攪拌摩擦焊技術(shù)自1991年問世以來就倍受業(yè)界矚目，特別是1996年攪拌摩擦焊被成功應(yīng)用于宇航結(jié)構(gòu)件的焊接以后，在制造業(yè)掀起了技術(shù)研究、發(fā)展和推廣應(yīng)用的熱潮[1-3]。
雙軸肩自適應(yīng)攪拌摩擦焊技術(shù)
攪拌摩擦焊作為一種*的固相連接技術(shù)，已經(jīng)在造船、航空航天、軌道交通等領(lǐng)域獲得了廣泛的 應(yīng)用。但是在一些特殊的加工過程中需要攪拌摩擦焊設(shè)備提供較大的焊接力，同時要求在焊接過程中對待焊零件進行嚴(yán)格裝夾（包括背部的剛性支撐），這給某些特殊結(jié)構(gòu)形式下實施fsw造成了困難，如大直徑火箭貯箱環(huán)縫結(jié)構(gòu)的焊接等。而雙軸肩自適應(yīng)攪拌摩擦焊（self-reactingpin tool，srpt）技術(shù)成功地解決了上述問題。
1 原理
雙軸肩自適應(yīng)攪拌摩擦焊是通過上下軸肩夾持作用加緊工件，下軸肩代替了常規(guī)攪拌摩擦焊的墊板裝置。攪拌針與驅(qū)動裝置及下軸肩相連，這樣既可調(diào)節(jié)加載載荷又可調(diào)整下軸肩的位置。且上軸肩與單獨的驅(qū)動軸相連，這種上下軸肩單獨控制的方式使得自適應(yīng)系統(tǒng)得以實現(xiàn)，并且使上下軸肩的頂鍛力反向相等，整個工件在垂直板件方向所受合力為零。由于srpt采用了兩個軸肩的模式，提高了焊縫背部的熱輸入，可以預(yù)防和降低焊縫背部缺陷。
與常規(guī) fsw 相比，srpt有兩個獨立控制的軸肩；常規(guī)fsw焊件背面需要配套的剛性支撐墊板，而srpt焊件背面則不需要；常規(guī)fsw被焊工件需要嚴(yán)格的裝夾，焊件需要被垂直及側(cè)向壓緊，而 srpt大大簡化了裝夾機構(gòu)；常規(guī)fsw焊縫背部常常是整個焊件的薄弱環(huán)節(jié)，srpt由于下軸肩的產(chǎn)熱減小了從焊縫表面到背部的溫度梯度，降低了焊縫的熱損耗，提高了熱效率，因此可以很好地消除焊縫背部未焊透等缺陷。
2 試驗驗證與工程應(yīng)用
edwards 等[4]成功地應(yīng)用雙軸肩自適應(yīng)攪拌摩擦焊技術(shù)對薄板鋁合金進行了焊接，試驗表明：在薄板焊接領(lǐng)域此技術(shù)可以實現(xiàn)1.8mm及更薄的鋁合金型材的焊接；焊接速度可以達到1m/min以上；對2mm厚a l6061鋁合金的試驗表明，焊縫強度系數(shù)可達88%，而且強度系數(shù)還可以進一步提高。
twi的研究表明[5]：雙軸肩技術(shù)可以在較低的軸向頂鍛力下焊接25mm厚的鋁板；此項技術(shù)可以提供*焊透的焊縫，不會出現(xiàn)未焊透和其他根部缺陷。
復(fù)合熱源攪拌摩擦焊技術(shù)
復(fù)合焊接是指為了滿足材料加工的要求，將2種或2種以上單一焊接方法集于一體，取長補短，從而形成新的、更為*的焊接方法。由于攪拌摩擦焊過程中，焊接熱能主要是攪拌頭與工件間的摩擦產(chǎn)熱及塑性變形產(chǎn)熱，其特殊的產(chǎn)熱方式?jīng)Q定了在焊接高熔點、大厚度合金時焊接速度往往較低。為克服上述不足，焊接工作者們不斷研究開發(fā)出多種 fsw復(fù)合技術(shù)，如以感應(yīng)熱、電阻熱、電弧、激光、等離子弧等做為輔助熱源的復(fù)合攪拌摩擦焊接技術(shù)[6-7]。
