电子束与摩擦焊教学课件PPT.ppt

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1、第二讲 电子束焊接,利用加速和聚焦的电子束轰击位于真空或非真空中的焊件所产生的热能进行焊接的一种焊接方法。,1.概述 德国的K.-H.Steigerwald和法国的J.A.Stohr首先将电子束应用到工业生产中。K.-H.Steigerwald 1948年，发现电子束可以用来加工材料 1951年，打孔，刻蚀，切割 1956年，电子束焊机J.A.Stohr 1954年，真空电子束焊接核工业燃料元件上的Zr基活泼合金。1957年，公布研究成果。电子束焊接首先应用于原子能及宇航工业。,2电子束焊的基本原理,2.1电子束的产生 高压加速装置形成的高功率电子束流，通过磁透镜会聚，得到很小的焦点，轰击置于

2、真空或非真空中的焊件时，电子的动能迅速转化为热能，熔化金属，实现焊接过程。,(1)阴极 钨。钽及六硼化镧制成。(2)阳极 形成束流(3)聚束极 控制极、栅极。控制电子束流，三极枪。(4)聚焦透镜 得到107W/cm2以上。(5)偏转系统 适应接头类型和加工工艺。(6)合轴系统 得到满意的电子束斑点。,2.2 电子束深熔焊机理 电子束焊接时，在加速电压作用下，电子可被加热到1/2-2/3的光速，工件材料表面温度可达到104以上，表层金属迅速被熔化。高温还向焊件深层传导。PdPi/Rb2 Tc(1/)PdRb 当束斑直径足够小时，功率密度分布曲线变得窄而陡，热传导等温线向深层扩散，形成窄而深的加热

3、模式。基本结论：提高电子束的功率密度可以增加穿透深度。,大厚度电子束焊件中的热传导现象。小孔效应及其形成 高功率密度的电子束轰击焊件，使焊件表面材料熔化并伴随着液态金属的蒸发，材料表面蒸发走的原子的反冲力使焊缝金属表面压凹，随着电子束功率密度进一步加大，金属蒸汽量增多，,液面被压凹的程度也增大，并形成一个通道。电子束经过通道轰击底部的待熔金属，使通道逐渐向纵深发展。小孔的动态平衡与液态金属在重力下的浸灌作用和表面张力的封口作用有关。,3.电子束焊接技术的特点,(1)电子束能量密度高，是理想的焊接热源,(2)电子束焊热源稳定性好，易控制(3)真空电子束焊接时，焊缝免遭大气污染，在2Pa真空度下焊

4、接相当于99.99%氩气的保护，真空获得所消耗的成本远低于消耗氩气的成本。(4)电子束焊机易实现自动化控制，操作简单，焊接质量易保证，适合批量生产。(5)允许采用的焊接接头形式较其它焊接方法少，焊接速度快，热影响区窄、焊接变形小，可作为最后加工工序或仅保留精加工余量。,不同焊接方法的热影响区宽度,不同焊接方法焊缝晶粒尺寸的比较(6Al-6V-25N),不同焊接方法的横向收缩量,(6)大功率电子束适合焊接大厚度零件，提高材料利用率，经济效益好。(7)电子束焊的适用范围极广，它可用于焊接贵重部件(如喷气式发动机部件)，又可焊接廉价部件(如齿轮等)；既可适用大批量生产(如汽车、电子元件)，也适用于单

5、件生产(如核反应堆结构件)；既可以焊接微型传感器，也可焊接结构庞大的飞机机身；从薄的锯片到厚的压力容器它都能焊接；不但可焊接普通的结构，亦可焊接多种特殊金属材料，如超高强度钢、钛合金、高温合金及其它贵重稀有金属。,All metallic materials can be melted using a focused electron beam and,in consequence,most pure metals and alloys can be successfully welded.Steels and iron alloys C-Mn and structural steels Al

6、loy steels Stainless steels Soft iron Nickel alloys Aluminium and magnesium alloys Copper and its alloys Refractory and reactive metals Dissimilar metals Non-metals Cast irons:EB welding is not recommended as a joining process for cast irons。,EBW Limitations High equipment cost Work chamber size con

