一文讓你徹底明白攪拌摩擦焊

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攪拌摩擦焊原理
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攪拌摩擦焊方法與常規摩擦焊一樣。攪拌摩擦焊也是利用摩擦熱與塑性變形熱作為焊接熱源。不同之處在于攪拌摩擦焊焊接過程是由一個圓柱體或其他形狀(如帶螺紋圓柱體)的攪拌針(welding pin)伸入工件的接縫處，通過焊頭的高速旋轉，使其與焊接工件材料摩擦，從而使連接部位的材料溫度升高軟化。同時對材料進行攪拌摩擦來完成焊接的。
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焊接過程如圖所示。在焊接過程中工件要剛性固定在背墊上，焊頭邊高速旋轉，邊沿工件的接縫與工件相對移動。焊頭的突出段伸進材料內部進行摩擦和攪拌，焊頭的肩部與工件表面摩擦生熱，并用于防止塑性狀態材料的溢出，同時可以起到清除表面氧化膜的作用。
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在焊接過程中，攪拌針在旋轉的同時伸入工件的接縫中，旋轉攪拌頭(主要是軸肩)與工件之間的摩擦熱，使焊頭前面的材料發生強烈塑性變形，然后隨著焊頭的移動，高度塑性變形的材料逐漸沉積在攪拌頭的背后，從而形成攪拌摩擦焊焊縫。攪拌摩擦焊對設備的要求并不高，最基本的要求是焊頭的旋轉運動和工件的相對運動，即使一臺銑床也可簡單地達到小型平板對接焊的要求。
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( x; {& L: }1 e2 z2 \. p' D但焊接設備及夾具的剛性是極端重要的。攪拌頭一般采用工具鋼制成，焊頭的長度一般比要求焊接的深度稍短。應該指出，攪拌摩擦焊縫結束時在終端留下個匙孔。通常這個匙孔可以切除掉，也可以用其它焊接方法封焊住。針對匙孔問題，已有伸縮式攪拌頭研發成功，焊后不會留下焊接匙孔。
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攪拌摩擦焊焊接過程示意

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攪拌摩擦焊接頭微觀組織
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基于焊縫組織晶粒和析出強化相的微觀結構特點，可以把攪拌摩擦焊焊縫分為4個明顯的區域：焊核區(Stirred或Nugget Zone)、熱力影響區(Thermo-Mechanically Affected Zone，TMAZ)、熱影響區(Heat-Affected Zone，HAZ)以及母材(Base或Parent material)。
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焊核區材料經受的嚴重變形和摩擦熱，由晶粒尺寸為1-15μm不等的細小等軸再結晶組織組成。再結晶組織的內部為低密度的位錯，但也有發現再結晶組織的內部卻有高密度的亞晶界、亞晶和位錯。在鋁合金和其他有些的合金中焊核區可以觀察到類似“洋蔥環”結構。
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在母材和焊核區之間是攪拌摩擦焊特有的熱力影響區。熱力影響區的特征是存在高度變形的結構。焊核區周圍母材晶粒被拉長變形，盡管熱力影響區也經歷了塑性變形，卻由于沒有足夠大的應力，不發生再結晶。在熱力影響區也有強化相的溶解、粗化，這取決與熱力影響區經歷的熱循環強度。熱力影響區晶粒通常由高密度的亞晶界組成。

' X% V1 _& z0 `# k# @) w9 c- M! K; m熱影響區只受熱的影響，保持與母材相同晶粒結構，但是受溫度的影響，晶粒的尺寸有明顯的長大和強化相的粗化，熱影響區所經歷的溫度對其所包含的亞晶影響較小。
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攪拌摩擦焊的優缺點

; y* o2 s2 P3 `0 ]$ w% S由于攪拌摩擦焊過程中熱輸入相對于熔焊過程較小，接頭部位不存在金屬的熔化，是一種固態焊接過程，在合金中保持母材的冶金性能，可以焊接金屬基復合材料、快速凝固材料等采用熔焊會有不良反應的材料。

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其主要優點如下:

3 s1 f' x) {% W; f- c4 B" Q; x. d(1)焊接接頭熱影響區顯微組織變化小.殘余應力比較低，焊接工件不易變形。

(2)能一次完成較長焊縫、大截面、不同位置的焊接接頭高。

(3)操作過程方便實現機械化、自動化，設備簡單，能耗低，功效高，對作業環境要求低。
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( l8 G  V$ V: B: x; l6 }, l(4)無需添加焊絲，焊鋁合金時不需焊前除氧化膜，不需要保護氣體，成本低。

2 b5 P& G7 U$ ]5 d# }(5)可焊熱裂紋敏感的材料，適合異種材料焊接。
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(6)焊接過程安全、無污染、無煙塵、無輻射等。