但這些方法在實際應(yīng)用中總存在這樣或那樣的缺點，如以感應(yīng)熱為輔助熱源的復(fù)合攪拌摩擦焊接技術(shù)，無法利用感應(yīng)線圈在特定位置上加熱，只適用于導(dǎo)磁性材料。并且感應(yīng)電流可能會橫越焊接路徑形成不良的放電火花等。而以電阻熱為輔助熱源的復(fù)合攪拌摩擦焊接技術(shù)只適用于導(dǎo)電材料，需要對攪拌頭進行特殊處理以避免其導(dǎo)電等。目前上在此領(lǐng)域的研發(fā)工作主要是以激光為輔助熱源的復(fù)合攪拌摩擦焊技術(shù) （laser assisted frictionstir welding，lafsw） 和以等離子弧為輔助熱源的復(fù)合攪拌摩擦焊技術(shù) （plasma arc assisted frictionstir welding，pafsw）[6-8]。
1 以激光為輔助熱源的復(fù)合攪拌摩擦焊技術(shù)
以激光為輔助熱源的復(fù)合攪拌摩擦焊技術(shù)在焊接過程中采用高能激光束預(yù)熱攪拌頭前方待焊接試件。試件在激光的作用下受熱變軟，在隨激光跟進的攪拌頭旋轉(zhuǎn)、摩擦、鍛壓作用下zui終形成牢固的接頭。g .kohn等人發(fā)現(xiàn)通過對激光能量及作用區(qū)域的控制，可以準(zhǔn)確控制焊接熱輸入的大小和工件預(yù)熱區(qū)域的范圍，避免了攪拌頭和夾持裝置受到激光熱能的影響。
由于lafsw采用激光預(yù)熱攪拌摩擦焊跟進焊接的新型模式，使攪拌頭前方工件在攪拌頭到達要焊部位前事先軟化，減少了攪拌工具進給和旋轉(zhuǎn)的阻力，減小了工件的受力，同時可以提高焊接速度。所以這種模式不但可以減小攪拌頭的損耗，也可以簡化工件夾持機構(gòu)或降低工件夾持所需的裝卡力，提高焊接效率。
g. kohn等人[8]對4mm厚的az91 鎂合金板進行了lafsw焊接試驗。攪拌頭軸肩尺寸20mm，圓柱攪拌針直徑9mm，針長4mm。激光束在旋轉(zhuǎn)工具前方被*聚焦成直徑1cm的光點。采用點焊將熱電隅接至試驗試片表面以校正焊件溫度。激光功率設(shè)定為200w，利用此能量將實驗試片加熱至320℃左右。而焊件只用4個螺栓固定在試驗臺上。攪拌頭轉(zhuǎn)速為1700r/min，焊接速度50mm/min。從試驗件焊后宏觀照片看，采用lafsw技術(shù)可以焊接出表面成型良好，且無缺陷的焊縫。lafsw存在的問題是激光在某些反射率高的材料表面會產(chǎn)生反射，激光能的利用率低，造成能源浪費。如果在這些材料表面涂覆防反射材料，會造成工藝上的復(fù)雜。為了減少激光能的反射率，采用在焊縫處開坡口的方法，此方法在一定程度上減少了激光的反射，但是用來填充焊縫的金屬減少了，易形成塌陷。lafsw的研究還有待深入，后續(xù)工作主要集中在針對不同材料找出激光與摩擦焊接參數(shù)的組合參數(shù)；對lafsw的焊接變形進行測量和控制等。
2 以等離子弧為輔助熱源的復(fù)合攪拌摩擦焊技術(shù)
以等離子弧為輔助熱源的復(fù)合攪拌摩擦焊原理與lafsw原理類似，只是預(yù)熱能量的來源不同。焊接時，攪拌頭在電機驅(qū)動下高速旋轉(zhuǎn)并沿待焊工件的對接面壓入待焊工件，當(dāng)攪拌頭的軸肩與待焊工件緊密接觸后，攪拌頭沿對接面向前移動實現(xiàn)焊接，焊接區(qū)域在攪拌頭產(chǎn)生的摩擦熱與等離子弧產(chǎn)生的輔助熱量共同作用下發(fā)生塑化，zui終在攪拌頭后部形成焊縫。
此項技術(shù)由于采用了高能輔助熱源等離子弧與攪拌摩擦焊復(fù)合的方式，大大拓寬了攪拌摩擦焊的適用范圍，減少了攪拌頭的頂鍛力和焊接時向前運動的阻力，大大降低攪拌頭的磨損，提高了攪拌頭的壽命；同時提高了焊接效率，并且為以后航空航天領(lǐng)域?qū)ζ渌呷埸c和高硬度材料的焊接打下基礎(chǔ)。
