超级军网搅拌摩擦焊助力中国航天更远、更高、更强--搅拌摩擦焊接 ...
来源：百度文库 编辑：超级军网 时间：2024/04/28 11:37:08
1991年,英国焊接研究所（The Welding Institute-TWI）发明了搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding-FSW），这项杰出的焊接技术发明正在为世界制造技术的进步做出贡献。
在国外,搅拌摩擦焊已经在诸多制造领域达到规模化、工业化的应用水平。如在船舶制造领域，在1996年搅拌摩擦焊就在挪威MARINE公司成功地应用在铝合金快速舰船的甲板、侧板等结构件的流水线制造。在轨道车辆制造领域，日本HITACHI公司首先于1997年将搅拌摩擦焊技术应用于列车车体的快速低成本制造，成功实现了大壁板铝合金型材的工业化制造。在世界宇航制造领域，搅拌摩擦焊已经成功代替熔焊实现了大型空间运载工具如运载火箭和航天飞机等的大型高强铝合金燃料贮箱的制造，波音公司的DELTA II型和IV型火箭已经全部实现了搅拌摩擦焊制造，并于1999年首次成功发射升空。2000年世界汽车工业，如美国TOWER汽车公司等就利用搅拌摩擦焊实现了汽车悬挂支架、轻合金车轮、防撞缓冲器、发动机安装支架以及铝合金车身的焊接。2002年8月，美国月蚀航空公司利用FSW技术研制出了全搅拌摩擦焊轻型商用飞机，并且首次试飞成功。
截至2004年9月，全世界约有130家各个行业的公司和大学、研究机构获得了英国焊接研究所授权的搅拌摩擦焊非独占性专利许可。已经有多个国家如：英国、美国、法国、德国、瑞典、日本和中国等, 把搅拌摩擦焊技术扩大应用的同时,在世界范围内申请了与搅拌摩擦焊相关技术的专利.自1997年起平均每年有100～120项搅拌摩擦焊技术专利申请;到2004年底，全世界已经公开的搅拌摩擦焊专利申请达到了1218项。
作为一种新型制造产业,搅拌摩擦焊技术正在世界范围内兴起！
1 搅拌摩擦焊的技术特点
搅拌摩擦焊作为一项新型焊接方法，用很短的时间就完成了从发明到工业化应用的历程。目前,在国际上还没有针对搅拌摩擦焊公布的统一技术术语标准，在搅拌摩擦焊专利许可协会的影响下，业界已经对搅拌摩擦焊方法中所涉及到的通用技术术语进行了定义和认可。图1示出了搅拌摩擦焊所用到的主要描述性术语。
图1 搅拌摩擦焊原理示意与名词术语
搅拌摩擦焊技术所涉及到的主要技术术语定义如下：
搅拌头（Pin tool）－搅拌摩擦焊的施焊工具；
搅拌头轴肩（Tool Shoulder）－搅拌头与工件表面接触的肩台部分；
搅拌针（Tool Pin）－搅拌头插入工件的部分；
前进侧（Advanced Side）－焊接方向与搅拌头轴肩旋转方向一致的焊缝侧面；
回转侧（Retreating Side）－焊接方向与搅拌头轴肩旋转方向相反的焊缝侧面；
轴向压力（Down or Axial Force）-向搅拌头施加的使搅拌针插入工件和保持搅拌头轴肩与工件表面接触的压力；
搅拌摩擦焊是一种在机械力和摩擦热作用下的固相连接方法。如图1所示，搅拌摩擦焊过程中，一个柱形带特殊轴肩和针凸的搅拌头旋转着缓慢插入被焊接工件，搅拌头和被焊接材料之间的摩擦剪切阻力产生了摩擦热，使搅拌头邻近区域的材料热塑化（焊接温度一般不会达到和超过被焊接材料的熔点），当搅拌头旋转着向前移动时，热塑化的金属材料从搅拌头的前沿向后沿转移，并且在搅拌头轴肩与工件表层摩擦产热和锻压共同作用下，形成致密固相连接接头。
搅拌摩擦焊具有适合于自动化和机器人操作的诸多优点，对于有色金属材料（如铝、铜、镁、锌等）的连接,在焊接方法、接头力学性能和生产效率上具有其他焊接方法无可比拟的优越性，它是一种高效、节能、环保型的新型连接技术。
但是搅拌摩擦焊也有其局限性，例如：焊缝末尾通常有匙孔存在（目前已可以实现无孔焊接）； 焊接时的机械力较大，需要焊接设备具有很好的刚性；与弧焊相比,缺少焊接操作的柔性；不能实现添丝焊接。
搅拌摩擦焊对材料的适应性很强，几乎可以焊接所有类型的铝合金材料，由于搅拌摩擦焊接过程较低的焊接温度和较小的热输入，一般搅拌摩擦焊接头具有变形小、接头性能优异等特点;可以焊接目前熔焊“不能焊接”和所谓“难焊”的金属材料如：Al-Cu(2xxx系列) 、Al-Zn(7xxx系列)和Al-Li(如8090、2090 和2195铝合金)等铝合金。
另外，搅拌摩擦焊对于镁合金、锌合金、铜合金、铅合金以及铝基复合材料等材料的板状对接或搭接的连接也是优先选择的焊接方法；目前，搅拌摩擦焊还成功地实现了不锈钢、钛合金甚至高温合金的优质连接。
搅拌摩擦焊可以较容易实现异种材料的连接，例如铝合金和不锈钢的搅拌摩擦焊接，利用搅拌摩擦焊可以较方便的实现铝－钢板材之间的连接和铜铝复合焊接接头。
搅拌摩擦焊发明初期主要解决厚度1.2~6毫米的铝合金板材焊接问题;1996年，用FSW技术解决了6～12毫米的铝、镁、铜合金的连接.1997年实现了12~25毫米厚铝合金板的搅拌摩擦焊，并且在宇航结构件上得到应用.1999年搅拌摩擦焊可以焊接50毫米厚的铜合金及75毫米厚度的铝合金零件和产品.2004年，英国焊接研究所已经能够单道单面实现100毫米厚铝合金板材的搅拌摩擦焊。迄今，在材料的厚度上，单道焊可以实现厚度为0.8~100mm铝合金材料的焊接；双道焊可以焊接180mm厚的对接板材。最近,又开发了可以连接0.4mm铝板的微型搅拌摩擦焊技术.
搅拌摩擦焊是长、直规则焊缝（平板对接和搭接）的理想焊接方法.搅拌摩擦焊也已可以实现2-D、3-D结构的焊接,如筒形零件的环缝和纵缝;可以实现全位置空间焊接，如水平焊、垂直焊、仰焊以及任意位置和角度的轨道焊。图2示出了多种典型的搅拌摩擦焊接头形式，如多层对接、多层搭接、T形接头、V形接头、角接等。
与传统钨极氩弧焊（TIG）和熔化极氩弧焊（MIG）焊接相比较，搅拌摩擦焊在接头力学性能上据有明显的优越性。例如,对于6.4mm厚的2014-T6铝合金，FSW焊接头性能比TIG焊高16％;对于12.7毫米厚的2014-T6铝合金，FSW焊接头性能比TIG焊高22％.搅拌摩擦焊接头性能数据一致性较好，工艺稳定，焊接接头质量容易保证。
图2 搅拌摩擦焊的接头形式
搅拌摩擦焊接头的疲劳性能一般都优于熔焊接头。1996年英国焊接研究所对6mm厚度的2014-T6、 2219-T6、5083-0 和7075-T7351等铝合金进行了搅拌摩擦焊接头的疲劳性能研究，结果表明搅拌摩擦焊接头的疲劳性能优于欧洲弧焊标准（ECCS class B3）。
2 搅拌摩擦焊在国外的发展
搅拌摩擦焊作为一种轻合金材料连接的优选焊接技术，已经从技术研究，迈向高层次的工程化和工业化应用阶段,形成了一个新的产业: 搅拌摩擦焊设备的制造、搅拌摩擦焊产品的加工.如在美国的宇航制造工业、北欧的船舶制造工业、日本的高速列车制造等制造领域，搅拌摩擦焊得到了广泛的应用,均已形成新兴产业。
2.1搅拌摩擦焊在铝合金结构制造中取代传统熔焊
搅拌摩擦焊已成功地实现了铝合金、镁合金构件制造大规模的工业化应用。下面列举一些典型的应用实例。
2.1.1 搅拌摩擦焊在船舶制造工业中的应用
早在1995年，挪威Hydro Marine Aluminium公司就将FSW技术应用于船舶结构件的制造（见图3），采用搅拌摩擦焊技术将普通型材拼接，制造用于造船业的宽幅型材。该焊接设备以及工艺已经获得Det Norske Veritas和Germanischer Lloyd的认可。从1996到1999，已经成功焊接了1700块船舶面板，焊缝总长度超过110km。
在造船领域,搅拌摩擦焊适用面很宽：船甲板、侧板、船头、壳体、船舱防水壁板和地板,船舶的上层铝合金建筑结构,直升飞机起降平台,离岸水上观测站,船舶码头,水下工具和海洋运输工具,帆船的桅杆及结构件,船上制冷设备用的中空挤压铝板等。
图3 挪威Hydro Marine Aluminium采用搅拌摩擦焊技术制造船用宽幅铝合金型材
2.1.2 搅拌摩囘擦焊在航空航天工业中的应用
航空航天飞行器铝合金结构件，如飞机机翼壁板、运载火箭燃料储箱等，选材多为熔焊焊接性较差的2000及7000系列铝合金材料，而搅拌摩囘擦焊可以实现这些系列铝合金的优质连接,国外已经在飞机、火箭等宇航飞行器上得到应用。
采用搅拌摩囘擦焊提高了生产效率，降低了生产成本，对航空航天工业来说有着明显的经济效益。波音公囘司首先在加州的HuntingtonBeach工厂将搅拌摩囘擦焊应用于Delta II运载火箭4.8米高的中间舱段的制囘造（纵缝，厚度22.22毫米 ，2014铝合金），该运载火箭于1999年8月17日成功发射升空。2001年4月7日，“火星探囘索号”发射升空，采用搅拌摩囘擦焊技术，压力贮箱焊缝接头强度提高了30％, 搅拌摩囘擦焊制囘造技术首次在压力结构件上得到可靠地应用。
波音公囘司在阿拉巴马州的Decatur工厂将搅拌摩囘擦焊技术用于制囘造DeltaⅣ运载火箭中心助推器。DeltaⅣ运载火箭贮箱直径为5m,材料改为2219-T87铝合金。到2002年4月为止，搅拌摩囘擦焊已成功焊接了2100m无缺陷焊缝应用于Delta II火箭，1200m无缺陷焊缝应用于Delta IV火箭。采用搅拌摩囘擦焊节约了60％的成本，制囘造周期由23天降低为6天。
欧洲Fokker宇航公囘司将搅拌摩囘擦焊技术用于Ariane 5发动机主承力框的制囘造（图4），承力框的材料为7075-T7351，主体结构由12块整体加工的带翼状加强的平板连接而成，结构制囘造中用搅拌摩囘擦焊代替了螺栓连接，为零件之间的连接和装配提供了较大的裕度，并可减轻结构重量，提高生产效率。
图4 欧洲Fokker Space公囘司采用FSW制囘造Ariane 5发动机主承力框
目前，搅拌摩囘擦焊在飞机制囘造领域的开发和应用还处于验证阶段，主要利囘用FSW实现飞机蒙皮和衍梁、筋条、加强件之间的连接，框架之间的连接、飞机预成型件的安装、飞机壁板和地板的焊接、飞机结构件和蒙皮的在役修理等，这些方面的搅拌摩囘擦焊制囘造已经在军用和民用飞机上得到验证飞行和部分应用。另外波音公囘司还成功地实现了飞机起落架舱门复杂曲线的搅拌摩囘擦焊焊接。
美国Eclipse飞机制囘造公囘司斥资3亿美元用于搅拌摩囘擦焊的飞机制囘造计划，其制囘造的第一架搅拌摩囘擦焊商用喷气客机（Eclipse500）（图5）于2002年8月在美国进行了首飞测试。其机身蒙皮、翼肋、弦状支撑、飞机地板以及结构件的装配等铆接工序均由搅拌摩囘擦焊替代，提高了生产效率、节约了制囘造成本并且减轻了机身重量。
图5 Eclipse 500型商用喷气客机的搅拌摩囘擦焊焊接构件之一
搅拌摩囘擦焊在航空航天业的应用主要在以下几个方面：机翼、机身、尾翼；飞机油箱；飞机外囘挂燃料箱；运载火箭、航天飞机的低温燃料筒；军用和科学研究火箭和导弹；熔焊结构件的修理等。
2.1.3 搅拌摩囘擦焊在轨道交通及陆路交通工业中应用
在轨道交通行业，随着列车速度的不断提高，对列车减轻自重,提高接头强度及结构安全性要求越来越高。高速列车用铝合金挤囘压型材的连接方式，成为了制约发展的主导因素。由于搅拌摩囘擦焊焊接接头强度优于MIG焊焊接接头，并且缺陷率低，节约成本，所以目前高速列车的制囘造,采用搅拌摩囘擦焊技术，已成为主流趋势。在该领域,比较典型的为日本日立公囘司，在做单层和双层挤囘压型材件连接时都采用了搅拌摩囘擦焊技术，用于市郊列车和快速列车车辆的制囘造。
日本轻金属公囘司已将FSW工艺用于地铁车辆，采用这种工艺制囘造的工件长度已经超过了3km，接头质量良好。由住友轻金属公囘司生产的挤囘压型材FSW焊接拼板,用于日本新干线车辆的制囘造（图6左），车辆时速可达285 km/h。
法囘国的Alstom公囘司将搅拌摩囘擦焊应用于列车顶板的连接（图6右）。
图6 左：日本住友轻金属公囘司FSW生产的新干线列车壁板；右：法囘国阿尔斯通FSW制囘造的列车车顶
目前,与轨道车辆相关方面的搅拌摩囘擦焊应用包括：高速列车箱体型材连接；油罐车及货物列车箱体连接；集装箱箱体；铁轨以及地下滚动托盘。
2.1.4 搅拌摩囘擦焊在汽车工业中应用
为了提高运载能力和速度，汽车制囘造呈现出材料多样化、轻量化、高强度囘化的发展趋势，铝合金、镁合金等轻质合金材料所占的比重越来越大，相应的结构以及接头形式都在设法改进。搅拌摩囘擦焊技术的发明恰好满足了这种新材料、新结构对新型连接技术的需求。挪威Hydro公囘司采用搅拌摩囘擦焊技术制囘造汽车轮毂，将铸造或锻造的中心零件与锻铝制囘造的辐条连接起来，以获得良好的载荷传递性能并减轻重量。
美国Tower汽车公囘司采用搅拌摩囘擦焊制囘造汽车用悬挂连接臂,取得了很大经济效益。搅拌摩囘擦焊。另外，该公囘司还将搅拌摩囘擦焊技术用于缝合不等厚板坯料(Tailored welded blanks)的制囘造;采用缝合坯料,在优化结构强度和刚度设计的同时,既大大减少了汽车制囘造中模具的数量,又缩短了工艺流程。
目前搅拌摩囘擦焊在汽车制囘造工业中的应用主要为：发动机引擎和汽车底盘车身支架；汽车轮毂；液压成型管附件；汽车车门预成型件；轿车车体空间框架；卡车车体；载货车的尾部升降平台汽车起重器；汽车燃料箱；旅行车车体；公共汽车和机场运输车；摩托车和自行车框架；铝合金电梯；逃生交通工具；铝合金汽车修理；镁合金和铝合金的连接。
搅拌摩囘擦点焊(FSSW)的研究与技术开发,是汽车制囘造工业中的一个新热点.
