有 20 余年时间，正逐步由机理专研、方法分析、工程化开发等时期迈进工业化应用时期。近年来，我国制造工业对搅拌摩擦焊技术应用需求不断攀升，然而可提供搅拌摩擦焊技术在一系列大型工程项目中应用的技术条件、专业人才、专业设备等均十分欠缺。即便中国搅拌摩擦焊中心在技术专研、装备生产、工程化开发等方面取得了不错的成果，然而依旧面临人力、物力及研究条件等方面资源不足问题。对于一项革命性技术而言，应当发挥国家、社会的全面力量，调动其国内科研院参与研究搅拌摩擦焊技术研究的主观能动性，强化对搅拌摩擦焊技术的有效认识，努力培养一批专业素质过硬的研究人才、工程技术人才。
2）强化核心技术的创新发展
搅拌摩擦焊技术发展应强化核心技术的创新发展。搅拌摩擦焊技术是一项涉及多门学科的技术，包括有摩擦学、工程学、材料学、焊接、塑型加工等。作为一项多门学科集成的新技术，其可发展出各式各样的连接技术，诸如空间 3D 曲线焊、空截面焊接、无钥孔焊接、自支撑双面焊接、回填式点焊、变截面焊接等。此类新方法新技术的研发与发展均要求研究人员、技术人员要具备创新突破性思维、观念。我国提出要在 2020 年将自身建设成创新型国家，要知道一个国家的创新不单单体现于一些标志性重大工程建设上，还应表现在自主创造性技术发明上。中国搅拌摩擦焊中心应当承担起搅拌摩擦焊技术在中国发展的重要责任，务必要强化搅拌摩擦焊核心技术的创新发展，对新技术研发予以足够重视。
3）采取批量化生产制造方式
搅拌摩擦焊技术发展应采取批量化生产制造方式，朝着产业化、工业化方向，基于优惠法规政策支持，积极促进搅拌摩擦焊在轻合金材料连接行业的推广，改善我国铝、镁、铜等金属材料的生产技术水平。我国是一个制造大国，对铝、镁、铜等轻合金材料有着极高需求，而搅拌摩擦焊技术是适用于此类轻合金材料极为先进的连接技术，可有效改善产品质量，提高生产效率，缩减生产成本及能源损耗，因此被业界称作绿色焊接技术。然而搅拌摩擦焊专业设备成本极高，应用该项技术开展工业产品生产不得不面临专利许可的制约，此类因素对搅拌摩擦焊技术在我国推广带来一定不利影响，因此要求国家该项技术发布相应的优惠政策，好比财政补贴、低息贷款等，为中小型工业企业应用搅拌摩擦焊技术开展产品生产提供有力支持。此外，中国搅拌摩擦焊中心同样在努力推动搅拌摩擦焊技术在国内的推广，近年来相继实施了一系列发展策略，诸如结合区域发展实际情况，建立不同区域性搅拌摩擦焊工业产品研发中心等。
六、结束语
总而言之，搅拌摩擦焊技术可一定程度代替传统熔焊，及电阻电焊、铆接技术，特别适用于长大部件的焊接。当今时代，搅拌摩擦焊技术已在铝合金焊接方面展现出了显著优势，并且在航空航天、造船、汽车、轨道交通等工业领域得到广泛应用。相关人员务必要清楚认识搅拌摩擦焊技术原理、优缺点，全面分析搅拌摩擦焊技术缺陷，不断钻研研究、总结经验，积极促进搅拌摩擦焊技术有序健康发展。
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论文作者:陈余刚
论文发表刊物:《基层建设》2019年第4期
论文发表时间:2019/4/29
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