搅拌摩擦焊焊接质量控制摘要：搅拌摩擦焊接技术是针对焊接性差的铝、镁合金而开发出的一种新型固相连接技术，由英国焊接研究所于1991年开发的专利技术。
可以有效地避免氧化和蒸发，焊后冷却过程中不出现热裂纹，焊缝区晶粒得到细化，优化了接头各项性能，同时焊接过程不需要填充金属，不产生火花、飞溅、烟雾、弧光等，是一种高效、优质、简单、无污染的焊接工艺。
介绍了搅拌摩擦焊接的原理、焊接工艺特点、搅拌摩擦焊的最新发展情况及其应用。
利用搅拌摩擦焊焊接方法对7075铝合金进行焊接实验，在焊接参数为：转速——800r/min、焊接速度75mm/min的情况下得到了良好的组织结构，显微硬度的实验表明焊后其维氏硬度值的分布趋势沿焊缝中心基本对称。
关键词：搅拌摩擦焊接；7075铝合金；焊接参数；焊接质量控制Research on friction stir weldingA bstract: Friction stir welding (FSW) is a new solid welding technique for aluminum and magnesium alloys invented and patented by The Welding Institute, UK in 1991, which can avoid the problems existing in the other welding methods. It is an efficient, energy saving, simple and environmental-friendly technique, which can efficiently avoid oxidation and evaporation without heat flaw in the cooling process after welding. FSW can get optimized various performance of joint without any sparkle, plash, smog or arc. No filling metal is needed in the welding process. This paper simply introduce the principles, the process, emphasize introduces recent development an application of the friction stir welding. Using friction stir welding method of 7075 aluminum alloy welding experiment, the welding parameters for welding speed: speed -- 800r/min, 75mm/min cases got good organization structure, microhardness tests indicate that after welding the Vivtorinox hardness distribution trend along the seam center symmetry.Keywords: FSW; 7075 Al alloy; Welding parameters; Welding quality control目录第一章文献综述 (1)1.1 铝合金焊接的特点 (1)1.2 搅拌摩擦焊接 (1)1.2.1搅拌摩擦焊接机理 (1)1.2.2 搅拌摩擦焊接的特点 (2)1.3铝合金的搅拌摩擦焊接现状及发展 (2)第二章实验方法 (3)2.1 实验材料及设备 (3)2.1.1实验设备 (3)2.1.2实验材料 (3)2.2 实验方案 (3)2.2.1焊接参数 (3)2.2.2实验方法 (3)2.3金相实验 (4)2.3.1金相试样的制备 (4)2.3.2金相组织显微摄影 (4)第三章实验结果分析 (5)3.1 搅拌摩擦焊焊缝截面宏观分析 (5)3.2焊缝组织微观分析 (5)3.3搅拌摩擦焊焊接接头的缺陷分析 (6)3.4焊后材料显微硬度的变化 (9)第四章实验结论 (10)参考文献 (11)第一章文献综述1.1铝合金焊接的特点铝合金由于质量轻、比强度高、耐蚀性能好、无磁性、成形性好及低温性能好等特点而被广泛地应用于各种焊接结构产品中，铝合金焊接有以下难点：（1）铝合金焊接接头软化严重，强度系数低，这也是阻碍铝合金应用的最大障碍；（2）合金表面易产生难熔的氧化膜（Al2O3其熔点为2060℃），这就需要采用大功率密度的焊接工艺；（3）铝合金焊接容易产生气孔；（4）铝合金焊接易产生热裂纹；（5）线膨胀系数大，易产生焊接变形；（6）铝合金热导率大（约为钢的4倍），相同焊接速度下，热输入要比焊接钢材大2倍-4倍。
因此，铝合金的焊接要求采用能量密度大、焊接热输入小、焊接速度高的高效焊接方法[1]。
1.2 搅拌摩擦焊接搅拌摩擦焊接技术是英国焊接研究所于1991年发明的一种固相连接技术[2]传统熔化焊相比，搅拌摩擦焊接具有接头缺陷少、质量高、变形少，以及焊接过程绿色、无污染等显著优点。