2.1.5搅拌摩囘擦焊在其他工业中的应用
搅拌摩囘擦焊成功地解决了轻合金金属的连接难题，在兵器、建筑、电力、能源、家电等工业中的应用也越来越广泛。
如在兵器工业，搅拌摩囘擦焊成功实现了坦囘克、装甲车的主体结构和防护装甲板的制囘造;在建筑行业,搅拌摩囘擦焊在民用建筑工业的应用主要为：铝合金桥梁,铝合金、铜合金、镁合金装饰板,门窗框架,铝合金管线,电厂和化学工厂的铝合金反应器,热交换器,中囘央空调,管状结构件制囘造等。在电力行业,搅拌摩囘擦焊的应用主要为：发动机壳体,电器连接件,电器封装等。在家电行业,,主要应用为：冰箱散热板,厨房电器和设备,“白色”家用物品和工具,天然气、液化气储箱和容器,金属家具等。
铝合金材料由于重量轻、抗腐蚀、易成形等优点受到众多工业制造的青睐，随着这种材料的性能的不断提高，如新型牌号的硬铝、超硬铝等材料的出现，在航空、航天、高速列车、高速舰船等工业制造领域得到了越来越广泛的应用。但是，铝合金材料表面的致密的氧化层以及弧焊过程中较大变形等又限制了这种材料的进一步推广应用。
英国焊接研究所The Welding Institute 发明的搅拌摩擦焊[1]为轻金属材料的连接提供了新的方法和途径。自从搅拌摩擦焊摩擦焊发明以来，搅拌摩擦焊技术得到广泛的关注和深入的研究，特别是针对铝合金材料，世界范围的研究机构、学校以及大公司都对此进行了深入细致的研究和工程应用开发，并且在诸多工业制造领域得到了成功应用。
本文详细介绍了搅拌摩擦焊原理、特点，并且针对铝合金的搅拌摩擦焊特点、性能以及工业应用作了详细的阐述，同时对搅拌摩擦焊在中国市场的发展和应用作了简略介绍和预测。
1 原理
英国焊接研究所 简称TWI 1991 年发明了搅拌摩擦焊技术并对此进行了世界范围的专利保护[2 4]，这种连接技术与传统概念中的摩擦焊方法如图1 所示相似，焊接过程没有被焊材料的熔化，形成的是固相接头。对于铝合金材料要获得高效率、高质量的连续对接和搭接接头的焊接，目前在世界范围内公认搅拌摩擦焊是最具潜力和应用前景的新型连接方法。
旋转摩擦焊
惯性摩擦焊
线性摩擦焊
图 1 传统概念中的摩擦焊
搅拌摩擦焊（简称FSW）是利用一种非耗损的特殊形状的搅拌头，旋转着插入被焊零件，然后沿着被焊零件的待焊界面向前移动，通过搅拌头对材料的搅拌、摩擦，使待焊材料加热至热塑性状态，在搅拌头高速旋转的带动下，处于塑性状态的材料环绕搅拌头由前向后转移，同时结合搅拌头对焊缝金属的挤压作用，在热-机联合作用下材料扩散连接形成致密的金属间固相连接。
搅拌摩擦焊的原理如图 2 所示，其中搅拌头由特殊形状的搅拌指棒和轴肩组成，轴肩的直径大于特形搅拌指棒的直径，在焊接过程中轴肩与被焊材料的表面紧密接触，防止塑化金属材料的挤出和氧化，同时搅拌轴肩还可以提供部分焊接所需要的搅拌摩擦热，搅拌指棒的形状比较特殊，焊接过程中搅拌指棒要旋转着插入被焊材料的结合界面处，并且沿着待焊界面向前移动，对于对接焊缝，搅拌指棒的插入深度一般要略小于被焊材料的厚度。
图 2 搅拌摩擦焊原理示意图
搅拌摩擦焊要求的特殊形状的搅拌指棒一般要用具有良好耐高温力学和物理特性的抗磨损材料制造，对于铝合金等轻型合金材料，在焊接过程中搅拌头的磨损程度很小；焊接过程中，搅拌头对焊接区域的材料具有向下挤压和侧向挤压的倾向，所以被焊工件要夹装背垫和夹紧固定，以便承受搅拌头施加的轴向力纵向力（沿着焊接方向）以及侧向力。经过研究，在对接接头中，由于焊接方法的优越性，搅拌摩擦焊对焊接接头形状、清洁度以及接头装配间隙均有较大的工艺裕度；如搅拌摩擦焊对接焊时在接头间隙为厚度10%的条件下，同样可以得到优良的焊接接头。
2 优点
与普通的摩擦焊相类似，搅拌摩擦焊基于这种连接方法是在被焊材料熔点以下实现固相连接，所以在方法和工艺上具有较多的优越性。例如，搅拌摩擦焊目前可以焊接所有牌号的铝合金，其中包括以前熔焊难以焊接2xxx 系列和7xxx 系列的铝合金，焊接过程中没有弧光、烟尘、飞溅等，针对工业制造领域归纳起来，搅拌摩擦焊主要具有如下方面优越性[5]：
1） 摩擦焊可以降低制造成本--搅拌摩擦焊是一种简单、高效、节能、没有焊接消耗的连接方法。搅拌摩擦焊可以利用现有的通用机床技术（如铣床技术）来实现焊接；搅拌摩擦焊可以节约能源--一台简单的适合于搅拌摩擦焊焊接的设备，对于厚度为12.5mm 的6xxx 系列的铝合金材料的搅拌摩擦焊，单道焊的总功率输入大约为3kW，而且除了搅拌头和电外没有其他消耗；焊接过程不需要填充焊丝和保护气；焊前不需要开坡口和对材料表面的氧化层等作特殊的处理；搅拌摩擦焊是一种纯机械化的焊接技术，易于实现自动化和工业产品的批量化制造；搅拌摩擦焊是一种固相焊接，焊接过程中没有熔化，可以实现全位置焊接。
（2）搅拌摩擦焊为新产品、新结构的设计提供了可能--对于铝合金材料，优良的搅拌摩擦焊固相接头和高可靠性和重复性的焊接过程可以促进现有工业产品的改进以及铝合金材料在其他工业产品中的应用和创新。例如以前熔焊不能连接的热敏感性很强的硬铝、超硬铝等材料可以用搅拌摩擦焊得到可靠连接；搅拌摩擦焊可以提高热处理铝合金的接头强度；搅拌摩擦焊没有气孔出现的可能性；固相联接方法可以防止铝基复合材料等的合金和强化相的析出和破坏；搅拌摩擦焊可以实现铸造/锻压以及铸造/挤压等不同材料状态的焊接；较小的焊接变形可以实现精密铝合金零部件的制造用搅拌摩擦焊实现小尺寸挤压形材的连接可以用来制造大尺寸的船舶夹板、列车壁板、卡车箱体等。
（3）搅拌摩擦焊具有可靠的质量保证--搅拌摩擦焊是一种完全机械化的连接技术，可以实现焊接过程以及焊接能量输入的精确控制。搅拌摩擦焊的焊接质量完全由搅拌头的形状和焊接参数决定，所以可以实现精密的过程监控；由于焊接过程的机械性，所以可以实现焊接参数的数字化输入、控制和纪录；由于搅拌摩擦焊方法的优越性，被焊接工件不需要紧密的接触，对于厚度为12.7mm 的铝合金板材的搅拌摩擦焊，焊缝间隙容差可以为1.25mm[ 5 ]。
（4） 搅拌摩擦焊是一种安全的焊接方法--搅拌摩擦焊是一种机械化的焊接方法，只需要简单的普通机床设备操作防护。与熔焊方法相比，搅拌摩擦焊过程没有飞溅、烟尘、以及弧光辐射等对人体的危害；焊接过程不需要电流、电压的参与，没有高的触电危险等。
3 缺点
随着搅拌摩擦焊技术的研究和发展，搅拌摩擦焊在应用领域的限制得到很好解决，但是尽管搅拌摩擦焊目前可以单道完成厚度为50mm 铝合金材料的焊接，但与某些弧焊技术相比（如薄板的激光焊）焊接速度还相对较慢；另外，基于搅拌摩擦焊本身的特点，被焊零件需要由一定的结构刚性或被牢固固定来实现焊接；焊接结束由于搅拌头的回抽，焊缝的末端留有 “匙孔”，所以必要时，焊接工艺上需要添加“引焊板或出焊板”；搅拌摩擦焊过程中需要对焊缝施加巨大的顶锻压力，这也限制了搅拌摩擦焊技术在机器人等设备上的应用。
1991年,英国焊接研究所（The Welding Institute-TWI）发明了搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding-FSW），这项杰出的焊接技术发明正在为世界制造技术的进步做出贡献。
在国外,搅拌摩擦焊已经在诸多制造领域达到规模化、工业化的应用水平。如在船舶制造领域，在1996年搅拌摩擦焊就在挪威MARINE公司成功地应用在铝合金快速舰船的甲板、侧板等结构件的流水线制造。在轨道车辆制造领域，日本HITACHI公司首先于1997年将搅拌摩擦焊技术应用于列车车体的快速低成本制造，成功实现了大壁板铝合金型材的工业化制造。在世界宇航制造领域，搅拌摩擦焊已经成功代替熔焊实现了大型空间运载工具如运载火箭和航天飞机等的大型高强铝合金燃料贮箱的制造，波音公司的DELTA II型和IV型火箭已经全部实现了搅拌摩擦焊制造，并于1999年首次成功发射升空。2000年世界汽车工业，如美国TOWER汽车公司等就利用搅拌摩擦焊实现了汽车悬挂支架、轻合金车轮、防撞缓冲器、发动机安装支架以及铝合金车身的焊接。2002年8月，美国月蚀航空公司利用FSW技术研制出了全搅拌摩擦焊轻型商用飞机，并且首次试飞成功。
截至2004年9月，全世界约有130家各个行业的公司和大学、研究机构获得了英国焊接研究所授权的搅拌摩擦焊非独占性专利许可。已经有多个国家如：英国、美国、法国、德国、瑞典、日本和中国等, 把搅拌摩擦焊技术扩大应用的同时,在世界范围内申请了与搅拌摩擦焊相关技术的专利.自1997年起平均每年有100～120项搅拌摩擦焊技术专利申请;到2004年底，全世界已经公开的搅拌摩擦焊专利申请达到了1218项。
作为一种新型制造产业,搅拌摩擦焊技术正在世界范围内兴起！
1 搅拌摩擦焊的技术特点
搅拌摩擦焊作为一项新型焊接方法，用很短的时间就完成了从发明到工业化应用的历程。目前,在国际上还没有针对搅拌摩擦焊公布的统一技术术语标准，在搅拌摩擦焊专利许可协会的影响下，业界已经对搅拌摩擦焊方法中所涉及到的通用技术术语进行了定义和认可。图1示出了搅拌摩擦焊所用到的主要描述性术语。
图1 搅拌摩擦焊原理示意与名词术语
搅拌摩擦焊技术所涉及到的主要技术术语定义如下：
搅拌头（Pin tool）－搅拌摩擦焊的施焊工具；
搅拌头轴肩（Tool Shoulder）－搅拌头与工件表面接触的肩台部分；
搅拌针（Tool Pin）－搅拌头插入工件的部分；
前进侧（Advanced Side）－焊接方向与搅拌头轴肩旋转方向一致的焊缝侧面；
回转侧（Retreating Side）－焊接方向与搅拌头轴肩旋转方向相反的焊缝侧面；
轴向压力（Down or Axial Force）-向搅拌头施加的使搅拌针插入工件和保持搅拌头轴肩与工件表面接触的压力；
搅拌摩擦焊是一种在机械力和摩擦热作用下的固相连接方法。如图1所示，搅拌摩擦焊过程中，一个柱形带特殊轴肩和针凸的搅拌头旋转着缓慢插入被焊接工件，搅拌头和被焊接材料之间的摩擦剪切阻力产生了摩擦热，使搅拌头邻近区域的材料热塑化（焊接温度一般不会达到和超过被焊接材料的熔点），当搅拌头旋转着向前移动时，热塑化的金属材料从搅拌头的前沿向后沿转移，并且在搅拌头轴肩与工件表层摩擦产热和锻压共同作用下，形成致密固相连接接头。
搅拌摩擦焊具有适合于自动化和机器人操作的诸多优点，对于有色金属材料（如铝、铜、镁、锌等）的连接,在焊接方法、接头力学性能和生产效率上具有其他焊接方法无可比拟的优越性，它是一种高效、节能、环保型的新型连接技术。
但是搅拌摩擦焊也有其局限性，例如：焊缝末尾通常有匙孔存在（目前已可以实现无孔焊接）； 焊接时的机械力较大，需要焊接设备具有很好的刚性；与弧焊相比,缺少焊接操作的柔性；不能实现添丝焊接。
搅拌摩擦焊对材料的适应性很强，几乎可以焊接所有类型的铝合金材料，由于搅拌摩擦焊接过程较低的焊接温度和较小的热输入，一般搅拌摩擦焊接头具有变形小、接头性能优异等特点;可以焊接目前熔焊“不能焊接”和所谓“难焊”的金属材料如：Al-Cu(2xxx系列) 、Al-Zn(7xxx系列)和Al-Li(如8090、2090 和2195铝合金)等铝合金。
另外，搅拌摩擦焊对于镁合金、锌合金、铜合金、铅合金以及铝基复合材料等材料的板状对接或搭接的连接也是优先选择的焊接方法；目前，搅拌摩擦焊还成功地实现了不锈钢、钛合金甚至高温合金的优质连接。
搅拌摩擦焊可以较容易实现异种材料的连接，例如铝合金和不锈钢的搅拌摩擦焊接，利用搅拌摩擦焊可以较方便的实现铝－钢板材之间的连接和铜铝复合焊接接头。
搅拌摩擦焊发明初期主要解决厚度1.2~6毫米的铝合金板材焊接问题;1996年，用FSW技术解决了6～12毫米的铝、镁、铜合金的连接.1997年实现了12~25毫米厚铝合金板的搅拌摩擦焊，并且在宇航结构件上得到应用.1999年搅拌摩擦焊可以焊接50毫米厚的铜合金及75毫米厚度的铝合金零件和产品.2004年，英国焊接研究所已经能够单道单面实现100毫米厚铝合金板材的搅拌摩擦焊。迄今，在材料的厚度上，单道焊可以实现厚度为0.8~100mm铝合金材料的焊接；双道焊可以焊接180mm厚的对接板材。最近,又开发了可以连接0.4mm铝板的微型搅拌摩擦焊技术.