7、straints Time delay when welding in vacuum High weld preparation costs X-rays produced during welding Rapid solidification rates can cause cracking in some materials,EBW Problems and Discontinuities,Undercutting（咬边）Porosity Cracking Underfill Lack of fusion Shrinkage voids Missed joints,4.电子束焊接设备按真空

8、状态分 真空型 局部真空型 非真空型按加速电压分 高压型：大于80KV 中压型：40-60KV 低压型：小于等于30KV主要组成：电子枪、工作真空室、工作台、高压电源、控制及调整系统、真空系统和焊接夹具。,(1)电子枪 产生电子使之加速、会聚成电子束的装置。影响电子束稳定性的主要原因是高压放电，往往使电子束偏转以避免金属蒸汽对束源段产生直接的影响。电子枪一般安装在真空室外，有时安装在真空室内可运动的传动机构上，动枪。(2)高压电源及控制系统 为电子枪提供加速电压、控制电压及灯丝加热电流。(3)控制及调整系统,(4)工作室及抽真空系统 工作室尺寸及设计。气密性、刚度要求、X射线防护。电子枪抽真空

9、系统、工作室抽真空系统(5)电子束焊机现状1)大型真空电子束焊机 几十立方米到几百立方米：280、110、400、8002)局部真空电子束焊机 节省抽气时间3）通用电子束焊机4）批量生产用小型真空电子束焊机,7电子束焊的焊接工艺(1)焊接参数1)加速电压Ua 大多数保持不变。提高加速电压可以增加焊缝的熔深。2)电子束流Ib 主要调整参数，以适应不同焊接工艺的需要。3)焊接速度Vb 和电子束功率一起决定着焊缝的熔深、焊缝宽度以及被焊材料熔池行为。4)聚焦电流If 当焊件厚度大于10mm时，通常采用下焦点，且焦点在焊缝熔深的30处。5)工作距离H 焊件表面至电子枪的距离尽可能短。,(2)获得深熔焊

10、的工艺方法1）电子束水平入射焊 降低了小孔通道封堵作用。自下而上或水平横焊。2)脉冲电子束焊 功率相同，脉冲更有效的增加熔深。3）变焦电子束焊 焊接大厚度焊件时，使焦点位置随着焊件熔化深度度变化而变化，始终以最大功率密度进行焊接。4）焊前预热或预置坡口 减少热量沿焊缝横向的热传导损失，利于增加熔深。,8.电子束焊接技术现状与发展前景(1)国外 1)大功率电子枪的开发 大阪大学，600kv、300kv的超高压电子束热源装置，200mm厚不锈钢的焊接，深宽比达70：1。2)电子束特性的定量研究3)双抢电子束及填丝电子束焊接技术的研究 日、德、俄等开展填丝电子束焊。大厚板采用二次焊4)大功率表面处理

11、技术 日、俄 研究500kv的电子束热源，用于涂层处理工艺5)复合式电子束加工设备的研制 俄罗斯，具备电子束焊、钎焊、局部热处理、表面强化等功能6)非真空电子束焊接设备及工艺的研究和应用 克服大型真空造价高、抽真空时间长缺点，英、德开展研究非真空电子束焊接设备。,(2)国内1)电子束焊接设备 中压真空电子束焊机较成熟，高压大部分进口。北京航空工艺研究所1992年研制成功了ZD150-15A型高压电子束焊机。国内第一台自行设计、自行制造的高压电子枪和大型真空室。2)电子束焊接工艺(3)应用前景1)大批量生产中将有较大的发展2)航空航天工业中，将继续扩大其应用3)厚大焊件场合的应用，如能源、重工业

12、4)修复领域5)设备趋向多功能及柔性化6)实现空间结构焊接的强有力工具,9.其它电子束加工技术(1)电子束打孔 始于1938年，1958年生产了第一台电子束打孔机。柔性好，速度高，每秒最多打3000个孔 束的入射角变化范围打，最大倾角可达70度典型产品 玻璃纤维整流罩 离心分离器管，50000个 卫星燃料系统中多孔钛板，20106个/m2,(2)表面改性1)表面淬火相变温度以上2)表面回火/退火3)表面重熔熔化温度以上4)表面合金化5)表面涂层,(4)电子束物理气相沉积 1970年代，巴顿焊研所开始了电子束物理气相沉积设备及工艺的研究。设备功率一般在40-200kW，加速电压20kV左右,第三