攪拌摩擦焊也存在一定的缺點:
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, i  i2 n) E: U* x" ~& C焊接工件必須剛性固定，反面應有底板；焊接結束攪拌探頭提出工件時，焊縫端頭形成一個鍵孔，并且難以對焊縫進行修補：工具設計、過程參數和機械性能數據只在有限的合金范圍內可得：在某種情況下，如特殊領域中要考慮腐蝕性能、殘余應力和變形時，性能需進一步提高才可實際應用；對板材進行單道連接時，焊速不是很高：攪拌頭的磨損消耗太快等。

0 Y3 I  N. a  M( t- {$ ?攪拌摩擦焊的缺陷及控制措施
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6 p  @2 I6 k8 L8 L▶表面溝槽　　
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4 u% L8 [4 _, ]) B( C# y5 W表面溝槽又稱犁溝缺陷，它往往出現在焊縫的上表面，偏向于焊縫的前進邊呈溝槽狀。其原因是由于焊縫周圍的熱塑性金屬流動不充分，焊縫的塑性金屬無法充分填充攪拌針行進過程中留下的瞬時空腔，從而在焊縫靠近前進邊的位置形成表面溝槽。　　

* |2 r$ _- N4 L' G1 W* H▶▶控制措施是：增大軸肩直徑，增大壓力，降低焊接速度。
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▶飛邊毛刺　　

飛邊毛刺出現在焊縫的外邊緣，呈波浪形，返回邊的飛邊往往比前進邊大。此種缺陷是由于旋轉速度和焊接速度的匹配不當，在焊接過程中，下壓量過大，會形成大量的飛邊。　　

" Y) ?1 Z' i( e' v▶▶控制措施：優化焊接參數，減少下壓量。

▶表面起皮　　

表面起皮或起絲呈皮狀或絲狀出現在焊縫的表面。該缺陷的產生是大量的金屬摩擦產熱，積累于焊縫的表層金屬，使得表層的局部金屬達到熔化狀態，在焊接過程中逐漸冷卻呈皮狀或絲狀分布于焊縫表面。　　

▶▶控制措施：優化焊接參數，降低轉速，提高焊速。
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2 d* e* L9 s* j3 y▶表面鼓皮　　

% X) c. R- c6 W6 K1 C' v表面鼓皮通常在FSW焊后熱處理之后出現，位于焊縫表面0.3mm以內的雜質鼓包。焊縫鼓包是由于焊縫表面氧化膜夾雜在熱處理過程中由于溫度的升高，雜質物分解膨脹造成。　　

▶▶控制措施：焊前將氧化膜或油污清理干凈。
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▶背部焊瘤　　
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背部焊瘤表現為焊縫別不的金屬向外凸出。形成的原因是由于攪拌針頂部與焊縫底部的間隙過小，或產品裝配時，焊縫底部存在較大間隙，導致焊接過程中，攪拌針的軸向擠壓力擠壓底部的金屬向焊縫底部凸出，呈現焊瘤狀。　　
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9 k. P# H( q6 Z% c0 B9 j3 q▶▶控制措施：保證被焊材料與工裝良好貼合，保證間隙盡量小，稍微減小攪拌針的長度。

攪拌摩擦焊的應用

6 _! ^! w, ~. l攪拌摩擦焊主要是用在熔化溫度較低的有色金屬，如Al、cu等合金。這和攪拌頭的材料選擇及攪拌頭的工作壽命有關。當然，這也和有色金屬熔化焊接相對困難有關，迫使人們在有色金屬焊接時尋找非熔化的焊接方法。對于延性好、容易發生塑性變形的黑色材料，經輔助加熱或利用其超塑性，也有可能實現攪拌摩擦焊，但這就要看熔化焊和攪拌摩擦焊哪個技術經濟指標更合理來決定。
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攪拌摩擦焊在有色金屬的連接中已獲得成功的應用，但由于焊接方法特點的限制，僅限于結構簡單的構件，如平直的結構或圓筒形結構的焊接，而且在焊接過程中工件要有良好的支撐或村墊。原則上，攪拌摩擦焊可進行多種位置焊接，如平焊，立焊，仰焊和俯焊;可完成多種形式的焊接接頭，如對接、角接和搭接接頭，甚至厚度變化的結構和多層材料的連接，也可進行異種金屬材料的焊接。

另外，攪拌摩擦焊作為一種固相焊接方法，焊接前及焊接過程中對環境的污染小。焊前工件無需嚴格的表面清理準備要求，焊接過程中的摩擦和攪拌可以去除焊件表面的氧化膜，焊接過程中也無煙塵和飛濺.同時噪聲低。由于攪拌摩擦焊僅僅是靠焊頭旋轉并移動，逐步實現整條焊縫的焊接，所以比熔化焊甚至常規摩擦焊更節省能源。


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