劉會杰等人[6,9]在國內(nèi)開展了以等離子弧為輔助熱源的攪拌摩擦研究。試驗材料為航天工業(yè)中常用來做為燃料貯箱材料的2219-t6鋁合金。試驗所用的焊接設(shè)備為fsw-3lm-003型攪拌摩擦焊機和plasma fine 15等離子弧焊機。采用機械方法將等離子槍與攪拌摩擦焊機相連，等離子槍與攪拌頭的距離為25mm。
對常規(guī)fsw研究表明[6]，當(dāng)轉(zhuǎn)速為800r/min時，形成無焊接缺陷接頭的zui高焊接速度260mm/min。 zui高抗拉強度可以達到341mpa，是母材強度的82%，接頭全部斷在熱影響區(qū)內(nèi)，斷裂形式為混合斷裂。通過對接頭沉淀相及焊接熱循環(huán)的研究發(fā)現(xiàn)，熱影響區(qū)內(nèi)的θ′相粗化是造成其軟化的主要原因，并且焊速過低會導(dǎo)致θ′相粗化的時間變長，導(dǎo)致力學(xué)性能的降低。因此，為了提高焊接接頭力學(xué)性能，應(yīng)該采用焊接時間較短的焊接規(guī)范。
對以等離子弧為輔助熱源的攪拌摩擦焊的研究表明[6,9]，當(dāng)轉(zhuǎn)速為800r/min時，形成無焊接缺陷接頭的zui高焊接速度為600mm/min，接頭zui高抗拉強度達到360mpa，是母材強度的86%，接頭全部斷在焊核區(qū)內(nèi)，斷口為混合型斷口。通過對焊接熱循環(huán)的研究表明，熱影響區(qū)的高溫保持時間很短，θ′相粗化程度減小。而焊核區(qū)內(nèi)形成粗大的θ相所造成的接頭軟化，并沒有由于晶粒的細化所彌補，形成了接頭中zui薄弱的區(qū)域。
可見此項技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)常用航空航天材料2219-t6鋁合金的可靠連接，在保證了接頭力學(xué)性能的前提下，將焊接速度提高了1倍，這充分說明這一新技術(shù)的可行性，且工藝簡單，易于實現(xiàn)。隨著此項技術(shù)的不斷完善發(fā)展，必將為我國航空航天事業(yè)做出更大的貢獻。
動態(tài)控制低應(yīng)力無變形攪拌摩擦焊技術(shù)
攪拌摩擦焊熱輸入低，較熔焊相比構(gòu)件焊后殘余應(yīng)力低、變形相對較小。但薄壁鋁合金結(jié)構(gòu)攪拌摩擦焊的焊接應(yīng)力與變形問題還是表現(xiàn)得很突出，與工程實際的要求有一定差距。有學(xué)者認(rèn)為fsw焊接殘余應(yīng)力與其他焊接方法得到的接頭殘余應(yīng)力大小類似，縱向殘余應(yīng)力的zui大值接近材料的屈服應(yīng)[10-12]。
北京航空制造工程研究所中國攪拌摩擦焊中心，基于關(guān)橋院士發(fā)明的動態(tài)控制低應(yīng)力無變形（dynamically controlled lowstress no distortion, dc-lsnd）焊接法，設(shè)計開發(fā)了新型的陣列式射流沖擊熱沉裝置，將dc-lsnd技術(shù)應(yīng)用于攪拌摩擦焊過程，達到了控制fsw焊接殘余應(yīng)力和失穩(wěn)變形的目的[13]。
1 原理