13、讲 摩 擦 焊,利用焊件相对摩擦运动产生的热量来实现材料可靠连接的压力焊方法 焊接过程：在压力的作用下，相对运动的待焊材料之间产生摩擦，使界面及附近温度升高，并达到热塑性状态，随着顶锻力的作用，材料发生塑性变形与流动，通过界面元素扩散及再结晶冶金反应形成接头。1891年，美国批准了第一个专利，连接钢缆。德国、英国、前苏联、日本等国家相继开展。中国是世界上研究摩擦焊最早的国家之一，1957年实现了Al/Cu摩擦焊接。,1摩擦焊原理及技术优势(1)原理,（2）摩擦焊技术的主要优点1)接头质量好且稳定 焊接过程由机器控制，参数设定后容易监控，重复性好，不依赖于操作人员的技术水平和工作态度。焊接过程不

14、发生熔化，属固相热压焊，接头为锻造组织，因此焊缝不会出现气孔、偏析和夹杂，裂纹等铸造组织的结晶缺陷，焊接接头强度远大于熔焊、钎焊的强度，达到母材的强度；2)效率高。对焊件准备通常要求不高，焊接设备容易自动化，可在流水线上生产，每件焊接时间以秒计，一般只需零点几秒至几十秒，是其它焊接方法如熔焊、钎焊不能相比的；,3)节能、节材、低耗 所需功率仅及传统焊接工艺的1/51/15，不需焊条、焊剂、钎料、保护气体，不需填加金属，也不需消耗电极；4)焊接性好 特别适合异种材料的焊接，与其它焊接方法相比，摩擦焊有得天独厚的优势，如钢和紫铜、钢和铝、钢和黄铜等等；5)环保，无污染 焊接过程不产生烟尘或有害气体

15、，不产生飞溅，没有孤光和火花，没有放射线。由于以上这些优点，摩擦焊技术被誉为未来的绿色焊接技术。,2 摩擦焊工艺及其新近展,(1)连续驱动摩擦焊(2)惯性摩擦焊 旋转焊件与一个飞轮相连(3)线性摩擦焊 线性摩擦焊技术，是两个工件以一定的频率和振幅进行往复运动产生热量进行的焊接，它可以将方形、圆形、多边形截面的金属或塑料焊接在一起。它可以焊接更不规则截面的构件，象叶片与涡轮等。最初应用于塑料焊接，80年代后期用于航空发动机整体钛合金叶盘的制造。,(4)搅拌摩擦焊 搅拌摩擦焊技术是1991年英国焊接研究所发明的固相连接技术，它在航空、航天、船舶、海洋工业、武器装备以及高速列车等领域的轻结构制造中的

16、应用研究得到广泛开展。同时也引起了我国科技工作者的高度重视，先后开展了一些搅拌摩擦焊的研究工作。(5)相位摩擦焊 可实现有相位要求的工件的摩擦焊接，扩大了摩擦焊的应用领域。目前生产中对如六方形断面的零件、八方钢、汽车操作杆、花键轴、拨叉、两端带法兰的轴等均要求采用相位摩擦焊。在电控技术和机械技术高度发展的前提下，为大吨位相位摩擦焊机的研制提供了可能。,(6)径向摩擦焊 径向摩擦焊由于其引入中间旋转加压圆环，不仅改变了摩擦面的方向，焊件也由相对旋转加压变为相对固定加压，它非常适合于长管子的焊接，同时它还可以把薄壁铜环焊接到弹体外壁上，能够使军工产品升级换代。,3摩擦焊设备与工程应用 随着摩擦焊技

17、术的广泛应用，摩擦焊设备也得到了迅速的发展，2000年不完全统计全世界共有5000多台摩擦焊机用于焊接生产。为了适应大型和特殊部件的焊接，要研制我国的大型和微型的摩擦焊机。为适应特种用途还要开发惯性摩擦焊、径向摩擦焊，搅拌摩擦焊、双头摩擦焊，立式摩擦焊及水下摩擦焊等多种特种摩擦焊机。在制造及监控技术方面要本着柔性和自动化来设计。焊机可附加很多自动化设备和加工装置，从而创造出一个高度柔性和自动化的完整系统，以适应用户的各种要求。,搅拌摩擦焊(friction stir welding,简称FSW)是由英国焊接研究所(The Welding Institute,简称TWI)于1991 年提出的一种

