回填式搅拌摩擦点焊的研究进展
龙源期刊网 https://www.docsj.com/doc/c412589768.html,
回填式搅拌摩擦点焊的研究进展
作者：石瑶岳玉梅吕赞
来源：《机械制造文摘·焊接分册》2017年第06期
摘要：回填式搅拌摩擦点焊技术（RFSSW）是一种新型的固相点焊技术，它既拥有与搅拌摩擦焊（FSW）相同的效率高、能耗少、易操作和污染少等优点，又可消除匙孔，因此在航空、航天和汽车制造领域中有着广阔的应用前景。自发明以来，回填式搅拌摩擦点焊技术已被应用于各种铝合金、镁合金以及异种材料的焊接。文中综述了回填式搅拌摩擦点焊的研究进展，主要涉及回填式搅拌摩擦点焊的基本原理以及回填式搅拌摩擦点焊接头常见的缺陷、显微组织、力学性能，以及同、异种材料的回填式搅拌摩擦点焊工艺等内容，可对实际工程应用中提高回填式搅拌摩擦点焊接头性能以及合理选择回填式搅拌摩擦点焊工艺参数提供一定的借鉴作用。
关键词：回填式搅拌摩擦点焊；匙孔；铝合金；显微组织；力学性能
中图分类号： TG453
Abstract： Refill friction stir spot welding （RFSSW） is a new solid state spot joining technology. It not only owns the advantages of high efficiency， low energy consumption， easy operation and low contamination like friction stir welding （FSW）， but also can eliminate the keyhole. Hence RFSSW has wide application prospect in aerospace and automobile fields. Since invention， RFSSW has been used to join all kinds of aluminum alloys， magnesium alloys and dissimilar alloys. This paper introduces the research situation of RFSSW， including principle，common defects， microstructure， mechanical properties， similar and dissimilar RFSSW process. This paper helps to improve joint mechanical properties and choosing appropriate welding parameters in actual engineering applications.
Key words： refill friction stir spot welding； keyhole； aluminum alloy； microstructure；mechanical properties
0前言
铝合金因其较高的比强度、较小的密度和良好的耐腐蚀性等优点而被越来越广泛地使用。实际应用中各结构件的复杂性使得铝合金的连接成为一个不可避免的问题[1-2]。然而，传统熔焊方法因铝合金的熔化而常在接头中形成热裂纹、气孔、夹渣、较大残余应力等缺陷使得其不适用与铝及其合金的焊接[3]。搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding， FSW）是英国焊接研究所于1991年发明的一种固相连接技术，其焊接过程中温度峰值一般不超过材料的熔点，因此可避
免绝大多数因材料熔化所导致的缺陷，非常适用于铝合金的焊接。到目前为止，搅拌摩擦焊接头已成功应用于实际生产中[4]。
搅拌摩擦点焊的基本原理