搅拌摩擦焊是长、直规则焊缝（平板对接和搭接）的理想焊接方法.搅拌摩擦焊也已可以实现2-D、3-D结构的焊接,如筒形零件的环缝和纵缝;可以实现全位置空间焊接，如水平焊、垂直焊、仰焊以及任意位置和角度的轨道焊。图2示出了多种典型的搅拌摩擦焊接头形式，如多层对接、多层搭接、T形接头、V形接头、角接等。
与传统钨极氩弧焊（TIG）和熔化极氩弧焊（MIG）焊接相比较，搅拌摩擦焊在接头力学性能上据有明显的优越性。例如,对于6.4mm厚的2014-T6铝合金，FSW焊接头性能比TIG焊高16％;对于12.7毫米厚的2014-T6铝合金，FSW焊接头性能比TIG焊高22％.搅拌摩擦焊接头性能数据一致性较好，工艺稳定，焊接接头质量容易保证。
图2 搅拌摩擦焊的接头形式
搅拌摩擦焊接头的疲劳性能一般都优于熔焊接头。1996年英国焊接研究所对6mm厚度的2014-T6、 2219-T6、5083-0 和7075-T7351等铝合金进行了搅拌摩擦焊接头的疲劳性能研究，结果表明搅拌摩擦焊接头的疲劳性能优于欧洲弧焊标准（ECCS class B3）。
2 搅拌摩擦焊在国外的发展
搅拌摩擦焊作为一种轻合金材料连接的优选焊接技术，已经从技术研究，迈向高层次的工程化和工业化应用阶段,形成了一个新的产业: 搅拌摩擦焊设备的制造、搅拌摩擦焊产品的加工.如在美国的宇航制造工业、北欧的船舶制造工业、日本的高速列车制造等制造领域，搅拌摩擦焊得到了广泛的应用,均已形成新兴产业。
2.1搅拌摩擦焊在铝合金结构制造中取代传统熔焊
搅拌摩擦焊已成功地实现了铝合金、镁合金构件制造大规模的工业化应用。下面列举一些典型的应用实例。
2.1.1 搅拌摩擦焊在船舶制造工业中的应用
早在1995年，挪威Hydro Marine Aluminium公司就将FSW技术应用于船舶结构件的制造（见图3），采用搅拌摩擦焊技术将普通型材拼接，制造用于造船业的宽幅型材。该焊接设备以及工艺已经获得Det Norske Veritas和Germanischer Lloyd的认可。从1996到1999，已经成功焊接了1700块船舶面板，焊缝总长度超过110km。
在造船领域,搅拌摩擦焊适用面很宽：船甲板、侧板、船头、壳体、船舱防水壁板和地板,船舶的上层铝合金建筑结构,直升飞机起降平台,离岸水上观测站,船舶码头,水下工具和海洋运输工具,帆船的桅杆及结构件,船上制冷设备用的中空挤压铝板等。
图3 挪威Hydro Marine Aluminium采用搅拌摩擦焊技术制造船用宽幅铝合金型材
2.1.2 搅拌摩囘擦焊在航空航天工业中的应用
航空航天飞行器铝合金结构件，如飞机机翼壁板、运载火箭燃料储箱等，选材多为熔焊焊接性较差的2000及7000系列铝合金材料，而搅拌摩囘擦焊可以实现这些系列铝合金的优质连接,国外已经在飞机、火箭等宇航飞行器上得到应用。
采用搅拌摩囘擦焊提高了生产效率，降低了生产成本，对航空航天工业来说有着明显的经济效益。波音公囘司首先在加州的HuntingtonBeach工厂将搅拌摩囘擦焊应用于Delta II运载火箭4.8米高的中间舱段的制囘造（纵缝，厚度22.22毫米 ，2014铝合金），该运载火箭于1999年8月17日成功发射升空。2001年4月7日，“火星探囘索号”发射升空，采用搅拌摩囘擦焊技术，压力贮箱焊缝接头强度提高了30％, 搅拌摩囘擦焊制囘造技术首次在压力结构件上得到可靠地应用。
波音公囘司在阿拉巴马州的Decatur工厂将搅拌摩囘擦焊技术用于制囘造DeltaⅣ运载火箭中心助推器。DeltaⅣ运载火箭贮箱直径为5m,材料改为2219-T87铝合金。到2002年4月为止，搅拌摩囘擦焊已成功焊接了2100m无缺陷焊缝应用于Delta II火箭，1200m无缺陷焊缝应用于Delta IV火箭。采用搅拌摩囘擦焊节约了60％的成本，制囘造周期由23天降低为6天。
欧洲Fokker宇航公囘司将搅拌摩囘擦焊技术用于Ariane 5发动机主承力框的制囘造（图4），承力框的材料为7075-T7351，主体结构由12块整体加工的带翼状加强的平板连接而成，结构制囘造中用搅拌摩囘擦焊代替了螺栓连接，为零件之间的连接和装配提供了较大的裕度，并可减轻结构重量，提高生产效率。
图4 欧洲Fokker Space公囘司采用FSW制囘造Ariane 5发动机主承力框
目前，搅拌摩囘擦焊在飞机制囘造领域的开发和应用还处于验证阶段，主要利囘用FSW实现飞机蒙皮和衍梁、筋条、加强件之间的连接，框架之间的连接、飞机预成型件的安装、飞机壁板和地板的焊接、飞机结构件和蒙皮的在役修理等，这些方面的搅拌摩囘擦焊制囘造已经在军用和民用飞机上得到验证飞行和部分应用。另外波音公囘司还成功地实现了飞机起落架舱门复杂曲线的搅拌摩囘擦焊焊接。
美国Eclipse飞机制囘造公囘司斥资3亿美元用于搅拌摩囘擦焊的飞机制囘造计划，其制囘造的第一架搅拌摩囘擦焊商用喷气客机（Eclipse500）（图5）于2002年8月在美国进行了首飞测试。其机身蒙皮、翼肋、弦状支撑、飞机地板以及结构件的装配等铆接工序均由搅拌摩囘擦焊替代，提高了生产效率、节约了制囘造成本并且减轻了机身重量。
图5 Eclipse 500型商用喷气客机的搅拌摩囘擦焊焊接构件之一
搅拌摩囘擦焊在航空航天业的应用主要在以下几个方面：机翼、机身、尾翼；飞机油箱；飞机外囘挂燃料箱；运载火箭、航天飞机的低温燃料筒；军用和科学研究火箭和导弹；熔焊结构件的修理等。
2.1.3 搅拌摩囘擦焊在轨道交通及陆路交通工业中应用
在轨道交通行业，随着列车速度的不断提高，对列车减轻自重,提高接头强度及结构安全性要求越来越高。高速列车用铝合金挤囘压型材的连接方式，成为了制约发展的主导因素。由于搅拌摩囘擦焊焊接接头强度优于MIG焊焊接接头，并且缺陷率低，节约成本，所以目前高速列车的制囘造,采用搅拌摩囘擦焊技术，已成为主流趋势。在该领域,比较典型的为日本日立公囘司，在做单层和双层挤囘压型材件连接时都采用了搅拌摩囘擦焊技术，用于市郊列车和快速列车车辆的制囘造。
日本轻金属公囘司已将FSW工艺用于地铁车辆，采用这种工艺制囘造的工件长度已经超过了3km，接头质量良好。由住友轻金属公囘司生产的挤囘压型材FSW焊接拼板,用于日本新干线车辆的制囘造（图6左），车辆时速可达285 km/h。
法囘国的Alstom公囘司将搅拌摩囘擦焊应用于列车顶板的连接（图6右）。
图6 左：日本住友轻金属公囘司FSW生产的新干线列车壁板；右：法囘国阿尔斯通FSW制囘造的列车车顶
目前,与轨道车辆相关方面的搅拌摩囘擦焊应用包括：高速列车箱体型材连接；油罐车及货物列车箱体连接；集装箱箱体；铁轨以及地下滚动托盘。
2.1.4 搅拌摩囘擦焊在汽车工业中应用
为了提高运载能力和速度，汽车制囘造呈现出材料多样化、轻量化、高强度囘化的发展趋势，铝合金、镁合金等轻质合金材料所占的比重越来越大，相应的结构以及接头形式都在设法改进。搅拌摩囘擦焊技术的发明恰好满足了这种新材料、新结构对新型连接技术的需求。挪威Hydro公囘司采用搅拌摩囘擦焊技术制囘造汽车轮毂，将铸造或锻造的中心零件与锻铝制囘造的辐条连接起来，以获得良好的载荷传递性能并减轻重量。
美国Tower汽车公囘司采用搅拌摩囘擦焊制囘造汽车用悬挂连接臂,取得了很大经济效益。搅拌摩囘擦焊。另外，该公囘司还将搅拌摩囘擦焊技术用于缝合不等厚板坯料(Tailored welded blanks)的制囘造;采用缝合坯料,在优化结构强度和刚度设计的同时,既大大减少了汽车制囘造中模具的数量,又缩短了工艺流程。
目前搅拌摩囘擦焊在汽车制囘造工业中的应用主要为：发动机引擎和汽车底盘车身支架；汽车轮毂；液压成型管附件；汽车车门预成型件；轿车车体空间框架；卡车车体；载货车的尾部升降平台汽车起重器；汽车燃料箱；旅行车车体；公共汽车和机场运输车；摩托车和自行车框架；铝合金电梯；逃生交通工具；铝合金汽车修理；镁合金和铝合金的连接。
搅拌摩囘擦点焊(FSSW)的研究与技术开发,是汽车制囘造工业中的一个新热点.