18、固态连接方法 搅拌摩擦焊技术是世界焊接技术发展史上自发明到工业应用时间跨度最短和发展最快的一项固相连接新技术 截止2002 年9 月15 日,得到英国焊接研究所(TWI)搅拌摩擦焊专利技术许可的用户己经有78 家,与搅拌摩擦焊技术相关的专利技术有551 项。,4搅拌摩擦焊,北京赛福斯特技术有限公司（中国搅拌摩擦焊中心）相关技术人员采用自主研制的搅拌摩擦焊设备成功实现了3mm的紫铜板对接（如图1所示）,采用搅拌摩擦焊技术不仅能焊接几乎所有熔焊能够焊接的金属,而且能焊接许多熔化焊接性能差的金属,如铝合金、钛合金、铜合金等搅拌摩擦焊除了具有摩擦焊的特点外，更重要的是可焊接各种板材的焊接接头，因此可用

19、于结构焊接.,搅拌摩擦焊发明初期主要解决厚度1.26毫米的铝合金板材焊接问题;1996年，用FSW技术解决了612毫米的铝、镁、铜合金的连接。1997年实现了1225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0.8100mm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。,搅拌摩擦焊为固相连接方法，采用该方法实现铜

20、连接避免了熔焊方法的诸多缺陷和不足。焊缝外观均匀光滑，无缺陷，相对于熔焊焊接变形极小。焊接操作简单，焊前只需丙酮等有机溶剂去除结合面油脂，无需开坡口去除氧化膜；焊后无需去除余高，提高了生产效率。焊接过程能耗小，无需填充材料，焊接成本低.,图 搅拌摩擦焊焊接紫铜板全貌,图 搅拌摩擦焊焊接黄铜板全貌,金属在焊接过程中不熔化，热输入量小；焊缝的连接是在金属受挤压的状态下完成的，焊接接头不会产生熔化焊焊接接头的气孔和裂纹等一类缺陷，焊缝缺陷少；搅拌摩擦焊类似于机械加工过程，容易实现自动化控制，而且没有熔化焊中的电压，电流，强光，金属粉尘等现象，工作环境环保清洁。最重要的是，搅拌摩擦焊接头的力学性能优于

21、熔焊接头。试验数据表明焊接接头的抗拉强度达到了母材的91，试样延伸率达到了25，接头组织晶粒细化、均匀而致密，消除了母材的铸造缺陷。,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具有明显的优越性。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。,不锈钢的搅拌摩擦焊接接头及金相,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

22、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。,5 搅拌摩擦焊原理,(1)一个带有特型搅拌针的搅拌头旋转并缓慢的将搅拌针插入两块对接板材之间的焊缝处。一般来讲,搅拌针的长度接近焊缝的深度。(2)当旋转的搅拌针接触工件表面时,与工件表面的快速摩擦产生的摩擦热使接触点材料的温度升高,强度降低。搅拌针在外力作用下不断顶锻和挤压接缝两边的材料，直至搅拌头轴肩紧密接触工件表面为止，由旋转轴肩和搅拌针产生的摩擦热在轴肩下面和搅拌指头周围形成大量的塑化层。,(3)当工件相对搅拌针移动或搅拌针相对工件移动时,在搅拌针侧面和旋转方向上产生的机械搅拌和顶锻作用下,搅拌针的前表面把塑化的

23、材料移送到搅拌针后表面。(4)在搅拌针沿着接缝前进时,搅拌头前部的对接接头表面被摩擦加热至超塑性状态。搅拌针和轴肩磨擦接缝,破碎氧化膜，搅拌和重组搅拌针后方的磨碎材料。搅拌针后方的材料冷却后就形成焊缝，可见此焊缝是在热机联合作用下形成的固态焊缝。,搅拌摩擦焊技术所涉及到的主要技术术语定义,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（Advancing 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