dc-lsnd fsw技術(shù)成功地將低應(yīng)力無變形焊接法應(yīng)用于攪拌摩擦焊中，在焊接熱源的適當(dāng)部位，設(shè)置一個能對焊縫局部產(chǎn)生急冷作用的熱沉，與焊接熱源構(gòu)成熱源—熱沉系統(tǒng)，在焊接過程中形成一個畸變的溫度場。雖然此項技術(shù)在開始施焊時同常規(guī) fsw一樣會在焊縫區(qū)產(chǎn)生縮短的不協(xié)調(diào)應(yīng)變，但熱沉的存在使高溫焊縫的熱量向熱沉方向傳導(dǎo)，減少了熱量積累，使高溫區(qū)范圍變窄。同時，由于焊縫受冷急劇收縮，減少了焊縫及其附近區(qū)域金屬在焊接過程中產(chǎn)生的壓縮塑性應(yīng)變。因此，殘余拉應(yīng)力區(qū)域和殘余拉應(yīng)力大小都得到控制，相應(yīng)的焊縫兩側(cè)的殘余壓應(yīng)力也降到較低的水平，從而可以使薄壁構(gòu)件不發(fā)生翹曲失穩(wěn)變形。dc-lsnd fsw設(shè)備主要由壓縮空氣系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和陣列式射流沖擊熱沉組成。熱沉對攪拌頭形成半包圍狀態(tài)，同時焊接前方采用壓縮空氣將多余的冷卻水吹向后方，防止水及雜質(zhì)進入未焊合的焊縫，影響接頭性能[10-13]。
2 技術(shù)特點
dc-lsnd fsw 設(shè)備的核心部分 —— 熱沉系統(tǒng)是依據(jù)陣列式射流沖擊原理設(shè)計而成的。 該熱沉 系統(tǒng)可以根據(jù)fsw焊接過程中各個區(qū)域溫度的分布，設(shè)置不同的微射流孔直徑和分布密度，從而形成不 同的冷卻效果。 熱沉噴嘴還可以根據(jù)需要制作成不同的形狀，結(jié)合不同的微射流沖擊孔的分布形式，主動控制fsw焊接區(qū)域的溫度場和熱彈塑性應(yīng)力應(yīng)變場，從而達到fsw低應(yīng)力無變形的焊接效果。由于采用壓縮空氣將多余的冷卻水吹向攪拌頭的后方，因此避免了冷卻水侵入焊縫。所以此技術(shù)可以在控制焊接變形的同時，可得到成型美觀、性能優(yōu)良的焊縫。
3 試驗驗證
李光等人[13]對5083、6082、2a12 等工程常用鋁合金進行了dc-lsnd fsw 與常規(guī) fsw 焊接對比試驗，dc-lsnd焊接技術(shù)可以有效減小fsw焊接變形，1000mm×100mm×3.5mm 5083鋁合金常規(guī)fsw焊接后局部翹曲變形十分明顯，而dc-lsnd fsw焊后則基本無變形，如圖1。dc-lsndfsw接頭殘余應(yīng)力分布規(guī)律與常規(guī)攪拌摩擦焊接頭殘余應(yīng)力分布類似，但應(yīng)力峰值比常規(guī)焊降低50%以上，殘余拉應(yīng)力分布范圍變窄。
dc-lsndfsw與常規(guī)fsw焊縫氫含量的的對比分析表明，06鋁合金母材中氫含量為0.002350%（相對質(zhì)量分?jǐn)?shù)），常規(guī)fsw焊縫中氫含量為0.002349%，而采用dc-lsnd方法獲得的fsw焊縫中氫含量為0.002350%?？梢?，陣列射流沖擊熱沉系統(tǒng)對攪拌摩擦焊具有較好的工藝適用性，*排除了冷卻水侵入fsw焊縫的可能。接頭力學(xué)性能分析表明，對熱處理不可強化的06-o鋁合金 ,dc-lsnd fsw接頭性能沒有明顯影響；對熱處理可強化的 6082-t6鋁金，接頭拉伸性能較常規(guī)fsw接頭可提高8%左右，且接頭彎曲性能良好，可達到彎曲180°\u26080x裂紋。
dc-lsnd fsw技術(shù)是動態(tài)低應(yīng)力無變形焊接法和陣列式射流沖擊換熱原理在攪拌摩擦焊中的成功應(yīng)用，可謂強強聯(lián)合。其對焊接變形和殘余應(yīng)力的控制效果突出，且工藝適用性好，具有良好的技術(shù)、經(jīng)濟價值和廣闊的應(yīng)用前景。
雙頭攪拌摩擦焊技術(shù)
1 原理