2.1.5搅拌摩囘擦焊在其他工业中的应用
搅拌摩囘擦焊成功地解决了轻合金金属的连接难题，在兵器、建筑、电力、能源、家电等工业中的应用也越来越广泛。
如在兵器工业，搅拌摩囘擦焊成功实现了坦囘克、装甲车的主体结构和防护装甲板的制囘造;在建筑行业,搅拌摩囘擦焊在民用建筑工业的应用主要为：铝合金桥梁,铝合金、铜合金、镁合金装饰板,门窗框架,铝合金管线,电厂和化学工厂的铝合金反应器,热交换器,中囘央空调,管状结构件制囘造等。在电力行业,搅拌摩囘擦焊的应用主要为：发动机壳体,电器连接件,电器封装等。在家电行业,,主要应用为：冰箱散热板,厨房电器和设备,“白色”家用物品和工具,天然气、液化气储箱和容器,金属家具等。
铝合金材料由于重量轻、抗腐蚀、易成形等优点受到众多工业制造的青睐，随着这种材料的性能的不断提高，如新型牌号的硬铝、超硬铝等材料的出现，在航空、航天、高速列车、高速舰船等工业制造领域得到了越来越广泛的应用。但是，铝合金材料表面的致密的氧化层以及弧焊过程中较大变形等又限制了这种材料的进一步推广应用。
英国焊接研究所The Welding Institute 发明的搅拌摩擦焊[1]为轻金属材料的连接提供了新的方法和途径。自从搅拌摩擦焊摩擦焊发明以来，搅拌摩擦焊技术得到广泛的关注和深入的研究，特别是针对铝合金材料，世界范围的研究机构、学校以及大公司都对此进行了深入细致的研究和工程应用开发，并且在诸多工业制造领域得到了成功应用。
本文详细介绍了搅拌摩擦焊原理、特点，并且针对铝合金的搅拌摩擦焊特点、性能以及工业应用作了详细的阐述，同时对搅拌摩擦焊在中国市场的发展和应用作了简略介绍和预测。
1 原理
英国焊接研究所 简称TWI 1991 年发明了搅拌摩擦焊技术并对此进行了世界范围的专利保护[2 4]，这种连接技术与传统概念中的摩擦焊方法如图1 所示相似，焊接过程没有被焊材料的熔化，形成的是固相接头。对于铝合金材料要获得高效率、高质量的连续对接和搭接接头的焊接，目前在世界范围内公认搅拌摩擦焊是最具潜力和应用前景的新型连接方法。
旋转摩擦焊
惯性摩擦焊
线性摩擦焊
图 1 传统概念中的摩擦焊
搅拌摩擦焊（简称FSW）是利用一种非耗损的特殊形状的搅拌头，旋转着插入被焊零件，然后沿着被焊零件的待焊界面向前移动，通过搅拌头对材料的搅拌、摩擦，使待焊材料加热至热塑性状态，在搅拌头高速旋转的带动下，处于塑性状态的材料环绕搅拌头由前向后转移，同时结合搅拌头对焊缝金属的挤压作用，在热-机联合作用下材料扩散连接形成致密的金属间固相连接。
搅拌摩擦焊的原理如图 2 所示，其中搅拌头由特殊形状的搅拌指棒和轴肩组成，轴肩的直径大于特形搅拌指棒的直径，在焊接过程中轴肩与被焊材料的表面紧密接触，防止塑化金属材料的挤出和氧化，同时搅拌轴肩还可以提供部分焊接所需要的搅拌摩擦热，搅拌指棒的形状比较特殊，焊接过程中搅拌指棒要旋转着插入被焊材料的结合界面处，并且沿着待焊界面向前移动，对于对接焊缝，搅拌指棒的插入深度一般要略小于被焊材料的厚度。
图 2 搅拌摩擦焊原理示意图
搅拌摩擦焊要求的特殊形状的搅拌指棒一般要用具有良好耐高温力学和物理特性的抗磨损材料制造，对于铝合金等轻型合金材料，在焊接过程中搅拌头的磨损程度很小；焊接过程中，搅拌头对焊接区域的材料具有向下挤压和侧向挤压的倾向，所以被焊工件要夹装背垫和夹紧固定，以便承受搅拌头施加的轴向力纵向力（沿着焊接方向）以及侧向力。经过研究，在对接接头中，由于焊接方法的优越性，搅拌摩擦焊对焊接接头形状、清洁度以及接头装配间隙均有较大的工艺裕度；如搅拌摩擦焊对接焊时在接头间隙为厚度10%的条件下，同样可以得到优良的焊接接头。
2 优点
与普通的摩擦焊相类似，搅拌摩擦焊基于这种连接方法是在被焊材料熔点以下实现固相连接，所以在方法和工艺上具有较多的优越性。例如，搅拌摩擦焊目前可以焊接所有牌号的铝合金，其中包括以前熔焊难以焊接2xxx 系列和7xxx 系列的铝合金，焊接过程中没有弧光、烟尘、飞溅等，针对工业制造领域归纳起来，搅拌摩擦焊主要具有如下方面优越性[5]：
1） 摩擦焊可以降低制造成本--搅拌摩擦焊是一种简单、高效、节能、没有焊接消耗的连接方法。搅拌摩擦焊可以利用现有的通用机床技术（如铣床技术）来实现焊接；搅拌摩擦焊可以节约能源--一台简单的适合于搅拌摩擦焊焊接的设备，对于厚度为12.5mm 的6xxx 系列的铝合金材料的搅拌摩擦焊，单道焊的总功率输入大约为3kW，而且除了搅拌头和电外没有其他消耗；焊接过程不需要填充焊丝和保护气；焊前不需要开坡口和对材料表面的氧化层等作特殊的处理；搅拌摩擦焊是一种纯机械化的焊接技术，易于实现自动化和工业产品的批量化制造；搅拌摩擦焊是一种固相焊接，焊接过程中没有熔化，可以实现全位置焊接。
（2）搅拌摩擦焊为新产品、新结构的设计提供了可能--对于铝合金材料，优良的搅拌摩擦焊固相接头和高可靠性和重复性的焊接过程可以促进现有工业产品的改进以及铝合金材料在其他工业产品中的应用和创新。例如以前熔焊不能连接的热敏感性很强的硬铝、超硬铝等材料可以用搅拌摩擦焊得到可靠连接；搅拌摩擦焊可以提高热处理铝合金的接头强度；搅拌摩擦焊没有气孔出现的可能性；固相联接方法可以防止铝基复合材料等的合金和强化相的析出和破坏；搅拌摩擦焊可以实现铸造/锻压以及铸造/挤压等不同材料状态的焊接；较小的焊接变形可以实现精密铝合金零部件的制造用搅拌摩擦焊实现小尺寸挤压形材的连接可以用来制造大尺寸的船舶夹板、列车壁板、卡车箱体等。
（3）搅拌摩擦焊具有可靠的质量保证--搅拌摩擦焊是一种完全机械化的连接技术，可以实现焊接过程以及焊接能量输入的精确控制。搅拌摩擦焊的焊接质量完全由搅拌头的形状和焊接参数决定，所以可以实现精密的过程监控；由于焊接过程的机械性，所以可以实现焊接参数的数字化输入、控制和纪录；由于搅拌摩擦焊方法的优越性，被焊接工件不需要紧密的接触，对于厚度为12.7mm 的铝合金板材的搅拌摩擦焊，焊缝间隙容差可以为1.25mm[ 5 ]。
（4） 搅拌摩擦焊是一种安全的焊接方法--搅拌摩擦焊是一种机械化的焊接方法，只需要简单的普通机床设备操作防护。与熔焊方法相比，搅拌摩擦焊过程没有飞溅、烟尘、以及弧光辐射等对人体的危害；焊接过程不需要电流、电压的参与，没有高的触电危险等。
3 缺点
随着搅拌摩擦焊技术的研究和发展，搅拌摩擦焊在应用领域的限制得到很好解决，但是尽管搅拌摩擦焊目前可以单道完成厚度为50mm 铝合金材料的焊接，但与某些弧焊技术相比（如薄板的激光焊）焊接速度还相对较慢；另外，基于搅拌摩擦焊本身的特点，被焊零件需要由一定的结构刚性或被牢固固定来实现焊接；焊接结束由于搅拌头的回抽，焊缝的末端留有 “匙孔”，所以必要时，焊接工艺上需要添加“引焊板或出焊板”；搅拌摩擦焊过程中需要对焊缝施加巨大的顶锻压力，这也限制了搅拌摩擦焊技术在机器人等设备上的应用。
4 材料和厚度
从原理上讲，针对一定的材料，只要能够找到这种材料锻压状态下能够有效工作的搅拌头材料和形状，就可以实现搅拌摩擦焊连接。
图3 熔焊和搅拌摩擦焊的铝合金材料可焊性对比[TWI]
如图3 所示，迄今，搅拌摩擦焊已经被证明可以实现所有牌号的铝合金材料如2xxx(Al-Cu), 5xxx(Al-Mg), 6xxx(Al-Mg-Si), 7xxx(Al-Zn) 8xxx(Al- )等以及铝基复合材料的焊接；对于不同制造形态的铝合金，TWI 已经实现了铸材和锻压板材的铝合金焊接如图4 所示。
图4 厚度为6 毫米的锻压铝板与厚度15 毫米铸铝的搅拌摩擦焊
搅拌摩擦焊发明初期，主要是针对厚度为1.2~12.5mm 的铝合金板材进行研究、优化和工程应用开发；随着技术的发展，12.5~25mm 的铝合金板材的搅拌摩擦焊再工业产品中得到了成功应用；目前TWI 可以单面实现厚度为50 毫米的铝合金材料的焊接，双面焊可以焊接70mm 的铝合金板材，图5 示出了TWI 焊接厚度为70mm的搅拌摩擦焊接头。
5 厚度70 毫米的搅拌摩擦焊铝合金接头[TWI]
5 接头性能
搅拌摩擦焊是通过搅拌头对被焊材料的摩擦加热、破碎、搅拌和顶锻等行为的作用，得到了比母材金属还精细的微观晶粒组织可以实现高质量的可靠焊接；图6 示出了一个典型的铝合金搅拌摩擦焊对接接头横截面金相图，从图上可以看出搅拌摩擦焊接头中间包含了一个晶粒非常细小的焊核区域，此区域的金属材料经历了完全再结晶过程，其中椭圆形的“洋葱”环状组织结构是搅拌头的外形以及搅拌头的焊接时的向前移动综合作用的结果；如图6 中b 区所示，在焊核区的外围存在一个热-机影响区，此部分晶粒发生了明显的塑性变形和部分重结晶；C 区为热影响区。材料晶粒长大明显。
图 6 典型的搅拌摩擦焊接头横截面金相图
对于普通条件下（如O状态）的非热处理强化铝合金，通过对焊接参数的优化，搅拌摩擦焊可以得到没有空洞和裂纹的优良焊接接头，接头的拉伸强度一般大于或优于母材，并且断裂一般出现在热影响区和远离焊缝接头的母材上，对于冷作和热处理强化铝合金，可以通过控制搅拌摩擦焊过程中的热输入，特别是控制搅拌摩擦焊接头中硬度和强度最低的热影响区的回火和过时效影响，来提高接头的力学性能指标[ 6 ]，通过对参数的优化和性能比较，尽管许多人认为在实际应用中不切实际，但焊后热处理似乎是最佳选择；尤其对于热处理铝合金以及人工时效铝合金，如 2xxx 和6xxx 系列，通过焊后的时效处理，接头性能可以恢复到母材水平，挪威的Midling O T 研究报道中[ 7 ]提到Al6060 铝合金的搅拌摩擦焊接头时效处理后的T5强度可以达到母材的90%；图7 示出了厚度为6mm 的Al6054 铝合金的搅拌摩擦焊的焊后热处理硬度和母材硬度的对比结果。
图 7 6mm 的6054-T6 铝合金搅拌摩擦焊接头焊后热处理后的硬度指标[
与 TIG 和MIG 等熔焊方法相比较，铝合金材料的搅拌摩擦焊接头的疲劳性能具有明显的优势，这是因为搅拌摩擦焊的焊缝材料经过搅拌头的摩擦、挤压、顶锻得到的，是精细的等轴晶组织，由于焊接过程是在材料的熔点以下温度条件下完成，焊缝组织中没有熔焊经常出现的凝固偏析和凝固缺陷，接头综合性能比熔焊优良的结果。对于不同材料的铝合金如Al2014-T6、Al2219、Al5083-O、Al7075 等的搅拌摩擦焊疲劳性能研究表明（如图8 所示），铝合金材料的搅拌摩擦焊接头的疲劳性能均优于熔焊接头，其中对于Al5083-O 状态的铝合金，搅拌摩擦焊的疲劳性能完全可以达到与母材相同的水平；尽管搅拌摩擦焊一般情况下是单道单面焊来完成焊接，但系列疲劳试验结果表明铝合金的疲劳性能指标远超过工业设计熔焊标准，如：英国的BS 8118 class 35 和熔焊接头的欧洲设计标准ECCS B3。
图 8 铝合金对接搅拌摩擦焊和母材的疲劳性能实验结果比较
6 接头形状
通常搅拌摩擦焊利用平板对接和搭接来完成焊接，迄今，实际上搅拌摩擦焊已经能够实现如图9 所示的多种接头的焊接，如多层对接、多层搭接、T 形接头、V形接头、角接等，并在实际工业制造中得到了应用。
图 9 不同形式的搅拌摩擦焊接头
经过不断的开发研究，针对不同的结构零件，研究人员设计了多种方式的搅拌摩擦焊接头，如图10 所示。
工业生产中，搅拌摩擦焊不仅可以焊接筒形零件的环缝和纵缝，而且考虑搅拌摩擦焊是一个固相连接过程，不受重力影响，所以搅拌摩擦焊可以实现全位置空间焊接，如水平焊、垂直焊、仰焊以及任意位置和角度的轨道焊。
7 搅拌摩擦焊设备
搅拌摩擦焊技术的发展和成熟，促进搅拌摩擦焊设备的设计、制造以及在工业制造领域的生产应用。针对不同的零部件和应用对象，世界范围内的搅拌摩擦焊设备制造商：如ESAB、FSWLI、GEMCOR、GTC、HITAHI、KAWASAKI、MTS、TWI、Danstir、FSL、MTS、 Stirtec、和CFSWC 等，开发研制了系列化的搅拌摩擦焊专用设备，并且在航空、航天、船舶、汽车等制造领域得到应用。
在中国市场（包括香港、澳门和台湾），北京航空制造工程研究所于2002 年4月18 日与英国焊接研究所TWI 正式签署协议，并且双方决定在专利许可和全面技术合作基础上建立中国搅拌摩擦焊中心（China FSW Center）。中国搅拌摩擦焊中心是目前中国地区唯一被授予搅拌摩擦焊设备制造许可的单位，本论文发稿时，中心已经为国内市场完成了3 台商业性质搅拌摩擦焊专用设备的设计工作，如图11 所示，该设备可以焊接壁厚为2-15mm 的铝合金筒形零件，被焊零件的最