24、旋转方向相反的焊缝侧面,搅拌摩擦焊除了具有普通摩擦焊技术的优点外，还可以进行多种接头形式和不同焊接位置的连接。a.直口对接b.对搭混合c.单搭界d.多搭界e.三片T形对接f.双片T形对接g.边缘对接 h.角接几种搅拌摩擦焊的接头形式,搅拌摩擦焊焊缝组织分区A 区为母材区(basic metal,简称BM)B 区为热影响区(heat affected zone,简称HAZ）C 区为热力影响区(thermo mechanically affected zone,简称TMAZ)D 区为焊核(dynamically recrystallized zone,简称DXZ),焊核是最接近搅拌头轴肩的区域,组

25、织结构通常有较大的变化。在焊接接头的热影响区中,除了腐蚀反应比母材快一些外,其金相组织与母材没有多大区别。在焊接接头的热力影响区,焊接过程引起长晶粒的弯曲和轻微的重结晶。焊核由纤细的经动态再结晶的等轴晶构成,晶粒尺寸比母材小得多。5083 铝合金的搅拌摩擦焊实验表明,焊缝最薄弱的环节不在焊核区,而是在热影响区。经过固溶处理和人工时效处理的2系列、6系列铝合金的搅拌摩擦焊焊缝,经过时效处理后,强度接近于基体材料的强度.,组织分区分析：,(a)母材微观组织(b)焊核微观组织 ZL114A母材与焊接接头微观组织对比，从图中可观察到焊核区微观组织是无方向性的、细小的等轴晶粒，母材区为粗大的树枝状铸造组

26、织,焊接状态下，焊缝焊核的强度要大于热力影响区的强度。就退火状态的材料而言，拉伸试验的破坏通常发生在远离焊缝和热影响区的母材上。对于形变强化和热处理强化的铝合金，搅拌摩擦焊后热力影响区的硬度和强度最低，可以通过控制热循环，尤其是通过降低焊缝热力影响区的退火和过时效来改善焊缝的性能。为获得最佳的性能，焊后热处理是热处理强化材料提高焊缝性能的最好选择，但在许多工况下，焊后无法进行热处理。,焊缝质量,搅拌摩擦焊是在刚性固定下焊接的，热源来自焊口表面并以面状向工件传递，并在随后的旋转压力头的挤压下变形，快冷，再结晶形成焊缝，在膨胀中3个方向受压，在收缩中释放压应力，使横向和纵向残余应力及变形都大大减少

27、。从焊缝形成来看，基本上成矩形，所以角变形极小。再则由于是固相焊，加热温度低，与熔化焊相比，最高温度和温度梯度小得多，无焊缝的凝固收缩和高温区的膨胀与收缩，这样也有利于减少焊接变形与应力，不只减少了焊接过程中的裂纹倾向，也减少了焊后的残余应力，大大提高了焊接结构的质量。,搅拌摩擦焊的焊接变形与应力,搅拌摩擦焊主要工艺参数：搅拌针的移动（焊接）速度 搅拌针的旋转速度 搅拌头的仰角 压紧力,搅拌头的发展带来新型搅拌摩擦焊工艺 搅拌头材料、搅拌头轴肩和搅拌针的形状是搅拌头优劣的3个主要决定性因素，关系到连接接头的性能与生产成本和效率。搅拌头的主要功能如下：加热和软化被焊接材料（工件材料）；破碎和弥散

28、接头表面的氧化层；驱使搅拌针前部的材料向后部转移；驱使接头上部的材料向下部转移；使转移后的热塑化的材料形成固相接头。,搅拌头的发展,搅拌头的形状与热塑化材料的流变密切相关，并且直接影响到接头的质量，在搅拌摩擦焊发展初期，TWI开发成功了柱形搅拌头，这种搅拌头在搅拌摩擦焊初期开发研究中得到了广泛应用。随着搅拌摩擦焊技术的发展，针对不同的焊接材料和结构，目前已有系列化的搅拌头。英国焊接研究所研制的 Whorl TM和 MX Triflute TM搅拌头，可以在提高焊接速度的条件下,得到焊缝成形良好、性能更加优良的焊缝。,TWI开发的MX Triflute TM（左）和Skem-Stir TM（右）