搅拌摩擦焊接在飞机制造业中具有广阔的应用前景[3]。
1.2.1搅拌摩擦焊接机理搅拌摩擦焊接过程如图1所示。
搅拌摩擦焊接为固相连接过程，在焊接过程中，工件要固定在刚性背垫上，搅拌头高速旋转并将焊针挤入待焊工件的接缝处，直至搅拌头的轴肩与工件紧密接触。
搅拌针伸进材料内部进行摩擦和搅拌，随着焊针的钻入，肩部与被焊工件表面接触，其旋转产生的摩擦热将焊件周围的金属转变成塑性状态，使接缝处的材料产生塑形流变[4]，搅拌头一边高速旋转，一边沿工件的接缝与工件相对移动。
产生塑形流变的材料被挤压到搅拌头前进方向的尾部，防止了塑形状态材料的溢出，同时可以起到清除表面氧化膜的作用。
随后，塑形金属流在挤压下重新结合形成固相焊缝。
1.2.2搅拌摩擦焊接的特点1.能保持母材的冶金性能，焊接接头力学性能好铝合金具有密度低、强度比高、刚度比高等优点，但是铝合金熔点较低、导热系数大、比热容大、线膨胀系数大，在采用熔化焊进行焊接时，易产生裂纹、气孔、变形等焊接缺陷。
同时，由于焊接温度较高，其性能会降低，因而限制了铝合金的广泛应用。
由于搅拌摩擦焊接是一种固相焊接方法，在焊接铝合金时不会产生与熔化焊有关的焊接缺陷，也不会降低焊接接头的性能，而且，焊缝金属的强度超过热影响区金属的强度，没有焊缝金属蒸发产生的合金元素损失，不会改变合金的成分，因此焊接接头的力学性能好。
2.焊接变形小、残余应力小由于搅拌摩擦焊接的焊接温度较低，焊接后结构的变形量和残余应力比熔化焊小得多。
同时，由于不存在焊接过程中接头部位大范围的热塑性变形过程，焊接接头的内应力小、变形小，基本可实现板件的低应力无变形焊接[5]。
3.焊接成本低、效率高搅拌摩擦焊所需设备简单，操作方便，能量利用效率高（可以用总功率3kw的设备焊接12.5mm深单焊道焊缝的铝合金），由于搅拌摩擦焊接仅仅是靠焊头旋转并移动，逐步实现整条焊缝的焊接，所以比熔化焊甚至常规焊更节省能源。
并且在焊接和焊接过程中对环境的污染小，焊前工件必须进行严格的表面清理准备，焊接过程中的摩擦和搅拌可以去除焊件表面的氧化膜，焊接过程中也无烟尘和飞溅。
还可以在存在磁场的条件下进行焊接，并适合自动化焊接[6]。
4.适用范围广由于搅拌摩擦焊消除了熔化焊所形成的裂纹，如液化裂纹或结晶裂纹，因此，可以焊接热裂纹敏感的材料；通过对挤压型材进行焊接，可制成大型结构，如船板、框架、平台等；搅拌摩擦焊能实现不同材料的焊接，如铝和银的连接[7]。
搅拌摩擦焊可实现从仰焊到俯焊的各种位置的焊接，并可实现多种形式焊接接头，如对接、角接、搭接接头，甚至厚度变化的结构和多层材料的连接。
1.3铝合金的搅拌摩擦焊接现状及发展自1991年搅拌摩擦焊技术发明以来，已经在航空航天铁道车辆造船和汽车等制造领域显示出强劲的创新活力和广阔的应用前景，得到了广泛的工程应用。
特别是针对铝合金的搅拌摩擦焊接得到了比较深入的发展，如应用于航空、航天领域的2000系列、5000系列和7000系列高强铝合金，也可以利用这种先进的焊接方法得到高质量的连接。
目前针对轻质合金如铝合金搅拌摩擦焊接的工艺参数[8]与焊接质量控制方面已有一定的结果，如对旋转频率、焊接速度、压入量、搅拌头倾斜角等参数的研究，在很大程度上已应用于指导焊接生产。
另外针对铝合金搅拌摩擦焊接，其焊头的设计也已成为搅拌摩擦焊接的一大热点。
目前，我国的搅拌头材料主要有三种：GH4169高温合金、H13热作模具钢及硬质合金。
而针对搅拌头的形状设计也取得了相应的成就，如英国焊接研究所的Whorl Tools搅拌头，马歇尔空间飞行中心设计的可伸缩式搅拌头，该搅拌头的产生避免了“匙孔”缺陷的出现。
另外在冷却技术方面也取得了一定的成果。
在中国，北京航空制造工程研究所和英国TWI的搅拌试探焊技术合作中心――中国搅拌摩擦焊中心在搅拌摩擦焊的基础方法研究，材料应用研究、开发，搅拌摩擦焊设备的设计、制造和销售等方面，都取得很大的进展。
目前，中心正在针对搅拌摩擦焊在航天火箭筒体制造，航空飞机框架、蒙皮和结构间的搅拌摩擦焊制造，船舶轻合金制造以及高速列车的铝合金型材的快速制造等方面正在展开全面的研究和工和总装课题的同时，还加强了和企业、大学的横向联系及技术合作。
在搅拌摩擦焊设备的制造方面已经设计出3大类6类种形式的搅拌摩擦焊设备，并且在2003年3月为哈尔滨工业大学和华东船舶工业院制造交付了2台专业化的搅拌摩擦焊设备。
另外，波音公司与英国焊接研究所合作，成功利用搅拌摩擦焊技术解决了航天产品制造工程中的材料连接问题。
中间舱段连接采用搅拌摩擦焊接技术的地尔它型火箭于1999年8月17号成功发射。
此外，2001年4月7号，该型火箭又成功搭载发射了火星探测器，该探测器也是搅拌摩擦焊接技术首次应用于压力容器。
助推舱段焊接接头提高了30%～50%，制造横本下降了60%，制造周期由23天减少至6天，除应用于德尔它型火箭外，波音公司还开展了将搅拌摩擦焊技术另一型的火箭燃料储箱制造的工作，并取得了良好的成果。
欧洲的Fokker公司将搅拌摩擦焊接技术用于阿里安5发动机主承力框的制造，主承力框的材料7075-T7351铝合金，主体结构由12块整体加工的带翼状加强的平板连接而成，结构制造过程中用搅拌摩擦焊接技术代替了螺栓连接，为零件之间的连接和装配提供了较大的裕度，同时减轻了结构质量，提高了生效率。