小直径为2.2m，焊缝长度可达1.5m，该设备主要由主轴动力单元、液压驱动单元、摆动式焊接夹具、高精度焊接平台、悬臂式移动横梁、友好人机界面控制系统、位置传感控制系统等组成。主要应用对象为航天火箭筒体的搅拌摩擦焊制造。
图 11 中国搅拌摩擦焊中心设计完成的中国第一台搅拌摩擦焊设备
8 工业应用
铝合金的搅拌摩擦焊经历 10 年的研究发展，现在国外已经进入大规模的工业化应用阶段尤其在美国的宇航工业、欧洲的船舶制造工业、日本的高速列车制造等工业制造领域得到了非常成功的应用。
船舶制造和海洋工业：船舶制造和海洋工业是搅拌摩擦焊首先得到商业应用的两个工业领域，主要在如下船舶零部件上得到成功应用：甲板、侧板、防水壁板、和地板；铝合金型材；船体外壳和主体结构件；直升机降落平台；离岸水上观测站；海洋运输结构件；帆船的桅杆及结构件；船用冷冻器中空平板等。
宇航制造工业：目前搅拌摩擦焊在飞机制造领域的开发和应用还处于验证阶段，主要利用FSW 实现飞机蒙皮和衍梁、荆条、加强件之间的连接，框架之间的连接、飞机预成型件的安装、飞机壁板和地板的焊接、飞机结构件和蒙皮的在役修理等。这些方面的搅拌摩擦焊制造已经在军用和民用飞机上得到验证飞行和部分应用。在航天领域，搅拌摩擦焊已经成功应用在火箭和航天飞机助推燃料筒体的纵向对接焊缝和环向搭接接头的焊接。另外搅拌摩擦焊还用来增加商业板材的成型前的可使用尺寸，从而减少超尺寸板材零件的制造成本和费用。总之，搅拌摩擦焊在宇航领域的工业应用范围主要为：机翼、机身、尾翼、飞机油箱；外挂燃料箱；运载火箭、航天飞机的低温燃料筒；军用和科学研究火箭和导弹；熔焊接构件的修理等。
铁路运输工业：利用搅拌摩擦焊技术来制造高速列车已经取得成功，搅拌摩擦焊在列车制造领域的应用主要为：高速列车、轨道货车、地铁车厢和有轨电车、轨道油轮和货物驳船、集装箱体等。
陆路交通工业：目前已经有多家汽车制造公司以及零件供应商就搅拌摩擦焊在汽车上的应用展开研究和开发，已经取得很大成功。随着铝合金结构件在汽车中的应用越来越广泛，搅拌摩擦焊为汽车工业轻合金结构间的制造和使用提供了巨大的可能。目前应用主要为：发动机引擎和汽车底盘和车甚支架、汽车轮鼓液压成型管附件、汽车车门预成型件、车体空间框架、卡车车体、载货车的尾部升降平台、汽车起重器、装甲车的防护甲板、汽车燃料箱、敞篷旅行车、公共汽车和机场运输车、轻合金摩托车和自行车、人工关节和零件、逃生交通工具、镁合金和铝合金的连接。
建筑工业：搅拌摩擦焊在民用建筑工业的应用主要为：铝合金桥梁、铝合金、铜合金、镁合金装饰板、门窗框架铝、合金管线、电厂和化学工厂的铝合金反应器、热交换器、中央空调、管状结构件制造等。
电子工业：电子工业对搅拌摩擦焊的兴趣也在增加，其应用主要表现为：发动机壳体、电器连接件、电器封装等。
其他工业领域：在其他工业领域搅，拌摩擦焊也有较多应用。例如，冰箱冷却板、厨房电器和设备、白色家用物品和工具、天然器、液化气储箱和容器、家庭装饰等。
在中国市场，搅拌摩擦焊技术面对是一个完全崭新的市场，中国搅拌摩擦焊中心的成立标志着搅拌摩擦焊技术的研究开发和工程应用在中国市场的正式开始，是中国焊接技术发展史上新的里程碑。目前，搅拌摩擦焊技术的开发和应用在中国刚刚开始，迄今，已经正式得到中国搅拌摩擦焊中心搅拌摩擦焊专利技术二级许可的单位已有两家：华东船舶工业学院和哈尔滨工业大学。随着人们对搅拌摩擦焊技术认识的提高，预计在不远的将来，铝合金材料的连接将主要由搅拌摩擦焊来完成，尤其在运载火箭、高速铝合金列车、铝合金高速快艇、全铝合金汽车等项目中，搅拌摩擦焊技术将会占到主导地位。
9 结论
（1） 搅拌摩擦焊为铝合金材料的连接提供了新的方法和途径。
（2） 搅拌摩擦焊为新型铝合金工业产品的设计和制造提供了可能。
（3） 搅拌摩擦焊可以焊接所有牌号的铝合金材料。
（4） 搅拌摩擦焊可以简化铝合金材料焊接准备和要求，并且得到优良的焊接接头。
（5） 铝合金使用的优越性和流行性使搅拌摩擦焊技术在中国具有广阔的应用空间。
从原理上讲，针对一定的材料，只要能够找到这种材料锻压状态下能够有效工作的搅拌头材料和形状，就可以实现搅拌摩擦焊连接。
图3 熔焊和搅拌摩擦焊的铝合金材料可焊性对比[TWI]
如图3 所示，迄今，搅拌摩擦焊已经被证明可以实现所有牌号的铝合金材料如2xxx(Al-Cu), 5xxx(Al-Mg), 6xxx(Al-Mg-Si), 7xxx(Al-Zn) 8xxx(Al- )等以及铝基复合材料的焊接；对于不同制造形态的铝合金，TWI 已经实现了铸材和锻压板材的铝合金焊接如图4 所示。
图4 厚度为6 毫米的锻压铝板与厚度15 毫米铸铝的搅拌摩擦焊
搅拌摩擦焊发明初期，主要是针对厚度为1.2~12.5mm 的铝合金板材进行研究、优化和工程应用开发；随着技术的发展，12.5~25mm 的铝合金板材的搅拌摩擦焊再工业产品中得到了成功应用；目前TWI 可以单面实现厚度为50 毫米的铝合金材料的焊接，双面焊可以焊接70mm 的铝合金板材，图5 示出了TWI 焊接厚度为70mm的搅拌摩擦焊接头。
5 厚度70 毫米的搅拌摩擦焊铝合金接头[TWI]
5 接头性能
搅拌摩擦焊是通过搅拌头对被焊材料的摩擦加热、破碎、搅拌和顶锻等行为的作用，得到了比母材金属还精细的微观晶粒组织可以实现高质量的可靠焊接；图6 示出了一个典型的铝合金搅拌摩擦焊对接接头横截面金相图，从图上可以看出搅拌摩擦焊接头中间包含了一个晶粒非常细小的焊核区域，此区域的金属材料经历了完全再结晶过程，其中椭圆形的“洋葱”环状组织结构是搅拌头的外形以及搅拌头的焊接时的向前移动综合作用的结果；如图6 中b 区所示，在焊核区的外围存在一个热-机影响区，此部分晶粒发生了明显的塑性变形和部分重结晶；C 区为热影响区。材料晶粒长大明显。
图 6 典型的搅拌摩擦焊接头横截面金相图
对于普通条件下（如O状态）的非热处理强化铝合金，通过对焊接参数的优化，搅拌摩擦焊可以得到没有空洞和裂纹的优良焊接接头，接头的拉伸强度一般大于或优于母材，并且断裂一般出现在热影响区和远离焊缝接头的母材上，对于冷作和热处理强化铝合金，可以通过控制搅拌摩擦焊过程中的热输入，特别是控制搅拌摩擦焊接头中硬度和强度最低的热影响区的回火和过时效影响，来提高接头的力学性能指标[ 6 ]，通过对参数的优化和性能比较，尽管许多人认为在实际应用中不切实际，但焊后热处理似乎是最佳选择；尤其对于热处理铝合金以及人工时效铝合金，如 2xxx 和6xxx 系列，通过焊后的时效处理，接头性能可以恢复到母材水平，挪威的Midling O T 研究报道中[ 7 ]提到Al6060 铝合金的搅拌摩擦焊接头时效处理后的T5强度可以达到母材的90%；图7 示出了厚度为6mm 的Al6054 铝合金的搅拌摩擦焊的焊后热处理硬度和母材硬度的对比结果。
图 7 6mm 的6054-T6 铝合金搅拌摩擦焊接头焊后热处理后的硬度指标[
与 TIG 和MIG 等熔焊方法相比较，铝合金材料的搅拌摩擦焊接头的疲劳性能具有明显的优势，这是因为搅拌摩擦焊的焊缝材料经过搅拌头的摩擦、挤压、顶锻得到的，是精细的等轴晶组织，由于焊接过程是在材料的熔点以下温度条件下完成，焊缝组织中没有熔焊经常出现的凝固偏析和凝固缺陷，接头综合性能比熔焊优良的结果。对于不同材料的铝合金如Al2014-T6、Al2219、Al5083-O、Al7075 等的搅拌摩擦焊疲劳性能研究表明（如图8 所示），铝合金材料的搅拌摩擦焊接头的疲劳性能均优于熔焊接头，其中对于Al5083-O 状态的铝合金，搅拌摩擦焊的疲劳性能完全可以达到与母材相同的水平；尽管搅拌摩擦焊一般情况下是单道单面焊来完成焊接，但系列疲劳试验结果表明铝合金的疲劳性能指标远超过工业设计熔焊标准，如：英国的BS 8118 class 35 和熔焊接头的欧洲设计标准ECCS B3。
图 8 铝合金对接搅拌摩擦焊和母材的疲劳性能实验结果比较
6 接头形状
通常搅拌摩擦焊利用平板对接和搭接来完成焊接，迄今，实际上搅拌摩擦焊已经能够实现如图9 所示的多种接头的焊接，如多层对接、多层搭接、T 形接头、V形接头、角接等，并在实际工业制造中得到了应用。
图 9 不同形式的搅拌摩擦焊接头
经过不断的开发研究，针对不同的结构零件，研究人员设计了多种方式的搅拌摩擦焊接头，如图10 所示。
工业生产中，搅拌摩擦焊不仅可以焊接筒形零件的环缝和纵缝，而且考虑搅拌摩擦焊是一个固相连接过程，不受重力影响，所以搅拌摩擦焊可以实现全位置空间焊接，如水平焊、垂直焊、仰焊以及任意位置和角度的轨道焊。
7 搅拌摩擦焊设备
搅拌摩擦焊技术的发展和成熟，促进搅拌摩擦焊设备的设计、制造以及在工业制造领域的生产应用。针对不同的零部件和应用对象，世界范围内的搅拌摩擦焊设备制造商：如ESAB、FSWLI、GEMCOR、GTC、HITAHI、KAWASAKI、MTS、TWI、Danstir、FSL、MTS、 Stirtec、和CFSWC 等，开发研制了系列化的搅拌摩擦焊专用设备，并且在航空、航天、船舶、汽车等制造领域得到应用。
在中国市场（包括香港、澳门和台湾），北京航空制造工程研究所于2002 年4月18 日与英国焊接研究所TWI 正式签署协议，并且双方决定在专利许可和全面技术合作基础上建立中国搅拌摩擦焊中心（China FSW Center）。中国搅拌摩擦焊中心是目前中国地区唯一被授予搅拌摩擦焊设备制造许可的单位，本论文发稿时，中心已经为国内市场完成了3 台商业性质搅拌摩擦焊专用设备的设计工作，如图11 所示，该设备可以焊接壁厚为2-15mm 的铝合金筒形零件，被焊零件的最
小直径为2.2m，焊缝长度可达1.5m，该设备主要由主轴动力单元、液压驱动单元、摆动式焊接夹具、高精度焊接平台、悬臂式移动横梁、友好人机界面控制系统、位置传感控制系统等组成。主要应用对象为航天火箭筒体的搅拌摩擦焊制造。
图 11 中国搅拌摩擦焊中心设计完成的中国第一台搅拌摩擦焊设备
8 工业应用
铝合金的搅拌摩擦焊经历 10 年的研究发展，现在国外已经进入大规模的工业化应用阶段尤其在美国的宇航工业、欧洲的船舶制造工业、日本的高速列车制造等工业制造领域得到了非常成功的应用。
船舶制造和海洋工业：船舶制造和海洋工业是搅拌摩擦焊首先得到商业应用的两个工业领域，主要在如下船舶零部件上得到成功应用：甲板、侧板、防水壁板、和地板；铝合金型材；船体外壳和主体结构件；直升机降落平台；离岸水上观测站；海洋运输结构件；帆船的桅杆及结构件；船用冷冻器中空平板等。
宇航制造工业：目前搅拌摩擦焊在飞机制造领域的开发和应用还处于验证阶段，主要利用FSW 实现飞机蒙皮和衍梁、荆条、加强件之间的连接，框架之间的连接、飞机预成型件的安装、飞机壁板和地板的焊接、飞机结构件和蒙皮的在役修理等。这些方面的搅拌摩擦焊制造已经在军用和民用飞机上得到验证飞行和部分应用。在航天领域，搅拌摩擦焊已经成功应用在火箭和航天飞机助推燃料筒体的纵向对接焊缝和环向搭接接头的焊接。另外搅拌摩擦焊还用来增加商业板材的成型前的可使用尺寸，从而减少超尺寸板材零件的制造成本和费用。总之，搅拌摩擦焊在宇航领域的工业应用范围主要为：机翼、机身、尾翼、飞机油箱；外挂燃料箱；运载火箭、航天飞机的低温燃料筒；军用和科学研究火箭和导弹；熔焊接构件的修理等。
铁路运输工业：利用搅拌摩擦焊技术来制造高速列车已经取得成功，搅拌摩擦焊在列车制造领域的应用主要为：高速列车、轨道货车、地铁车厢和有轨电车、轨道油轮和货物驳船、集装箱体等。
陆路交通工业：目前已经有多家汽车制造公司以及零件供应商就搅拌摩擦焊在汽车上的应用展开研究和开发，已经取得很大成功。随着铝合金结构件在汽车中的应用越来越广泛，搅拌摩擦焊为汽车工业轻合金结构间的制造和使用提供了巨大的可能。目前应用主要为：发动机引擎和汽车底盘和车甚支架、汽车轮鼓液压成型管附件、汽车车门预成型件、车体空间框架、卡车车体、载货车的尾部升降平台、汽车起重器、装甲车的防护甲板、汽车燃料箱、敞篷旅行车、公共汽车和机场运输车、轻合金摩托车和自行车、人工关节和零件、逃生交通工具、镁合金和铝合金的连接。
建筑工业：搅拌摩擦焊在民用建筑工业的应用主要为：铝合金桥梁、铝合金、铜合金、镁合金装饰板、门窗框架铝、合金管线、电厂和化学工厂的铝合金反应器、热交换器、中央空调、管状结构件制造等。
