无针搅拌摩擦点焊技术研究现状分析

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1、至堑塑坐塑一．——无针搅拌摩擦点焊技术研究现状分析米ResearchStatusofFrictionStirSpotWeldingWithoutNeedle中航工业北京航空制造工程研究所代建辉赵华夏栾国红代建辉现就职于中航工业北京航空制造工程研究所科技发展部．主要从事国家“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项等科研项目管理工作。搅拌摩擦焊(蹦cdon嫱Welding，简称FSw)技术⋯与传统熔化焊相比具有诸多优势【2l，目前已经广泛应用于航空航天飞行器、高速舰船、高速轨道列车、汽车等领域p】。随着搅拌摩擦焊技术的发展，目前已经在常规工艺基础上演化出了

2、多种新型焊接技术㈣l。搅拌摩擦点焊(Friction*“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项(2012zX04008一叭1)资助。52航空制造技术·2013年第ll期无针搅拌摩擦焊可以在一定厚度范围内实现铝合金薄壁结构的可靠连接，从而在铝合金汽车带筋壁板结构的连接和装配中具有应用前景，同时可以扩展到飞机机身带筋蒙皮、隔离框板结构、机翼以及运载火箭的整流罩等壁板结构。现有的研究成果主要以工艺试验为主。即便是国外的研究也没有对焊接过程形成深入的了解。由此造成对无针搅拌摩擦工具端面槽结构的设计以及焊接工艺参数的选择具有较大的随机性，未来有必要对无针搅拌摩擦

3、焊接过程中塑性金属流动行为以及接头形成过程开展深入研究oStirSpotwelding，FSSW)是在搅拌摩擦焊接基础上研究开发出来的一种创新性固相焊接技术”oJ，具有绿色、高效、清洁、节能等特点，是铆接、电阻点焊等传统连接方法的最佳替代技术。英国、德国、日本等国先后开展了搅拌摩擦点焊技术研究，其工艺方法各不相同，目前已见报道的点焊工艺方法主要包括3种：(1)常规搅拌摩擦点焊，即采用与搅拌摩擦焊相一致的搅拌工具进行点焊接，焊点处留有与搅拌摩擦摩擦焊相同的“匙孔”；(2)回填式搅拌摩擦点焊，搅拌针与轴肩相分离，焊接过程中搅拌针与轴肩沿轴向有相对运动，其相对

4、运动形式又分为两种，一种是搅拌针扎人被焊材料，轴肩回抽，另一种是轴肩扎入被焊材料，搅拌针回抽，但不管那种形式，焊接结束时搅拌针与轴肩都将运动至被焊材料表面，从而形成无“匙孑L”的焊点；(3)复合搅拌摩擦点焊，同样采用与搅拌摩擦焊相类似的搅拌工具，与常规搅拌摩擦点焊所不同的是，焊接过程中搅拌工具除自转外还要完成圆周轨迹的运动，相当于完成一个半径1mm圆周轨迹的搅拌摩擦焊，最终形成所谓的点连接。由于常规搅拌摩擦点焊工艺简单，接头性能相对较为稳定，因此形s眦川咖。。。。哪特种加工成了良好的工程应用，但常规搅拌摩擦点焊的一些局限性也逐步凸显出来。例如，焊接过程中

5、由于搅拌针的扎入而导致大量被焊材料挤出

6、l”；焊接终了搅拌针从焊接工件中拔出形成“匙孔”，一方面影响工件表面形貌，另一方面严重影响接头性能。在航空航天飞行器制造中，常规搅拌摩擦点焊要实现“以焊代铆”还存在一定的挑战，尤其是在飞机薄壁铝合金结构制造中(如0．5—2．5mm厚度的飞机机身蒙皮结构)。对于薄壁铝合金结构，如果只利用焊接工具的轴肩和工件表面进行摩擦就能实现焊接，则可以大幅度降低类似结构的焊接难度、提升接头成形质量和生产效率。在此基础上，国内外学者纷纷开展了无针搅拌摩擦点焊，国内称之为塑流摩擦点焊的研究。国外无针搅拌摩擦点焊技术研究现状日本Hita

7、chi公司的KinvaAota等针对0．5mm厚SPCC低碳钢开展了无针搅拌摩擦点焊试验研究ll2。，从图l中接头上表面形貌可以推断其搅拌工具端面为同心圆环槽结构。KinvaAota等采用镀镍层对接示踪法研究了无针搅拌摩擦点焊塑性金属流动行为，研究结果认为，无针搅拌摩擦点焊接头中塑流区深度不超过0．5mm。通过焊接过程温度测量及接头微观组织分析后认为，由于没有搅拌针介人，焊接过程完全依赖无针搅拌摩擦工具与工件上表面的摩擦以及顶锻压力来实现，因此接头微观组织主要受到焊接过程峰值温度影响，而与无针搅拌摩擦工具端面所形成的搅拌作用完全无关，并由此认为无针搅拌摩

8、擦点焊材料连接过程与扩散焊相类似。可以认为，KinyaAota等所采用的无针搅拌摩擦工具端面形貌并未达到焊接最佳效果，因此限制了其塑流区深度。KinvaAota等还报道了0．5mm厚Alloo—H24纯铝与sPcC低碳钢之间的异种材料无针搅拌摩擦点焊I”】。该研究工作获得了不同压人量及驻留时间对接头性能的影响，以及塑性金属流动特征。研究表明，只有当扎入深度超过0．1mm时才有可能形成有效连接，但扎入深度和驻留时间过大时，上层铝合金材料的过度流失将导致接头性能下降。此外，KinvaAota等还采用球形端面的无针搅拌摩擦工具开展了0．5mm厚A1100一H2

9、4纯铝搭接焊”41，该方法消除了搅拌针，但球形端面使得部分端面被插入到被焊材料中