搅拌摩擦焊技术应用现状与发展趋势

搅拌摩擦焊技术应用现状与发展趋势

杨亚楠，刘振邦，仪家良

（华东交通大学，江西 南昌 330013）

摘 要：文章通过介绍搅拌摩擦焊技术，分析搅拌摩擦焊技术应用，对搅拌摩擦焊技术的发展展开探讨，旨在为如何促进搅拌摩擦焊技术有序健康发展研究适用提供借鉴。

关键词：搅拌摩擦焊技术；合金材料；汽车；轨道

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。

1 搅拌摩擦焊技术概述

1.1 搅拌摩擦焊技

搅拌摩擦焊由英国焊接研究所在上世纪90年代首次提出，其过程原理如图1所示，其通过插入工件接缝内的搅拌针（pin）、轴肩与被焊工件摩擦形成的摩擦热共同作用，致使被焊工件加热到高温塑性状态，这一温度通常不及材料熔点，在熔点的80%～90%范围。基于高速搅拌头作用，在高温塑性状态下的材料受到搅拌、挤压，进一步沿搅拌头自搅拌后推侧（RS）绕过探针至搅拌头搅拌前进侧（AS）尾部[1]。搅拌摩擦焊作为一项固相焊接技术，其焊接过程不存在金属熔化情况，进而有效消除了焊后接头焊缝区无气孔、裂纹等不足。搅拌摩擦焊还是一项纯机械化的焊接技术，其过程是由好比机加工机床运动达成的。焊接过程不受操作人员专业素质影响，人为因素小，焊接接头质量可靠。

图1 搅拌摩擦焊技术原理示意图

1.2 搅拌摩擦焊技术缺陷

（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。

2 搅拌摩擦焊技术应用

2.1 在航空工业中的应用

长时间以来，航空工业都在追求着轻量化的目标，好比飞机机翼、运载火箭燃料贮箱等设备均选取比强度相对高的铝合金材料。对于航空工业而言，波音公司是首家实现实际产品搅拌摩擦焊技术应用的航空航天制造公司，波音公司指出，搅拌摩擦焊技术实现了对熔化焊的有效取代，实现了大规模空间运载工具，好比航天飞机、运载火箭等高强铝合、燃料贮箱的加工制造。在航空工业中，美国月蚀航空公司在搅拌摩擦焊技术研究上收获了可观的成效，他们于上世纪90年代末开启了搅拌摩擦焊技术在飞机制造中的应用研究，且在2002年得到了飞行认证。

2.2 在汽车工业中的应用

进入二十一世纪，TOWER等企业将搅拌摩擦焊技术应用于汽车工业中收获了诸多方面的成功，包括有铝合金车身、汽车悬挂支架、发动机安装支架及轻合金车轮等。同时，TWI与德国宝马公司对搅拌摩擦焊技术在汽车车身制造中的应用展开了一系列研究，包括应用于汽车车轮、底盘、油箱等部件的焊接。在欧洲一些国家，搅拌摩擦焊技术已在铝质汽车零部件制造中得到广泛应用。

2.3 在轨道工业中的应用

在轨道工业中，日本日立公司最早将搅拌摩擦焊技术应用于铝合金车体部件制造焊接中。瑞典萨帕公司、日本轻金属公司已实现了搅拌摩擦焊技术在地铁车辆铝模块化部件焊接中的应用。当今世界，伴随轨道车辆高速安全、轻质降噪等要求的进一步严苛，铝合金车体相关结构材料大规模应用了尤为适用搅拌摩擦焊的大型铝合金中空挤压型材。现阶段，全球大型轨道车辆生产商，包括日立、西门子、阿尔斯通等公司均已广泛推行搅拌摩擦焊技术开展铝合金车体制造。

3 搅拌摩擦焊技术的发展

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：

3.1 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。

3.2 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[2]。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。

3.3 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。

4 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上凸显出明显优势，且在航空、企业、轨道等工业领域得到广泛推广。相关人员务必要清楚认识搅拌摩擦焊技术原理、优势，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。

参考文献：

[1]陈婷.搅拌摩擦焊温度场数值模拟研究[D].东北大学,2012.

[2]陈影.铝合金5083/镁合金AZ31异种金属搅拌摩擦搭接焊及连接机理研究[D].大连交通大学,2012.

中图分类号：P755.1

文献标志码：A

文章编号：2096-2789（2017）02-0057-02

作者简介：杨亚楠（1995-），男，河南商丘人，研究方向：材料成型及控制工程。