电子工业：电子工业对搅拌摩擦焊的兴趣也在增加，其应用主要表现为：发动机壳体、电器连接件、电器封装等。
其他工业领域：在其他工业领域搅，拌摩擦焊也有较多应用。例如，冰箱冷却板、厨房电器和设备、白色家用物品和工具、天然器、液化气储箱和容器、家庭装饰等。
在中国市场，搅拌摩擦焊技术面对是一个完全崭新的市场，中国搅拌摩擦焊中心的成立标志着搅拌摩擦焊技术的研究开发和工程应用在中国市场的正式开始，是中国焊接技术发展史上新的里程碑。目前，搅拌摩擦焊技术的开发和应用在中国刚刚开始，迄今，已经正式得到中国搅拌摩擦焊中心搅拌摩擦焊专利技术二级许可的单位已有两家：华东船舶工业学院和哈尔滨工业大学。随着人们对搅拌摩擦焊技术认识的提高，预计在不远的将来，铝合金材料的连接将主要由搅拌摩擦焊来完成，尤其在运载火箭、高速铝合金列车、铝合金高速快艇、全铝合金汽车等项目中，搅拌摩擦焊技术将会占到主导地位。
9 结论
（1） 搅拌摩擦焊为铝合金材料的连接提供了新的方法和途径。
（2） 搅拌摩擦焊为新型铝合金工业产品的设计和制造提供了可能。
（3） 搅拌摩擦焊可以焊接所有牌号的铝合金材料。
（4） 搅拌摩擦焊可以简化铝合金材料焊接准备和要求，并且得到优良的焊接接头。
（5） 铝合金使用的优越性和流行性使搅拌摩擦焊技术在中国具有广阔的应用空间。
运载火箭贮箱常用的材料是比强度高、比刚度高的铝合金，如2014，2219和7075 铝合金。现在，运载火箭贮箱又采用性能更好的2195铝锂合金。在航天产品中，特别是在制 造运载火箭贮箱中，焊接工艺是一项关键的制囘造技术。熔焊技术如气体钨极电弧焊(GTAW )和气体金属电弧焊(GMAW)自20世纪50年代起，在雷神、宇宙神、大力神、土星和德尔它 系列运载火箭贮箱的制囘造中使用了几十年，从焊接设备、焊接材料、焊接工艺等方面作了大量的研究工作，满足了焊接质量的需要。同时，为了进步焊接质量和降低本钱，20世纪80年代美国又采 用了变极性等离子弧焊(VPPA)焊机，并配备了先进的计算机控囘制系统，代替了GTAW和GMAW ，焊接了2219-T87铝合金制的航天飞机外贮箱，使焊接工艺在贮箱的制囘造中向前迈进了一 大步。迄今为止，固然焊接质量有所进步，焊接时间有所缩短，但仍不能彻底解决焊缝及近缝区的裂纹和减少焊接气孔等缺陷题目。1991年英国剑桥大学焊接研究所(T囘WI)发明了搅 拌摩囘擦焊接(FSW)。这种焊接技术焊接的铝合金变形小、冶金和力学性能高、本钱低和焊接时间短。
搅拌摩囘擦焊接
摩囘擦焊接技术有40余年的历囘史，在压力作用下与待焊接界面摩囘擦，使其界面及四周温度升 高，界面的氧化膜破碎，材料呈塑性状态，通过界面的扩散及再结晶反应而实现固态焊接。 它可以焊接相同或不同的金属材料，甚至是难以焊接的金属基复合材料、陶瓷材料和塑料。
1991年，T囘WI研究所利囘用相互摩囘擦产生热量的原理，发明了FSW(见图1)。待焊接的对接或搭接件放置于垫板上，并被夹井，用圆形夹持器上的特型指棒对工件旋囘转。 焊接时边旋囘转，边插囘进焊接接头中，当它与工件相接囘触时，摩囘擦热迅速加热接囘触的材料，夹持器沿着缝隙向前行走,并在作用囘力下使特型指棒挤囘压接囘触材料，使材料成为塑性状态，特型指棒向前行走时，受到挤囘压的塑性材料受到搅拌，由前向后活动，待夹持器移走后，塑性材料冷却，形成固态焊接。
图1 FSW焊接原理图
1—工件或待焊接材料；2—夹持器；3—特型指棒；4—垫板。
图1中的特型指棒是用比被焊接材料硬的工具钢、高速钢或陶瓷材料做成的，其长度稍低于工件深度。
挪威在世界上最早用FSW焊接技术焊接过6 mm×16 m2的6068-T6铝合金船面板和20 m长的铝合金制的快艇，焊接总长达10 000 m。瑞士也研制出FSW焊机。为了加速FSW焊 接技术在产业上的应用，1995年国际合作公囘司赞助了一项计划，由T囘WI研究所牵头继续研究FSW，并用FSW焊接2000系(AlCu)、5000系(AlMg)、6000系(AlMgSi)等铝合金，并均获得满足的焊接质量。T囘WI研究所、美国爱迪生焊接研究所(EWI)等部分，除了研究用FSW焊接铝合金外，还研究用它焊接玄色金属及其它金属。美国的航空航天产业部分对F SW开展了更多的应用性研究，如洛马公囘司、波音公囘司投进了大量的研制经费，仅花在FSW 焊接工艺和设备研制上的用度就达1500万美元，成功地焊接了德尔它Ⅱ～Ⅳ的运载火箭贮箱 。
1995年T囘WI研究所在FSW基础上又开发了摩囘擦塞焊(FPW)，2000年洛马公囘司利囘用FPW，解 决了航天飞机2195铝锂合金外贮箱焊接后难以补焊的题目，进一步进步了焊接产品的质量和 可靠性。
由于FSW是在比被焊合金材料熔点温度低的条件下完成的固态连接，所以金属材料没有熔化，焊接收缩变形小和力学性能损失低，与传统的GMAW和GTAW熔焊技术焊接铝合金相比，有着突出的优点：
a)不需要氩、氦保护气体和填充材料，焊接时不需要控囘制焊接电流和电弧电压参数，节省了大量材料的消耗。
b)焊前不需要对被焊接材料和焊丝仔细清理、酸洗、打磨和烘干等，不必对被焊接材料机械加工开剖口，节省了很多操纵时间。
c)焊工不要求有高的操纵技术。
d)焊接能量效率高，单层焊接6000系铝合金可达12.7 mm厚度，因此适合于自动 化生产。
e)不存在铝合金焊接主要缺陷，即裂纹敏感性题目，因此，轻易焊接难以焊接的铝合金材料，如7075铝合金。
f)由于FSW可以保持合金的冶金性能，所以可焊接金属基复合材料和快速凝固材料。
g)采用最佳的焊接参数，可以获得无气孔的焊缝。
h)可以焊接异种金属，如铸造和挤囘压、铸造和铸造材料等。
i)用FSW可以焊接很多通常不能够焊接的长而大的横截面零件。
J)焊接大尺寸挤囘压件变形很小。
k)焊接前工件装配要求低，待焊接表面根囘部不必紧配合，根囘部装配间隙答应公差低， 1.6 mm厚薄板根囘部装配间隙为0.2 mm，12.7 mm厚板为1.25mm。
l) 焊接时不产生任何有害的烟雾气体，减少了对人囘体危害。
铝合金焊接
FSW是一项适合于焊接铝合金的新技术。由于它是固态焊接，与熔焊铝合金技术相比，具有3个主要优点：
a)固态连接消除了与熔焊有关的裂纹，即液化或固化裂纹。在最佳焊接条件下完全消除气孔。
b)不存在焊缝金属蒸发产生的合金元素损失，焊缝合金元素得到保存，因此焊接质量得到保证。
c)由于焊接工具对材料产生的碾压、搅拌和铸造作用，可得到比基体金属更为细小的再结晶组织，焊缝金属强度超过了焊接热影响区材料的强度。
用于运载火箭贮箱的材料2014-T6高强度铝合金(中国牌号为LD10)是比较难焊接的金属材料，其焊接热裂纹倾向性高，焊接接头强度系数为0.5左右，塑性不高，延伸率仅2%～3 %，补焊性能差。FSW焊接后的接头弯曲试样证实：接头塑性明显进步，弯曲角达180°，拉伸试样均断在焊缝金属外的热影响区。2014-O状态拉伸试样破坏均断在基体金属(见图2～3 )。与熔焊接头相比，FSW焊接接头 的抗拉强度高30%～50%，焊接接头的强度系数达0.7，断裂韧性进步，疲惫性能与铆接 的相同。2519-T87高强度铝合金有优异的冲击性能，用于海军先进的水陆两用攻击型战车，但用普通熔焊时，焊接接头塑性低，不能通过必须的冲击验收试验，经FSW焊接后的焊接接头比熔焊接头塑性进步，强度相同(见表1)，成功地通过了弹道冲击试验。2195-T8铝锂合 金采用FSW焊接，焊接接头力学性能比VPPA焊接接头力学性能高得多(见表2)。
图2 用FSW焊接的2014-T6铝合金接头弯曲和拉伸试样
图3 用FSW焊接的5083-O铝合金接头弯曲和拉伸试样
表1 用FSW焊接2519-T87拉伸试样力学性能
注：试样尺寸305 mm×305 mm×31.8 mm，每组数据为4个试样测试。
表2 用FSW和VPPA焊接2195-T8板的两种接头力学性能比较
注： 板材厚度8mm，延伸率是在50.4 mm长试样上测试结果。低温为液氮 温度(-253°C)。
应用情况
FSW发展很快，已有10年。自从1995年以来，欧洲、美国和日本等一些国家对FSW开展了应用性研究，特别是美国航空航天产业部分高度重视该技术，并用它 成功地焊接了以往难以焊接的7075铝合金低温燃料贮箱，其力学性能很好。5454铝合金焊接后有很好的抗腐蚀性。
波音公司自1960年以来共生产了265枚德尔它系列运载火箭。德尔它Ⅱ运载火箭贮箱与德尔它Ⅲ的相同，LO2箱长12 m，燃料箱长8.4 m，级间段长4.8 m，直径2.4 m，由 3块22.22 mm厚的2014-T6铝合金焊接成圆筒壳段。先机械加工网格结构面板，然后弯曲成形，焊前48 h酸洗，往掉氧化物，再放进GMAW自动焊机，从里面平焊3条纵向焊缝，构成圆筒，焊接后从内、外两面机加工往掉焊缝余高，并100% X光和着色检验。面临贸易卫星发射任务的不断增加，公司要求一年生产95台的德尔Ⅳ运载火箭贮箱。针对日益繁重的生产任务和世界发射市场的竞争，为了降低本钱，节省经费，公司将长期使用的成熟的 GM AW焊接改为FSW焊接。1999年初，公司在加州的Huntington Beach工厂用FSW焊接生产了德 尔它Ⅱ 和Ⅲ运载火箭的贮箱，2001年用FSW焊接生产了德尔它Ⅳ运载火箭的贮箱。将应用FSW技术与 GMAW技术的情况列于表3。
表3 FSW与GMAW焊接贮箱比较
第1台SuperStir FSW焊机带有计算机控制，是由瑞典ESAB公司制造的，安置在波音公司加州Huntington Beach工厂。工厂用此焊机焊接了大量的航空航天产业用的铝合金并进行试验 。1998年，工厂又装备了比SuperStir更大的FSW焊机，焊机长19.5 m，焊接长度为15.3 m，采取闭环反馈控制和电视摄像实时监控或录像带监控，观察焊接情况，可焊接的贮箱圆 筒直径为2～6m，单层焊接材料最大厚度为25.4mm。
德尔它Ⅳ运载火箭贮箱直径为5 m，是德尔它Ⅱ和Ⅲ的两倍多，采用材料改为2219-T87 铝合金，在阿拉巴马州的Decatur工厂生产。全部纵向焊缝用FSW焊接，焊接时背面必须加垫板 。每个FSW焊接小组由5人组成，3人负责装配，1人负责焊接，1人为工程师，全面负责。环向焊缝暂时还用VPPA焊接。焊接工艺与德尔它Ⅱ和Ⅲ贮箱制造工艺相同。Decatur工厂垂直 焊接德尔它Ⅳ，占地面积小。目前Decatur工厂有3台FSW带超声检验的焊机。为了节省本钱，现正在研究全部用FSW代替VPPA焊接贮箱圆筒壳段与圆筒壳段的环焊缝，底盖与圆筒相连 接的环焊缝。为此，该厂与洛克威尔公司和TWI研究所签定了3年的合同，研究用FSW焊接整个贮箱 ，进行贮箱焊后打压试验以及在其它方面的应用。
洛-马公司制造航天飞机外贮箱的Michoud工厂历来重视利用新焊接方法进步产品质量；过往用GTAW焊接2219-T87铝合金贮箱，目前用VPPA和GTAW方法焊接2195铝锂合金外贮箱。 同时也用FSW方法，利用现有工装设备，成功焊接厚度16～20 mm，直径2 m以上，长4.57 m 的2195-T7铝锂合金贮箱圆筒壳段，预计将会采用FSW代替VPPA和GTAW方法焊接2195-T7铝锂 合金制的航天飞机外贮箱。
当前各国都在研究不同铝合金，不同接头外形的焊接(见图4)，着手建立材料焊接力学性能数据库，建立飞机和航天产业用铝合金焊接标准，并将FSW应用扩大到汽车、造船 、铁路 、建筑、压力容器等部分。同时研究熔点高的钛合金材料，包括金属基材料在内的泡沫铝合金材料的焊接。
图4 FSW各种焊接接头外形
a—普通对接焊接；b—对接和搭接焊接；c—单层搭接焊接；d—多层搭接焊接；
e—3个工件T形接头焊接；f—两个工件T形接头焊接； g—边对接焊接；h—角焊接
FSW焊接主要依靠设备完成，研究的重点是夹持器和特型指棒。研究证实：工具的外形决定了焊缝金属塑性加热、热塑性材料的活动和铸造形式；夹持器的尺寸决定了焊缝 的尺寸、焊接速度；工具材料决定了摩擦加热速度、夹持器的强度、工件温度；所以，夹持器决定了焊缝的终极质量。在各国的专利中，为了焊接出最好的力学性能和冶金性能、完全 无气孔、光滑表面的焊缝，对各种各样的特型指棒的外形分别作了研究(见图5)；对圆柱形夹持器的直径2rs、几何外形、焊接速度ω、向下的作用力F以及 焊接材料厚度W(见图6)的最佳配合作了研究，得出了以下结论：
图5 研究的各种各样的特型指棒外形
图6 FSW焊接示意图
