攪拌摩擦點焊的基本原理

1 引言
    隨著全球資源與環境保護問題的日趨嚴峻，運載工具的輕量化設計成為汽車、航空航天等制造領域的發展方向。一方面采用鋁合金代替傳統的鋼材料，另一方面通過高效的新型工藝技術提高產品的可靠性并降低產品重量。鋁合金作為運載工具的主要制造材料，其主要連接方式是焊接和鉚接。在歐洲汽車車體生產中，常用的連接技術是YAG激光焊接方法，在日本車體制造中常用電阻點焊方法，運載火箭貯箱的制造過程中要大量應用電阻點焊和鉚接技術，而航空飛行器的制造過程更需要廣泛采用鉚接技術。
    電阻點焊生產效率高、操作靈活性好，但也存在許多局限性，主要表現在：a．焊接過程需要提供大電流，耗能大；b．鋁合金表面氧化膜造成電極壽命明顯縮短；C．由于焊接大電流的作用，工件將產生明顯的熱變形，且焊縫中易出現缺陷和焊點質量不穩定，接頭質量差；d．焊接過程中有飛濺，點焊工作環境差。鉚接是鋁合金構件中一種常用的連接技術，但是采用鉚接技術一方面會增加鋁合金構件的重量，另一方面在鉚接過程中會產生大量的噪音，生產環境惡劣，另外，鉚接技術需要在鋁合金構件上預開孔，增加了生產成本。因此，研究開發鋁合金新的點焊連接技術替代傳統的電阻點焊和鉚接技術，對擴大鋁合金在汽車工業的應用，推動汽車輕量化發展以及提高航空、航天運載能力具有十分重要的意義。
    攪拌摩擦點焊(Friction Stir Spot Welding，FSSW)是在“線性”攪拌摩擦焊接基礎上，新近研究開發的一種創新的焊接技術。FSSW可以形成點焊的搭接接頭，其焊縫外觀與通常應用于鋁合金構件的電阻點焊類似，因而具有很高的應用價值和研究意義。
2 攪拌摩擦點焊的基本原理
    目前，已公開的資料中報道了兩種不同的FSSW技術。第一種方法是日本Mazda汽車公司于1993年發明的攪拌摩擦點焊，基本原理如圖1所示。這種攪拌摩擦點焊又稱為“帶有退出孔的攪拌摩擦點焊”技術，采用的焊接設備與普通攪拌摩擦焊接設備類似，具體的焊接過程可分為3個階段。
    A．壓入過程：攪拌頭不斷旋轉，通過施加頂鍛壓力插入連接工件中，在壓力作用下工件與攪拌頭之間產生摩擦熱，軟化周圍材料，攪拌頭進一步壓入工件
    B．連接過程：攪拌頭完全鑲嵌在工件中，保持攪拌頭壓力并使軸肩接觸工件表面，繼續旋轉一定時間
    C．回撤過程：完成連接后攪拌頭從工件退出，在點焊縫中心留下典型的退出凹孔。
    第二種方法是德國GKSS研究中心于1999年發明的攪拌摩擦點焊，采用特殊的攪拌頭，通過精確控制攪拌頭各部件的相對運動，在攪拌頭回撤的同時填充攪拌頭在焊接過程中形成的退出孔，采用該方法焊接的點焊縫平整，焊點中心沒有凹孔。攪拌摩擦點焊的攪拌頭主要由三部分組成，分別為最內部的探針、中間層的袖筒以及最外層的夾套。其中，夾套在焊接時固定，不發生旋轉，而中間層的袖筒和最內層的探針在焊接時既發生旋轉也發生沿軸向的相對運動。
無退出孔的攪拌摩擦點焊具體焊接過程分為以下幾個階段：
    a.開始焊接時，工件放置在一剛性墊板上，攪拌摩擦點焊攪拌頭壓在工件上，攪拌頭的探針和袖筒高速旋轉，與工件摩擦產生熱量，使材料達到塑性狀態。夾套將袖筒、探針以及塑性材料密封在一個封閉空腔，防止塑性材料外溢，夾套不旋轉，如圖2所示。
    b.當材料達到足夠的塑性狀態時，探針和袖筒一邊繼續旋轉一邊沿軸向進行相對運動，首先是探針向材料上方運動，袖筒向材料下方運動。探針向上運動為材料的運動提供空間，袖筒向下運動時會推動塑性材料發生相互攪拌與運動，如圖3所示。
    c.當探針和袖筒運動到一定程度，即當袖筒下移到下層工件一定深度后，探針與袖筒反方向進行相對運動，探針向下運動，袖筒向上運動。塑性材料進一步進行融合、攪拌。如圖4所示。
    d.當探針與袖筒反方向運動達到焊接前的平面時，探針、袖筒和夾套與工件上表面重新回到一個平面上。探針和袖筒停止旋轉。攪拌頭整體從工件上移走，焊接完成。
    相比之下，第二種方法要完成復雜的相對運動，填充退出孔將需要相對長的焊接時間，對設備的剛性和控制精度要求嚴格，需要專門的焊接設備進行焊接，前期投入成本較大；但優點是焊接后無退出孔，接頭強度高、質量好。而第一種“帶退出孔的攪拌摩擦點焊”方法的優點是焊接速度快，并且焊接設備和控制系統比較簡單，容易集成到大批量的汽車組裝生產線中，目前已在Mazda公司等多家汽車生產企業中獲得應用。