搅拌摩擦点焊的基本原理 1 引言 随着全球资源与环境保护问题的日趋严峻，运载工具的轻量化设计成为汽车、航空航天等制造领域的发展方向。一方面采用铝合金代替传统的钢材料，另一方面通过高效的新型工艺技术提高产品的可靠性并降低产品重量。铝合金作为运载工具的主要制造材料，其主要连接方式是和铆接。在欧洲汽车车体生产中，常用的连接技术是YAG焊接方法，在日本车体制造中常用电阻点焊方法，运载火箭贮箱的制造过程中要大量应用电阻点焊和铆接技术，而航空飞行器的制造过程更需要广泛采用铆接技术。 电阻点焊生产效率高、操作灵活性好，但也存在许多局限性，主要表现在：a．焊接过程需要提供大电流，耗能大；b．铝合金表面氧化膜造成电极寿命明显缩短；C．由于焊接大电流的作用，工件将产生明显的热变形，且焊缝中易出现缺陷和焊点质量不稳定，接头质量差；d．焊接过程中有飞溅，点焊工作环境差。铆接是铝合金构件中一种常用的连接技术，但是采用铆接技术一方面会增加铝合金构件的重量，另一方面在铆接过程中会产生大量的噪音，生产环境恶劣，另外，铆接技术需要在铝合金构件上预开孔，增加了生产成本。因此，研究开发铝合金新的点焊连接技术替代传统的电阻点焊和铆接技术，对扩大铝合金在汽车工业的应用，推动汽车轻量化发展以及提高航空、航天运载能力具有十分重要的意义。 搅拌摩擦点焊(Friction Stir Spot Welding，FSSW)是在“线性”搅拌摩擦焊接基础上，新近研究开发的一种创新的焊接技术。FSSW可以形成点焊的搭接接头，其焊缝外观与通常应用于铝合金构件的电阻点焊类似，因而具有很高的应用价值和研究意义。 2 搅拌摩擦点焊的基本原理 目前，已公开的资料中报道了两种不同的FSSW技术。第一种方法是日本Mazda 汽车公司于1993年发明的搅拌摩擦点焊，基本原理如图1所示。这种搅拌摩擦点焊又称为“带有退出孔的搅拌摩擦点焊”技术，采用的焊接设备与普通搅拌摩擦焊接设备类似，具体的焊接过程可分为3个阶段。 A．压入过程：搅拌头不断旋转，通过施加顶力插入连接工件中，在压力作用下工件与搅拌头之间产生摩擦热，软化周围材料，搅拌头进一步压入工件 B．连接过程：搅拌头完全镶嵌在工件中，保持搅拌头压力并使轴肩接触工件表面，继续旋转一定时间 C．回撤过程：完成连接后搅拌头从工件退出，在点焊缝中心留下典型的退出凹孔。
搅拌摩擦点焊技术简介
综述航天期造技术 搅拌摩擦点焊技术简介 赵衍华张丽娜刘景铎杜岩锋王国庆 （首都航天机械公司，北京１０００７６） 摘要搅拌摩擦点焊（ＦＳＳＷ）是在搅拌摩擦焊的基础上开发的一种新型固相修补焊接技术，具有接头质量高、缺陷少、变形小等优点。详细阐述了搅拌摩擦点焊焊接原理和技 术特点，介绍了国内外研究现状及其在汽车等制造业中的应用，指出搅拌摩擦点焊在运载 工具铝合金结构件制造过程中具有重要意义，是未来铝合金连接技术的发展方向之一。 关键词搅拌摩擦点焊原理铝合金结构件 ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆＦｒｉｃｔｉｏｎＳｔｉｒＳｐｏｔＷｅｌｄｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＺｈａｏＹａｎｈｕａＺｈａｎｇＬｉｎａＬｉｕＪｉｎｇｄｕｏＤｕＹａｎｆｅｎｇＷａｎｇＧｕｏｑｉｎｇ （ＣａｐｉｔａｌＡｅｒｏｓｐａｃｅＭａｃｈｉｎｅｒｙＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００７６） ＡｂｓｔｒａｃｔＦｒｉｃｔｉｏｎｓｔｉｒｓｐｏｔｗｅｌｄｉｎｇ（ＦＳＳＷ）ｉｓａｎｅｗｓｏｌｉｄｓｔａｔｅｊｏｉｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄ，ｗｈｉｃｈｉｓａｖａｒｉａｎｔｏｆｆｒｉｃｔｉｏｎｓｔｉｒｗｅｌｄｉｎｇ．Ｔｈｅｑｕａｌｉｔｙｏｆｔｈｅ ＦＳＳＷｗｅｌｄｉｎｇｊｏｉｎｔｓｉｓｐｅｒｆｅｃｔ，ｄｕｅｔｏｉｔｓｈｉｇｈｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｙ，ａｌｉｔｔｌｅｄｅｆｅｃｔｓａｎｄｓｍａｌｌｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ．ＴｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｔｅｃｈｎｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＦＳＳＷａｒｅｐａｒｔｉｃｕｌａｒｌｙｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｓ觚ｓａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆ ＦＳＳＷａｒｏｕｎｄｔｈｅｗｏｄｄｈａｖｅｂｅｅｎｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｔＯＯ．ＦＳＳＷｉｓａｐｒｏｍｉｓｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒａｌｕｍｉｎｉｕｍａｌｌｏｙｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ，ａｎｄｓｔｕｄｙｉｎｇｔｈｅｎｅｗｗｅｌｄｉｎｇｍｅｔｈｏｄｗｉｌｌｂｅｂｅｎｅｆｉｃｅｎｔｔｏｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｏｆｄｅｌｉｖｅｒｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓｆｒｉｃｔｉｏｎｓｔｉｒｓｐｏｔｗｅｌｄｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｌｕｍｉｎｉｕｍａｌｌｏｙｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ １引言 随着全球资源与环境保护问题的日趋严峻，运载工具的轻量化设计成为汽车、航空航天等制造领域的发展方向。一方面采用铝合金代替传统的钢材料，另一方面通过高效的新型工艺技术提高产品的可靠性并降低产品重量。铝合金作为运载工具的主要制造材料，其主要连接方式是焊接和铆接。在欧洲汽车车体生产中，常用的连接技术是ＹＡＧ激光焊接方法，在日本车体制造中常用电阻点焊方法，运载火箭贮箱的制造过程中要大量应用电阻点焊和铆接技术，而航空飞行器的制造过程更需要广泛采用铆接技术。电阻点焊生产效率高、操作灵活性好，但也存在许多局限性，主要表现在：ａ．焊接过程需要提供大电流，耗能大；ｂ．铝合金表面氧化膜造成电极寿命明显缩短；Ｃ．由于焊接大电流的作用，工件将产生明显的热变形，且焊缝中易出现缺陷和焊点质量不稳定，接头质量差；ｄ．焊接过程中有飞溅，点焊工作环境差。铆接是铝合金构件中一种常用的连接技术，但是采用铆接技术一方面会增加铝合金构件的重量，另一方面在铆接过程中会产生大量的噪音，生产环境恶劣，另外，铆接技术需要在铝合金构件上预开孔，增加了生产成本。因此，研究开发铝合金新的点焊连接技术替代传统的电阻点焊和铆接技术，对扩大铝合金在汽车工业的应用， 作者简介：赵衍华（１９７７－）。博士，高级工程师，材料加工工程专业；研究方向：搅拌摩擦焊、摩擦塞补焊等固相焊。 收稿日期：２００９—０３－１７ 万方数据
回填式搅拌摩擦点焊技术研究新进展
48 航空制造技术·2019年第62卷第12期 回填式搅拌摩擦点焊技术 研究新进展 * 周灿丰，焦向东，高 辉 （北京石油化工学院能源工程先进连接技术北京市高等学校工程研究中心，北京 102617） [摘要] 回填式搅拌摩擦点焊与传统搅拌摩擦点焊相比，焊缝表面平整、焊点中心没有退出凹孔，具有突出的技术优势，在搅拌摩擦焊尾孔修补等场合尤其具有应用前景。对近年来回填式搅拌摩擦点焊技术研究新进展进行了评 述，包括焊接设备开发、焊接过程和成形机理研究、焊缝组织与力学性能分析以及异种材料连接研究，指出焊接机器人、匙孔封闭工艺、焊缝疲劳性能以及铝合金与其他材料之间的连接应该作为重要发展方向。关键词： 回填式搅拌摩擦点焊；匙孔封闭维修；焊缝组织；疲劳DOI:10.16080/j.issn1671–833x.2019.12.048 决了传统搅拌摩擦点焊存在的问题， 国内对回填式搅拌摩擦点焊技术的研究重点还停留在原理、工艺方面，对设备的设计和研究很少，现在应该增加对焊接设备的研究，从而促进该技术在工程领域的应用，推动汽车、航空航天等领域的轻量化发展。 回填式搅拌摩擦点焊（Refill Friction Stir Spot Welding ，RFSSW ）过程如图1所示，大致可以分为4个阶段。第1阶段：夹套固定于上板表面，袖套和搅拌针经过一段时间的旋转摩擦，使材料软化；第2阶段：袖套和搅拌针分别向下和向上运动，塑性化材料在袖套作用下迁移挤入搅拌针向上运动形成的空腔；第3阶段：达到预期扎入深度之后，袖套和搅拌针同时改变运动方向，塑性化材料在袖套作用下挤回空腔；第4阶段：焊接完成、工具撤回。因为与传统搅拌摩擦点焊相比，焊缝表面平整，焊点中心没有退出凹孔，所以成 当今社会在日新月异的飞速发展，节能环保轻量化设计是现在社会发展的主要基调，在航空航天、工业、汽车等行业属于发展的方向。实际生产中使用铝镁合金能够有效减轻设备的重量，是目前轻量化生产的重要方法之一。传统的电阻点焊、铆接焊接的质量不尽如人意，所以说研究开发适用于轻合金点焊技术是非常重要的。搅拌摩擦点焊（Friction Stir Spot Welding ，FSSW ）技术也就因此产生，它是在搅拌摩擦焊（FrictionStir Welding ，FSW ）技术的基础上研究和衍生开发出来的能够适用于轻型合金的新型的焊接技术。