R—圆柱形夹持器表面的凹面半径；rs—圆柱形夹持器的半径；t—夹持器轴肩切进焊接材料的厚度；
1—特型指棒；2—圆柱形夹持器。
a)作用在特型指棒上的F和ω有最佳关系，它取决于被焊接材料和夹持器的几何外形等；
b)特型指棒直径减少可增加ω，对接头质量有利。
c) 2rs从20 mm减少到10 mm，焊接3 mm厚的6082平板铝合金挤压件时，ω可以 从0.3 mm/s增加到0.8 mm/s，并得到无气孔、较窄的热影响区焊缝。
d)W与rs的关系式为
结束语
FSW是一种最新的非常适合于焊接铝合金的工艺技术，具有焊接变形小、质量高和本钱低等优点。固然发展时间不长，在运载火箭贮箱制造等领域已经获得应用，并在进一步 扩大。由于这种焊接工艺在航空航天产业部分的重要性，又极具潜力，目前关键性的焊接规范参数和工具技术还处于保密阶段。我国应要尽早开展 FSW在航天产业上的研究，用于高强度铝合金制造的产品中。
搅拌摩囘擦焊接
摩囘擦焊接技术有40余年的历囘史，在压力作用下与待焊接界面摩囘擦，使其界面及四周温度升 高，界面的氧化膜破碎，材料呈塑性状态，通过界面的扩散及再结晶反应而实现固态焊接。 它可以焊接相同或不同的金属材料，甚至是难以焊接的金属基复合材料、陶瓷材料和塑料。
1991年，T囘WI研究所利囘用相互摩囘擦产生热量的原理，发明了FSW(见图1)。待焊接的对接或搭接件放置于垫板上，并被夹井，用圆形夹持器上的特型指棒对工件旋囘转。 焊接时边旋囘转，边插囘进焊接接头中，当它与工件相接囘触时，摩囘擦热迅速加热接囘触的材料，夹持器沿着缝隙向前行走,并在作用囘力下使特型指棒挤囘压接囘触材料，使材料成为塑性状态，特型指棒向前行走时，受到挤囘压的塑性材料受到搅拌，由前向后活动，待夹持器移走后，塑性材料冷却，形成固态焊接。
图1 FSW焊接原理图
1—工件或待焊接材料；2—夹持器；3—特型指棒；4—垫板。
图1中的特型指棒是用比被焊接材料硬的工具钢、高速钢或陶瓷材料做成的，其长度稍低于工件深度。
挪威在世界上最早用FSW焊接技术焊接过6 mm×16 m2的6068-T6铝合金船面板和20 m长的铝合金制的快艇，焊接总长达10 000 m。瑞士也研制出FSW焊机。为了加速FSW焊 接技术在产业上的应用，1995年国际合作公囘司赞助了一项计划，由T囘WI研究所牵头继续研究FSW，并用FSW焊接2000系(AlCu)、5000系(AlMg)、6000系(AlMgSi)等铝合金，并均获得满足的焊接质量。T囘WI研究所、美国爱迪生焊接研究所(EWI)等部分，除了研究用FSW焊接铝合金外，还研究用它焊接玄色金属及其它金属。美国的航空航天产业部分对F SW开展了更多的应用性研究，如洛马公囘司、波音公囘司投进了大量的研制经费，仅花在FSW 焊接工艺和设备研制上的用度就达1500万美元，成功地焊接了德尔它Ⅱ～Ⅳ的运载火箭贮箱 。
1995年T囘WI研究所在FSW基础上又开发了摩囘擦塞焊(FPW)，2000年洛马公囘司利囘用FPW，解 决了航天飞机2195铝锂合金外贮箱焊接后难以补焊的题目，进一步进步了焊接产品的质量和 可靠性。
由于FSW是在比被焊合金材料熔点温度低的条件下完成的固态连接，所以金属材料没有熔化，焊接收缩变形小和力学性能损失低，与传统的GMAW和GTAW熔焊技术焊接铝合金相比，有着突出的优点：
a)不需要氩、氦保护气体和填充材料，焊接时不需要控囘制焊接电流和电弧电压参数，节省了大量材料的消耗。
b)焊前不需要对被焊接材料和焊丝仔细清理、酸洗、打磨和烘干等，不必对被焊接材料机械加工开剖口，节省了很多操纵时间。
c)焊工不要求有高的操纵技术。
d)焊接能量效率高，单层焊接6000系铝合金可达12.7 mm厚度，因此适合于自动 化生产。
e)不存在铝合金焊接主要缺陷，即裂纹敏感性题目，因此，轻易焊接难以焊接的铝合金材料，如7075铝合金。
f)由于FSW可以保持合金的冶金性能，所以可焊接金属基复合材料和快速凝固材料。
g)采用最佳的焊接参数，可以获得无气孔的焊缝。
h)可以焊接异种金属，如铸造和挤囘压、铸造和铸造材料等。
i)用FSW可以焊接很多通常不能够焊接的长而大的横截面零件。
J)焊接大尺寸挤囘压件变形很小。
k)焊接前工件装配要求低，待焊接表面根囘部不必紧配合，根囘部装配间隙答应公差低， 1.6 mm厚薄板根囘部装配间隙为0.2 mm，12.7 mm厚板为1.25mm。
l) 焊接时不产生任何有害的烟雾气体，减少了对人囘体危害。
铝合金焊接
FSW是一项适合于焊接铝合金的新技术。由于它是固态焊接，与熔焊铝合金技术相比，具有3个主要优点：
a)固态连接消除了与熔焊有关的裂纹，即液化或固化裂纹。在最佳焊接条件下完全消除气孔。
b)不存在焊缝金属蒸发产生的合金元素损失，焊缝合金元素得到保存，因此焊接质量得到保证。
c)由于焊接工具对材料产生的碾压、搅拌和铸造作用，可得到比基体金属更为细小的再结晶组织，焊缝金属强度超过了焊接热影响区材料的强度。
用于运载火箭贮箱的材料2014-T6高强度铝合金(中国牌号为LD10)是比较难焊接的金属材料，其焊接热裂纹倾向性高，焊接接头强度系数为0.5左右，塑性不高，延伸率仅2%～3 %，补焊性能差。FSW焊接后的接头弯曲试样证实：接头塑性明显进步，弯曲角达180°，拉伸试样均断在焊缝金属外的热影响区。2014-O状态拉伸试样破坏均断在基体金属(见图2～3 )。与熔焊接头相比，FSW焊接接头 的抗拉强度高30%～50%，焊接接头的强度系数达0.7，断裂韧性进步，疲惫性能与铆接 的相同。2519-T87高强度铝合金有优异的冲击性能，用于海军先进的水陆两用攻击型战车，但用普通熔焊时，焊接接头塑性低，不能通过必须的冲击验收试验，经FSW焊接后的焊接接头比熔焊接头塑性进步，强度相同(见表1)，成功地通过了弹道冲击试验。2195-T8铝锂合 金采用FSW焊接，焊接接头力学性能比VPPA焊接接头力学性能高得多(见表2)。
图2 用FSW焊接的2014-T6铝合金接头弯曲和拉伸试样
图3 用FSW焊接的5083-O铝合金接头弯曲和拉伸试样
表1 用FSW焊接2519-T87拉伸试样力学性能
注：试样尺寸305 mm×305 mm×31.8 mm，每组数据为4个试样测试。
表2 用FSW和VPPA焊接2195-T8板的两种接头力学性能比较
注： 板材厚度8mm，延伸率是在50.4 mm长试样上测试结果。低温为液氮 温度(-253°C)。
应用情况
FSW发展很快，已有10年。自从1995年以来，欧洲、美国和日本等一些国家对FSW开展了应用性研究，特别是美国航空航天产业部分高度重视该技术，并用它 成功地焊接了以往难以焊接的7075铝合金低温燃料贮箱，其力学性能很好。5454铝合金焊接后有很好的抗腐蚀性。
波音公司自1960年以来共生产了265枚德尔它系列运载火箭。德尔它Ⅱ运载火箭贮箱与德尔它Ⅲ的相同，LO2箱长12 m，燃料箱长8.4 m，级间段长4.8 m，直径2.4 m，由 3块22.22 mm厚的2014-T6铝合金焊接成圆筒壳段。先机械加工网格结构面板，然后弯曲成形，焊前48 h酸洗，往掉氧化物，再放进GMAW自动焊机，从里面平焊3条纵向焊缝，构成圆筒，焊接后从内、外两面机加工往掉焊缝余高，并100% X光和着色检验。面临贸易卫星发射任务的不断增加，公司要求一年生产95台的德尔Ⅳ运载火箭贮箱。针对日益繁重的生产任务和世界发射市场的竞争，为了降低本钱，节省经费，公司将长期使用的成熟的 GM AW焊接改为FSW焊接。1999年初，公司在加州的Huntington Beach工厂用FSW焊接生产了德 尔它Ⅱ 和Ⅲ运载火箭的贮箱，2001年用FSW焊接生产了德尔它Ⅳ运载火箭的贮箱。将应用FSW技术与 GMAW技术的情况列于表3。
表3 FSW与GMAW焊接贮箱比较
第1台SuperStir FSW焊机带有计算机控制，是由瑞典ESAB公司制造的，安置在波音公司加州Huntington Beach工厂。工厂用此焊机焊接了大量的航空航天产业用的铝合金并进行试验 。1998年，工厂又装备了比SuperStir更大的FSW焊机，焊机长19.5 m，焊接长度为15.3 m，采取闭环反馈控制和电视摄像实时监控或录像带监控，观察焊接情况，可焊接的贮箱圆 筒直径为2～6m，单层焊接材料最大厚度为25.4mm。
德尔它Ⅳ运载火箭贮箱直径为5 m，是德尔它Ⅱ和Ⅲ的两倍多，采用材料改为2219-T87 铝合金，在阿拉巴马州的Decatur工厂生产。全部纵向焊缝用FSW焊接，焊接时背面必须加垫板 。每个FSW焊接小组由5人组成，3人负责装配，1人负责焊接，1人为工程师，全面负责。环向焊缝暂时还用VPPA焊接。焊接工艺与德尔它Ⅱ和Ⅲ贮箱制造工艺相同。Decatur工厂垂直 焊接德尔它Ⅳ，占地面积小。目前Decatur工厂有3台FSW带超声检验的焊机。为了节省本钱，现正在研究全部用FSW代替VPPA焊接贮箱圆筒壳段与圆筒壳段的环焊缝，底盖与圆筒相连 接的环焊缝。为此，该厂与洛克威尔公司和TWI研究所签定了3年的合同，研究用FSW焊接整个贮箱 ，进行贮箱焊后打压试验以及在其它方面的应用。
洛-马公司制造航天飞机外贮箱的Michoud工厂历来重视利用新焊接方法进步产品质量；过往用GTAW焊接2219-T87铝合金贮箱，目前用VPPA和GTAW方法焊接2195铝锂合金外贮箱。 同时也用FSW方法，利用现有工装设备，成功焊接厚度16～20 mm，直径2 m以上，长4.57 m 的2195-T7铝锂合金贮箱圆筒壳段，预计将会采用FSW代替VPPA和GTAW方法焊接2195-T7铝锂 合金制的航天飞机外贮箱。
当前各国都在研究不同铝合金，不同接头外形的焊接(见图4)，着手建立材料焊接力学性能数据库，建立飞机和航天产业用铝合金焊接标准，并将FSW应用扩大到汽车、造船 、铁路 、建筑、压力容器等部分。同时研究熔点高的钛合金材料，包括金属基材料在内的泡沫铝合金材料的焊接。
图4 FSW各种焊接接头外形
a—普通对接焊接；b—对接和搭接焊接；c—单层搭接焊接；d—多层搭接焊接；
e—3个工件T形接头焊接；f—两个工件T形接头焊接； g—边对接焊接；h—角焊接
FSW焊接主要依靠设备完成，研究的重点是夹持器和特型指棒。研究证实：工具的外形决定了焊缝金属塑性加热、热塑性材料的活动和铸造形式；夹持器的尺寸决定了焊缝 的尺寸、焊接速度；工具材料决定了摩擦加热速度、夹持器的强度、工件温度；所以，夹持器决定了焊缝的终极质量。在各国的专利中，为了焊接出最好的力学性能和冶金性能、完全 无气孔、光滑表面的焊缝，对各种各样的特型指棒的外形分别作了研究(见图5)；对圆柱形夹持器的直径2rs、几何外形、焊接速度ω、向下的作用力F以及 焊接材料厚度W(见图6)的最佳配合作了研究，得出了以下结论：
图5 研究的各种各样的特型指棒外形
图6 FSW焊接示意图
R—圆柱形夹持器表面的凹面半径；rs—圆柱形夹持器的半径；t—夹持器轴肩切进焊接材料的厚度；
1—特型指棒；2—圆柱形夹持器。
a)作用在特型指棒上的F和ω有最佳关系，它取决于被焊接材料和夹持器的几何外形等；
b)特型指棒直径减少可增加ω，对接头质量有利。
c) 2rs从20 mm减少到10 mm，焊接3 mm厚的6082平板铝合金挤压件时，ω可以 从0.3 mm/s增加到0.8 mm/s，并得到无气孔、较窄的热影响区焊缝。
d)W与rs的关系式为
结束语
FSW是一种最新的非常适合于焊接铝合金的工艺技术，具有焊接变形小、质量高和本钱低等优点。固然发展时间不长，在运载火箭贮箱制造等领域已经获得应用，并在进一步 扩大。由于这种焊接工艺在航空航天产业部分的重要性，又极具潜力，目前关键性的焊接规范参数和工具技术还处于保密阶段。我国应要尽早开展 FSW在航天产业上的研究，用于高强度铝合金制造的产品中。
1991年，搅拌摩擦焊技术在英国焊接研究所（TWI）诞生之后，很快在世界航天领域得到了推广和应用。1995年波音公司就装备了第一台火箭燃料贮箱筒段纵缝搅拌摩擦焊设备，并将其用于一台熔焊焊接有缺陷的火箭燃料贮箱筒段的修补，1997年成功发射。目前，包括波音公司、洛克希德·马丁公司、欧洲宇航局以及三菱重工等均已将搅拌摩擦焊技术作为贮箱类结构的核心焊接技术，基本替代了氩弧焊、变极性等离子弧焊等熔焊技术，已经实现了包括筒段纵缝、箱底曲线焊缝以及对接环缝在内的全结构搅拌摩擦焊接。