29、搅拌头,搅拌针的直径为焊件厚度的0911倍时，焊缝质量较好。搅拌针的直径过大时，焊接区断面面积增大，热影响区变宽，同时搅拌针向前移动时阻力增大；搅拌针的尺寸过小时，焊接区热塑性金属的流动性差，搅拌针向前移动时所产生的侧向挤压力减小，不利于形成致密的焊缝组织。搅拌针的长度与焊缝的背面成形有关，搅拌焊针过短，背面焊不透；搅拌针过长，则背面易过热，导致成形较差。搅拌针长度的选取与其直径有关。当搅拌针的直径较大时，其长度可以略短。对于厚度为3mm的铝合金薄板，搅拌针的直径为3mm 时，其长度应在25mm-28mm范围。,搅拌针,6.典型材料的搅拌摩擦焊,铝合金的焊接 铝合金的搅拌摩擦焊克服了熔焊时产生

30、气孔、裂纹等缺陷。目前，国内外在高强铝合金的搅拌摩擦焊研究中采用的单道对接焊厚度一般为18 mm，焊接性能较好，焊缝强度一般在母材强度的60%以上。,25 mm 厚的7A52 铝合金轧制板焊接速度v=40mm/min,搅拌头旋转速度N=1 3001 700 r/min,厚板焊缝抗拉强度与旋转速度的关系,7A52 焊缝的显微硬度分布（搅拌头旋转速度为1 500 r/min、焊接速度为40 mm/min）,7.搅拌摩擦焊在世界工业领域的应用,主要包括以下方面 1)船舶和海洋工业：快艇、游船等的甲板、侧板、防水隔板、船体外壳、主体结构件、直升机平台、离岸水上观测站、船用冷冻器、帆船桅杆和结构件。2)

31、航天：运载火箭燃料贮箱、发动机承力框架、铝合金容器、航天飞机外贮箱、载人返回仓等。3)航空：飞机蒙皮、衍条、加强件之间连接、框架连接、飞机壁板和地板连接、飞机门预成形结构件、起落架仓盖、外挂燃料箱。4)车辆工业：高速列车、轨道货车、地铁车厢、轻轨电车。5)汽车工业：汽车发动机引擎、汽车底盘支架、汽车轮鼓、车门预成形件、车体框架、升降平台、燃料箱、逃生工具等。6)建筑行业：铝、铜、钛等制作的面板、门窗框架、发电厂和化工厂的反应器、铝管道、热交换器和空调器等。7)其他工业：发动机壳体、冰箱冷却板、电器分封装、天然气、液化气贮箱、轻合金容器、家庭装饰、镁合金制品等。,(1)搅拌摩擦焊在船舶制造工业中

32、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。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。,挪威H

33、ydro Marine Aluminium采用搅拌摩擦焊技术制造船用宽幅铝合金型材,(2)搅拌摩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系列鋁合金材料，而搅拌摩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。,波音公司首先在加州的HuntingtonBeach工厂将搅拌摩擦焊应用于Delta II运载火箭4.8米高的中间舱段的制造（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，“火星探索号”发射升空，采用

34、搅拌摩擦焊技术，压力贮箱焊缝接头强度提高了30，搅拌摩擦焊制造技术首次在压力结构件上得到可靠地应用。,波音公司在阿拉巴马州的Decatur工厂将搅拌摩擦焊技术用于制造Delta 运载火箭中心助推器。Delta 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。采用搅拌摩擦焊节约了60的成本，制造周期由23天降低为6天。欧洲Fokker宇航公司将搅拌摩擦焊技术用于Ariane 5发动机主承力框的制造，承力框的材料为7075-T7351，主体结构由12块

35、整体加工的带翼状加强的平板连接而成，结构制造中用搅拌摩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。,波音公司阿拉巴马州的工厂,采用搅拌摩擦焊连接的Delta II型火箭燃料贮箱截面,采用搅拌摩擦焊连接的Delta II型火箭航天燃料贮箱,采用搅拌摩擦焊连接的Delta IV型火箭航天燃料贮箱,欧洲Fokker Space公司采用FSW制造 Ariane 5发动机主承力框,美国Eclipse飞机制造公司斥资3亿美元用于搅拌摩擦焊的飞机制造计划，其制造的第一架搅拌摩擦焊商用喷气客机（Eclipse500）于2002年8月在美国进行了首飞测试。其机身蒙