雙頭攪拌摩擦焊（twin-stir™ fsw）采用兩個轉(zhuǎn)動相反的攪拌頭同時進行焊接，由于兩個攪拌頭轉(zhuǎn)動方向相反，產(chǎn)生的工作扭矩因相互抵消而減弱，焊接過程中采用較小的側(cè)向裝夾力就能實現(xiàn)可靠的連接[14-15]。在雙攪拌頭復(fù)雜的機械力和摩擦熱的作用下，塑性金屬的流動、焊接溫度場、應(yīng)力應(yīng)變場都將收到影響，這會對焊件性能產(chǎn)生很大的影響。
2 twin-stirtm fsw的幾種形式及其特點
目前，雙頭攪拌摩擦焊有3種方式[14-15]，分別是：
（1）平行并列式雙頭（parallel twin-stir）攪拌摩擦焊，該方式采用兩個轉(zhuǎn)向相反的攪拌頭，按照平行并列方式排布，一同沿焊接方向移動。這種工藝方法用于焊接搭接接頭，它可以使搭接焊的缺陷出現(xiàn)在兩個焊縫之間。
（2）前后一字排列式雙頭（tandem twin-stir）攪拌摩擦焊，該方式按焊接方向，兩個攪拌頭一前一后排布，轉(zhuǎn)向相反。這種方式適用于所有fsw接頭形式，后面攪拌頭的主要作用在于對前面攪拌頭焊接后的殘留氧化膜進行*破碎，提高了焊接接頭質(zhì)量。
常規(guī)攪拌摩擦焊焊縫經(jīng)過二次焊接（攪拌頭旋向相反），可使氧化膜*破碎彌散分布，而不會損傷接頭的機械性能。采用雙攪拌頭前后一字排列的fsw方法，在前方攪拌頭的作用下，材料已經(jīng)軟化，這樣就降低了對后方跟進的攪拌頭的要求。
（3）前后交錯排列式雙頭（staggered twin-stir）攪拌摩擦焊，該方式沿焊接方向，兩個攪拌頭前后交錯排列，并非與焊縫中心線平行，采用這種方式可以形成更寬的焊縫區(qū)域。兩個攪拌頭重疊區(qū)域的氧化膜將得到更好的破碎和彌散性分布。該方法的突出之處在于第二個攪拌頭位置可調(diào)，可以覆蓋前方攪拌頭的焊接區(qū)域，消除焊縫減薄。且焊縫區(qū)晶粒細化，氧化膜破碎*，呈彌散分布。
3 試驗驗證
twi采用twin-stirtm攪拌頭進行了雙頭攪拌摩擦焊焊接，試驗采用前后一字排列式雙頭攪拌摩擦焊方式焊接6083-t6鋁合金材料。
通過金相分析發(fā)現(xiàn)，前后一字排列式雙頭攪拌摩擦焊接接頭與常規(guī)攪拌摩擦焊焊縫區(qū)域情況類似，焊核區(qū)晶粒細小，但存在少數(shù)表面粉碎氧化物。但在6mm厚6082-t6鋁合金一字排列式雙頭攪拌摩擦焊搭接接頭中，無論前進側(cè)還是后退側(cè)的焊縫區(qū)域殘留氧化物均有所減少，前后交錯排列式雙頭攪拌摩擦焊3mm厚5083-h111鋁合金搭接接頭的金相分析表明，焊接區(qū)域尺寸可達板厚度的4.3倍。
無論是前后排列、平行排列、還是交錯排列式雙頭攪拌摩擦焊，優(yōu)點遠遠大于其不足之處。多頭系統(tǒng)可以確保在較小的扭矩下實現(xiàn)材料的可靠連接。采用前后交錯排列式雙頭攪拌摩擦焊工藝，用于材料加工和搭接焊具有*優(yōu)勢，而且可以在更大的對接間隙下實現(xiàn)對接接頭的可靠連接。
雙頭攪拌摩擦焊的研究剛剛起步，迄今為止，twi采用兩個（或更多）旋向相反的攪拌頭同時焊接，這將會開辟一個新的研究領(lǐng)域。更多攪拌頭同時焊接可以產(chǎn)生更多的熱量，該方法可能成為鋼及其他高溫合金攪拌摩擦焊中的一大優(yōu)勢[14-15]。
結(jié)束語
隨著以上幾種新型攪拌摩擦焊技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，攪拌摩擦焊的發(fā)展空間會得到進一步的拓展，新型攪拌摩擦焊技術(shù)必將推動制造業(yè)更快更好地發(fā)展，同時這些新技術(shù)也必將擁有更廣闊的市場，在不久的將來必將迎來快速的發(fā)展和應(yīng)用的高峰。