2002年，搅拌摩擦焊正式登陆中国，同时也与中国航天结下了不解之缘——小到战术武器、大到火箭贮箱等均将焊接工艺逐渐转向了搅拌摩擦焊，目前已完成了多个项号的试制和开发。作为国内搅拌摩擦焊技术的开拓者和奠基者，北京赛福斯特技术有限公司（中国搅拌摩擦焊中心）以实际行动回报了国内航天领域各兄弟企业的信任和支持，开发了一系列搅拌摩擦焊专机设备和配套工装，并对相关零件的搅拌摩擦焊接工艺开发提供了重要的技术支持。
2002年，搅拌摩擦焊正式登陆中国，同时也与中国航天结下了不解之缘——小到战术武器、大到火箭贮箱等均将焊接工艺逐渐转向了搅拌摩擦焊，目前已完成了多个项号的试制和开发。作为国内搅拌摩擦焊技术的开拓者和奠基者，北京赛福斯特技术有限公司（中国搅拌摩擦焊中心）以实际行动回报了国内航天领域各兄弟企业的信任和支持，开发了一系列搅拌摩擦焊专机设备和配套工装，并对相关零件的搅拌摩擦焊接工艺开发提供了重要的技术支持。
支持技术帖！
原理上看，用于大型构件的摩擦焊设备是否特别占地方？
原理上看，用于大型构件的摩擦焊设备是否特别占地方？
薄壁筒段——立式纵缝
北京赛福斯特技术有限公司于2001年获得总装预先研究课题和国防基础研究课题的支持，与国内某航天企业一起开展了火箭燃料贮箱筒段纵缝的搅拌摩擦焊技术研究，研制了卧式搅拌摩擦焊设备，并结合贮箱结构的设计要求对搅拌摩擦焊接筒段模拟件进行了试验考核。
卧式FSW设备
北京赛福斯特技术有限公司于2001年获得总装预先研究课题和国防基础研究课题的支持，与国内某航天企业一起开展了火箭燃料贮箱筒段纵缝的搅拌摩擦焊技术研究，研制了卧式搅拌摩擦焊设备，并结合贮箱结构的设计要求对搅拌摩擦焊接筒段模拟件进行了试验考核。
卧式FSW设备
在此基础之上,北京赛福斯特技术有限公司为国内用户开发了针对薄壁筒段结构搅拌摩擦焊接的立式纵缝设备。该设备采用内焊方式——焊接机头位于零件内侧、沿零件内壁上下运动，可以实现最长2.5m、最厚12mm、直径不小于2.9m铝合金结构的搅拌摩擦焊接。
I代立式纵缝FSW设备 II代立式纵缝FSW设备 III代立式纵缝FSW设备
立式焊接相对于卧式焊接，更有利于零件的装配、拆卸与吊运，有利于提高生产效率。北京赛福斯特技术有限公司将位移控制、扭矩控制等自动控制方式集成与设备控制系统中，进一步优化了立式搅拌摩擦焊设备的控制方式；同时，将内焊方式改为外焊方式——焊接机头位于零件外侧、沿零件外壁上下运动，进一步提高了薄壁筒段零件的装配效率、扩大了零件的可焊接直径范围。
I代立式纵缝FSW设备 II代立式纵缝FSW设备 III代立式纵缝FSW设备
立式焊接相对于卧式焊接，更有利于零件的装配、拆卸与吊运，有利于提高生产效率。北京赛福斯特技术有限公司将位移控制、扭矩控制等自动控制方式集成与设备控制系统中，进一步优化了立式搅拌摩擦焊设备的控制方式；同时，将内焊方式改为外焊方式——焊接机头位于零件外侧、沿零件外壁上下运动，进一步提高了薄壁筒段零件的装配效率、扩大了零件的可焊接直径范围。
椭球箱底——多轴数控
压力容器通常采用椭球形或球形端盖（或叫封头），在运载火箭上这部分结构被称为箱底，箱底形状也多为椭球形或球形。由于国内的整体制造技术（如旋压技术）限制，箱底多采用多瓣（如4瓣、6瓣或8瓣）焊接而成。目前，铝合金箱底结构的焊接多采用熔焊，尤其是钨极氩弧焊——在国外已经由钨极氩弧焊升级为变极性等离子弧焊、再进一步升级为搅拌摩擦焊的条件下,国内仍然在使用钨极氩弧焊。采用熔焊方法，难以避免气孔、裂纹、夹杂等焊接缺陷，且生产效率比较低、成本高。采用搅拌摩擦焊技术，可以完全解决这些问题——降低缺陷发生率、提高生产效率、降低制造成本等。
I代多轴数控FSW设备 II代多轴数控FSW设备
针对椭球箱底类结构，北京赛福斯特技术有限公司研制了多轴数控搅拌摩擦焊设备，设备中包括7个运动轴：X、Y、Z三个直线运动轴；
A、C两个环向驱动轴；
U、W两个特殊功能轴。
通过Y、Z以及A三轴联动可以实现椭圆曲线结构的搅拌摩擦焊接；同时利用U轴可以实现焊接过程的自适应控制——控制搅拌头的扎入深度（或压入量）；利用W轴可以实现环缝结构的无匙孔焊接。
该设备针对铝合金材料、椭球形或球形箱底结构的搅拌摩擦焊接而设计，最大焊接厚度为8mm，箱底最大直径为3.5m。通过对设备主体结构、平衡方式、焊接工装等进行设计优化，北京赛福斯特技术有限公司已经完成了第II代多轴数控搅拌摩擦焊设备的设计开发、即将装备用户。同时，与国内某航天企业合作，完成了火箭燃料贮箱箱底结构的搅拌摩擦焊接工艺技术攻关，可以为用户提供箱底曲线结构焊接的成套解决方案。
环缝对接——桥式龙门
环缝对接主要是指筒段与箱底以及筒段与筒段之间的对接焊，还可以兼容其它功能结构之间的环缝对接。北京赛福斯特技术有限公司针对环缝对接开发了以桥式龙门结构搅拌摩擦焊设备为主体的整套解决方案，该方案还包括环缝焊接工装、可调整柔性支撑装置以及零件运动平台等配套装置。
整套方案可以实现不同直径、不同长度以及不同铝合金材料环缝对接结构的搅拌摩擦焊接，并且最大限度地实现焊接过程自动化，可以实现焊接工位的快速转换以及零件的快速装夹与拆卸。
压力容器通常采用椭球形或球形端盖（或叫封头），在运载火箭上这部分结构被称为箱底，箱底形状也多为椭球形或球形。由于国内的整体制造技术（如旋压技术）限制，箱底多采用多瓣（如4瓣、6瓣或8瓣）焊接而成。目前，铝合金箱底结构的焊接多采用熔焊，尤其是钨极氩弧焊——在国外已经由钨极氩弧焊升级为变极性等离子弧焊、再进一步升级为搅拌摩擦焊的条件下,国内仍然在使用钨极氩弧焊。采用熔焊方法，难以避免气孔、裂纹、夹杂等焊接缺陷，且生产效率比较低、成本高。采用搅拌摩擦焊技术，可以完全解决这些问题——降低缺陷发生率、提高生产效率、降低制造成本等。
I代多轴数控FSW设备 II代多轴数控FSW设备
针对椭球箱底类结构，北京赛福斯特技术有限公司研制了多轴数控搅拌摩擦焊设备，设备中包括7个运动轴：X、Y、Z三个直线运动轴；
A、C两个环向驱动轴；
U、W两个特殊功能轴。
通过Y、Z以及A三轴联动可以实现椭圆曲线结构的搅拌摩擦焊接；同时利用U轴可以实现焊接过程的自适应控制——控制搅拌头的扎入深度（或压入量）；利用W轴可以实现环缝结构的无匙孔焊接。
该设备针对铝合金材料、椭球形或球形箱底结构的搅拌摩擦焊接而设计，最大焊接厚度为8mm，箱底最大直径为3.5m。通过对设备主体结构、平衡方式、焊接工装等进行设计优化，北京赛福斯特技术有限公司已经完成了第II代多轴数控搅拌摩擦焊设备的设计开发、即将装备用户。同时，与国内某航天企业合作，完成了火箭燃料贮箱箱底结构的搅拌摩擦焊接工艺技术攻关，可以为用户提供箱底曲线结构焊接的成套解决方案。
环缝对接——桥式龙门
环缝对接主要是指筒段与箱底以及筒段与筒段之间的对接焊，还可以兼容其它功能结构之间的环缝对接。北京赛福斯特技术有限公司针对环缝对接开发了以桥式龙门结构搅拌摩擦焊设备为主体的整套解决方案，该方案还包括环缝焊接工装、可调整柔性支撑装置以及零件运动平台等配套装置。
整套方案可以实现不同直径、不同长度以及不同铝合金材料环缝对接结构的搅拌摩擦焊接，并且最大限度地实现焊接过程自动化，可以实现焊接工位的快速转换以及零件的快速装夹与拆卸。
厚壁筒段——多彩纷呈
航天领域中除了运载火箭等大型薄壁铝合金结构，还有一些战术武器型号中经常采用厚度比较大的铝合金结构，也有一些规格比较小的薄壁结构。近年来，北京赛福斯特技术有限公司在这些结构中投入了很大的资金与技术力量，开发了一系列针对不同用途的搅拌摩擦焊专机设备，可以满足用户的不同要求。
设备型号：FSW-5LM-012
设备行程（X×Y×Z）：1500mm×1000mm×300mm
焊接厚度：10mm
焊接结构：纵、环缝
航天领域中除了运载火箭等大型薄壁铝合金结构，还有一些战术武器型号中经常采用厚度比较大的铝合金结构，也有一些规格比较小的薄壁结构。近年来，北京赛福斯特技术有限公司在这些结构中投入了很大的资金与技术力量，开发了一系列针对不同用途的搅拌摩擦焊专机设备，可以满足用户的不同要求。
设备型号：FSW-5LM-012
设备行程（X×Y×Z）：1500mm×1000mm×300mm
焊接厚度：10mm
焊接结构：纵、环缝
设备型号：FSW-3LM-025
设备行程（X×Y×Z）：2400mm×1000mm×400mm
焊接厚度：25mm
焊接结构：纵、环缝
特点：结构刚性好，可以根据结构要求分别选择纵缝或环缝工装
设备型号：FSW-6DVM-020
设备行程（X×Y×Z）：4500mm×200mm×400mm
焊接厚度：20mm
焊接结构：纵、环缝
特点：设备属于卧式横焊结构，同时纵、环缝工装并排布置，可以较方便地实现焊接工位转换。
支持技术帖！
这个技术应该大力普及，惠及中国各个产业发展。
好帖~~
扣分有点冤....
扣分有点冤....
很专业的东西，看的不十分懂，不过看起来好像很有用的！我以前上班的一家做汽车配件的民营企业就有摩擦焊，不过不知道这俩摩擦焊是不是同一回事。
垂死老头 发表于 2011-12-29 18:16 
我以前上班的一家做汽车配件的民营企业就有摩擦焊，不过不知道这俩摩擦焊是不是同一回事。
摩擦焊和搅拌摩擦焊不是一回事
摩擦焊技术是1956年苏联的楚迪克夫发明，1991年：英国焊接研究所发明了搅拌摩擦焊（可能是某些人认为摩擦焊是英国人发明的由来），成功的焊接了铝合金平板。但其实摩擦焊是俄罗斯人发明的，1956年就发明了，早就普及了
我以前上班的一家做汽车配件的民营企业就有摩擦焊，不过不知道这俩摩擦焊是不是同一回事。
摩擦焊和搅拌摩擦焊不是一回事
摩擦焊技术是1956年苏联的楚迪克夫发明，1991年：英国焊接研究所发明了搅拌摩擦焊（可能是某些人认为摩擦焊是英国人发明的由来），成功的焊接了铝合金平板。但其实摩擦焊是俄罗斯人发明的，1956年就发明了，早就普及了
20世纪焊接技术年表（部分）
1885年：俄罗斯人 Benardos Olszewski 发展了碳弧焊接技术。
1888年：俄罗斯人H.г.Cлавянов 发明金属极电弧焊。
1930年：苏联罗比诺夫发明埋弧焊。
1950年：苏联巴顿研究实验室发明电渣焊并首次把电渣焊用于生产。
1953年：苏联柳波夫斯基、日本关口等人发明CO2气体保护电弧焊。
1956年：苏联楚迪克夫发明了摩擦焊技术
1957年：苏联卡扎克夫发明扩散焊。
1991年：英国焊接研究所发明了搅拌摩擦焊，成功的焊接了铝合金平板。
1885年：俄罗斯人 Benardos Olszewski 发展了碳弧焊接技术。
1888年：俄罗斯人H.г.Cлавянов 发明金属极电弧焊。
1930年：苏联罗比诺夫发明埋弧焊。
1950年：苏联巴顿研究实验室发明电渣焊并首次把电渣焊用于生产。
1953年：苏联柳波夫斯基、日本关口等人发明CO2气体保护电弧焊。
1956年：苏联楚迪克夫发明了摩擦焊技术
1957年：苏联卡扎克夫发明扩散焊。
1991年：英国焊接研究所发明了搅拌摩擦焊，成功的焊接了铝合金平板。
mmgm 发表于 2011-12-29 14:04
这个技术应该大力普及，惠及中国各个产业发展。
的确很有用，在整个机械领域都很有用，值得大力推广，但是目前国内还没有普及，在发达国家都已经普遍都在用了
这个技术应该大力普及，惠及中国各个产业发展。
的确很有用，在整个机械领域都很有用，值得大力推广，但是目前国内还没有普及，在发达国家都已经普遍都在用了
搅拌摩擦焊在欧美日本实际上已经是大路货了，可是在国内还属于比较高新的产业，国内搅拌摩擦焊产业领军企业就是北京赛福斯特技术有限公司， 赛福斯特将搅拌摩擦焊技术引入中国、构架了中国搅拌摩擦焊技术产业、专业化提供搅拌摩擦焊设备、搅拌摩擦焊加工、搅拌摩擦焊技术研发服务。
目前新型火箭燃料箱的焊接也基本都是这家公司负责
目前新型火箭燃料箱的焊接也基本都是这家公司负责
这个普及后，是否以后焊工就不吃香了？
普京粉丝 发表于 2011-12-29 21:52
搅拌摩擦焊在欧美日本实际上已经是大路货了，可是在国内还属于比较高新的产业，国内搅拌摩擦焊产业领军企业 ...
燃料箱的焊接是一院负责，这家公司只负责生产焊机
搅拌摩擦焊在欧美日本实际上已经是大路货了，可是在国内还属于比较高新的产业，国内搅拌摩擦焊产业领军企业 ...
燃料箱的焊接是一院负责，这家公司只负责生产焊机
感谢楼主分享！