36、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擦焊替代，提高了生产效率、节约了制造成本并且减轻了机身重量。,Eclipse 500型商用喷气客机的搅拌摩擦焊焊接构件之一,(3)搅拌摩擦焊在轨道交通及陆路交通工业中应用,日本住友轻金属公司已将FSW工艺用于地铁车辆，采用这种工艺制造的工件长度已经超过了3km，接头质量良好。由住友轻金属公司生产的挤压型材FSW焊接拼板，用于日本新干线车辆的制造，车辆时速可达285 km/h。,左：日本住友轻金属公司FSW生产的新干线列车壁板；右：法国阿尔斯通FSW制造的列车车顶,(4)搅拌摩擦焊在汽车工业中应用,为了提高运载能力和速度，汽车制造呈

37、现出材料多样化、轻量化、高强度化的发展趋势，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公司采用搅拌摩擦焊技术制造汽车轮毂，将铸造或锻造的中心零件与锻铝制造的辐条连接起来，以获得良好的载荷传递性能并减轻重量。美国Tower汽车公司采用搅拌摩擦焊制造汽车用悬挂连接臂，取得了很大经济效益。搅拌摩擦焊。另外，该公司还将搅拌摩擦焊技术用于缝合不等厚板坯料(Tailored welded blanks)的制造；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造中模具

38、的数量，又缩短了工艺流程。,目前搅拌摩擦焊在汽车制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；逃生交通工具；铝合金汽车修理；镁合金和铝合金的连接。搅拌摩擦点焊(FSSW)的研究与技术开发是汽车制造工业中的一个新热点。,2.4 搅拌摩擦焊设备的发展及工艺过程的数值模拟与参数控制的自动化,早期的搅拌摩擦焊设备是利用传统铣床改装而成。随着搅拌摩擦焊技术应用领域的日益扩大，以及被焊接材料厚度的增加和被焊接零件焊缝形式的复杂多样

39、化，普通铣床的刚性以及操作控制都难以满足对搅拌摩擦焊更高的技术需求，搅拌摩擦焊设备逐渐从试验型设备向商用专机化方向发展。,采用数值模拟方法，对搅拌摩擦焊工艺过程与接头形成和质量进行建模描述及预测，正在各国学术界掀起热潮，主要研究工作内容包括有：1)搅拌头与工件摩擦产热模型；2)搅拌摩擦焊热过程模拟及预测；3)焊缝形成与热塑金属的迁移；4)诸多工艺参数的耦合效应；5)焊缝中缺陷形成的机制；6)搅拌摩擦焊引发的残余应力与变形。数值模拟及预测中的关键是正确地描述物理现象：即在建立有效物理模型（实验）的基础上，才能运用数学建模和有限元方法进行分析，获得反映实际的结果，用以指导实践。更重要的是用物理实验

40、对数值模拟结果进行验证，二者相辅相成。只有正确的模拟及预测才能有工程实用价值，避免反复实验。,图所示为一组典型的搅拌摩擦焊过程主要工艺参数实时检测记录曲线。被焊材料为厚6mm低合金钢，焊缝长度75cm。为了这些数据的采集，在搅拌头的相应部位安装有参数传感器。,平面二维FSW焊接设备,平面二维FSW设备的研制成功，标志着国内FSW设备的研制水平已经不限于平面直缝的焊接，该设备已用于热沉器类产品如的制造，图为采用最新研制的平面二维FSW设备制造的某型号电路板外接水冷散热器，它由蛇形盖板和有蛇形槽的底座组成，将盖板与底座连接起来。在4MPa的压力下保压20分钟无渗漏，远远高于设计要求。平面二维FSW设备还可以比较容易地实现尺寸较小的曲线（圆形）焊缝的焊接或修补孔洞。,中国搅拌摩擦焊中心于2004年完成了预研课题搅拌摩擦焊技术：采用FSW技术焊接的直径2.25m火箭燃料贮箱模拟件完全达到了设计要求，通过了承压试验的考核。2004年还完成了飞机机翼结构先进连接技术综合验证平台中的FSW焊接部分在该验证平台中，其它连接技术制造的结构均是以FSW结构为基准进行装配。在基础研究方面，开展了搅拌摩擦焊温度场及流场的数值模拟研究和搅拌摩擦焊接头的疲劳性能研究，目前均取得了阶段性研究成果。,搅拌摩擦焊接的运载火箭燃料贮箱模拟件,