原来比较传统的焊接会在焊点的中心留一个匙孔，这样的情况不仅影响外观还会影响其力学性能。而回填式搅拌摩擦点焊的出现成功解 *基金项目：北京市自然科学基金（3122016）；北京市属高等学校长城学者（CIT&TCD20140316）。周灿丰 工学博士，教授，能源工程连接技术研究中心常务副主任，主要从事水下焊接、焊接自动化研究；分别主持国家、北京市自然科学基金项目3项，协助主持国家863项目4项、国防科工委项目1项，并完成横向项目多项；2014年入选北京市属高等学校长城学者，获得省部级科技奖特等奖1项、一等奖1项、二等奖3项、三等奖1项，获发明专利授权8项、实用新型专利授权30项，发表学术论文100余篇，出版学术专著3部。
搅拌摩擦点焊
新型绿色环保焊接技术——搅拌摩擦点焊 摘要 面对节能减排和环境保护要求，一种新型的绿色环保焊接技术——搅拌摩擦点焊技术应运而生，作为在搅拌摩擦焊基础上发展起来的一种新型固相焊接技术，其接头质量高、变形小、焊接质量稳定，并且具有减轻结构重量、降低制造成本及节省能源等一系列优点。本文介绍了搅拌摩擦点焊的固相连接机理，工艺流程，以及技术特点，并举例说明其在汽车工业和航空工业的发展应用状况。 关键词：搅拌摩擦点焊；电阻点焊；铆接；熔焊；车身；航空铝材
目录 目录 摘要 ......................................................................................................................................... I 目录 ........................................................................................................................................ I I 1 绪论 (1) 2 搅拌摩擦点焊的固相连接机理 (2) 2.1 搅拌摩擦焊技术简介 (2) 2.2搅拌摩擦点焊技术介绍 (2) 3 搅拌摩擦点焊的工艺流程 (4) 4 搅拌摩擦点焊的技术特点 (4) 4.1 与电阻点焊（RSW）对比的优点 (4) 4.1.1 生产成本与能源消耗 (4) 4.1.2 接头质量 (5) 4.2 与铆接对比的优点 (6) 4.2.1 生产成本与能源消耗 (6) 4.2.2 接头质量 (6) 5搅拌摩擦点焊在汽车工业和航空工业的应用状况 (7) 5.1 搅拌摩擦点焊在汽车工业的应用状况 (7) 5.2 搅拌摩擦点焊在航空工业的应用状况 (8) 6 全文结论 (9) 参考文献 (9)
回填式搅拌摩擦点焊的研究进展
龙源期刊网 https://www.docsj.com/doc/c412589768.html, 回填式搅拌摩擦点焊的研究进展 作者：石瑶岳玉梅吕赞 来源：《机械制造文摘·焊接分册》2017年第06期 摘要：回填式搅拌摩擦点焊技术（RFSSW）是一种新型的固相点焊技术，它既拥有与搅拌摩擦焊（FSW）相同的效率高、能耗少、易操作和污染少等优点，又可消除匙孔，因此在航空、航天和汽车制造领域中有着广阔的应用前景。自发明以来，回填式搅拌摩擦点焊技术已被应用于各种铝合金、镁合金以及异种材料的焊接。文中综述了回填式搅拌摩擦点焊的研究进展，主要涉及回填式搅拌摩擦点焊的基本原理以及回填式搅拌摩擦点焊接头常见的缺陷、显微组织、力学性能，以及同、异种材料的回填式搅拌摩擦点焊工艺等内容，可对实际工程应用中提高回填式搅拌摩擦点焊接头性能以及合理选择回填式搅拌摩擦点焊工艺参数提供一定的借鉴作用。 关键词：回填式搅拌摩擦点焊；匙孔；铝合金；显微组织；力学性能 中图分类号： TG453 Abstract： Refill friction stir spot welding （RFSSW） is a new solid state spot joining technology. It not only owns the advantages of high efficiency， low energy consumption， easy operation and low contamination like friction stir welding （FSW）， but also can eliminate the keyhole. Hence RFSSW has wide application prospect in aerospace and automobile fields. Since invention， RFSSW has been used to join all kinds of aluminum alloys， magnesium alloys and dissimilar alloys. This paper introduces the research situation of RFSSW， including principle，common defects， microstructure， mechanical properties， similar and dissimilar RFSSW process. This paper helps to improve joint mechanical properties and choosing appropriate welding parameters in actual engineering applications. Key words： refill friction stir spot welding； keyhole； aluminum alloy； microstructure；mechanical properties 0前言 铝合金因其较高的比强度、较小的密度和良好的耐腐蚀性等优点而被越来越广泛地使用。实际应用中各结构件的复杂性使得铝合金的连接成为一个不可避免的问题[1-2]。然而，传统熔焊方法因铝合金的熔化而常在接头中形成热裂纹、气孔、夹渣、较大残余应力等缺陷使得其不适用与铝及其合金的焊接[3]。搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding， FSW）是英国焊接研究所于1991年发明的一种固相连接技术，其焊接过程中温度峰值一般不超过材料的熔点，因此可避 免绝大多数因材料熔化所导致的缺陷，非常适用于铝合金的焊接。到目前为止，搅拌摩擦焊接头已成功应用于实际生产中[4]。
搅拌摩擦点焊在航空领域的应用
搅拌摩擦焊ＦＲｌｃＴ俐ｓＴＩＲｗＥＬＤＩＮＧ 搅拌摩擦点焊在航空领域 的应用 ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＦｒｉｃｔｉｏｎＳｔｉｒＳｐｏｔＷｅｌｄｉｎｇｉｎＡｖｉａｔｉｏｎＩｎｄｕｓｔｒｙ 苎黧量罂管张健董春林李光栾国红 中国搅拌摩擦焊中心“、”一９””３～１、９一 搅拌摩擦点焊作为在搅拌摩擦焊基础上发展起来 的一种新型固相焊接技术，由于其接头质量高、变形小． 焊接质量稳定以及节省能源等一系列优点，在航空结构 制造领域具有不可比拟的优势。 员的重视。然而，对于在航空结构中 广泛应用的２ｘｘｘ和７ｘｘｘ高强铝合 金而言，传统的熔焊工艺很难获得综 合性能优异的可靠连接，所以在航空 结构制造领域传统的熔焊技术并没有 。。 得到广泛应用。搅拌摩擦点焊作为在 ”盂士，２００７年毕业于天津大学材料搅拌摩擦焊基础上发展起来的一种 加工工程专业．现在北京航空制造工程新型固相焊接技术，由于其接头质量 研究所中国搅拌摩擦焊中心工作，主要高、变形小、焊接质量稳定以及节省 竺！翼拌摩擦焊工艺开发和材料焊接性能源等一系列优点，在航空结构制造 能研冤。 领域具有不可比拟的优势。 在航空领域飞行器的结构设计与制造工程中，如何减轻结构重量和降低制造成本已成为航空工业制造领域普遍关注的问题。由于传统的铆接／紧固连接工艺在航空结构制造方面存在一定的局限性，焊接工艺作为结构组装的关键技术就越来越受到航空制造领域工程技术人 ７０航空翩造技术?２００９年第１６期 搅拌摩擦点焊原理 搅拌摩擦点焊采用与搅拌摩擦 焊相同的技术原理，将旋转的搅拌头 插入被焊的２层工件，利用摩擦产 热和搅拌头带动的塑性金属的流动 形成焊点。目前搅拌摩擦点焊主要 分为３种形式：常规ＦＳＳＷ、回填式 ＦＳＳＷ及摆动式ＦＳＳＷ。表ｌ为３ 种搅拌摩擦点焊焊接过程示意图及 得到的焊点成形。其中常规ＦＳＳＷ 焊接过程最简单，由搅拌头旋转、插 入、搅拌和回撤４阶段组成。搅拌头 在不断旋转的过程中，通过施加顶锻 力插入待焊工件中，在压力作用下工 件与搅拌头之间产生摩擦热，使周围 材料软化，继续旋转一定时间完成连 接后，搅拌头从工件中退出，点焊缝 中心会留下匙孔。 回填式ＦＳＳＷ采用了特殊形 式的搅拌头，搅拌针和轴肩可单独 运动，具体焊接过程如下：开始焊接 时，轴肩和搅拌针同时下压，板材表 面由于摩擦而温度升高，接下来轴肩 不断下压，而搅拌针开始回抽，轴肩 向下运动时会推动塑性材料发生相 互搅拌和运动，当下压到下层工件一 定深度后，轴肩向上回抽，同时搅拌 针开始下压，塑性材料进一步进行融