搅拌摩擦焊技术基础及其工程应用探讨

搅拌摩擦焊 技术基础及其工程应用探讨

李继欣 王亚平 赵伯明

中车大同电力机车有限公司 山西省 大同市 037038

摘要：本文对搅拌摩擦焊技术的应用原理进行了阐述，围绕搅拌摩擦焊技术在各工程领域的应用与发展进行了探讨与研究，希望能够从理论层面上为搅拌摩擦焊技术的完善与发展提供一点参考与借鉴。

关键词：搅拌摩擦焊技术；基础；工程应用

引言：搅拌摩擦焊是一种新型固相材料焊接技术，该技术源自于英国，目前在工业领域有着非常高的应用价值。在焊接技术持续完善的背景下，搅拌摩擦焊技术也得到了一定的优化，不管是焊接材料、焊接结构还是工艺应用水平在理论与实践层面上都有了不同程度的提升。在此背景下，工程制造中采用搅拌摩擦焊技术，能够有效控制能耗，在环保方面具有非常突出的优势。近年来随着铁路车辆的发展，搅拌摩擦焊技术已经逐渐成为了一种常见的固相连接技术应用于铝合金车体的制造中。当然我们必须承认的是，在其他领域中，该项技术的应用水平依然有很大的提升空间。鉴于此，我们有必要围绕搅拌摩擦焊技术及其在工程中的应用与发展进行探索与研究。

1. 搅拌摩擦焊技术原理

就本质而言，搅拌摩擦焊是基于传统的摩擦焊接技术发展优化而来的一种工艺技术。搅拌摩擦焊原理就是在材料摩擦受热过程中，受形变与机械作用力的影响而达到焊接的目的。在工程实践中利用搅拌摩擦焊技术，首先需要在目标工件中插入匀速旋转的搅拌头，此时工件中的材料与搅拌头发生摩擦并形成作用力，进而产生热量。在摩擦热的作用下，材料会发生软化以及塑性形变，从而释放能量。最后搅拌头会沿着塑性形变的焊接坡口，持续向前推进，材料也会因为吸收热量而发生塑性形变，与搅拌头一起向前移动，并在搅拌头的压力下，与焊接工件永久连接到一起。在焊接技术持续完善的背景下，搅拌摩擦焊技术的形式也取得了发展，具体分为以下几种：

第一，逆向搅拌摩擦焊技术。该项技术的原理就是以特定的角度，循环转动搅拌头，达到搅拌摩擦焊的目的。一般来讲，该项技术都是以一周为转动周期，每过一个周期，转动方向将会改变并持续循环。究其原因，就在于遵循对称性原则来控制焊缝，并且可以有效解决因为不对称造成的搅拌摩擦焊接头的偏离；第二，倾斜搅拌摩擦焊技术。该项技术是按照一定的倾斜角度来设置搅拌头的轴线与主轴，如此可以在使用焊接搭接接头与T型接头的情况下，提高焊缝的宽度；第三，复合搅拌摩擦技术。该项技术包含了旋转运动设备与定向移动设备，就原理上来讲，两种设备结合到一起使用，起到的效果和倾斜摩擦搅拌焊接技术大致相同，但该项技术的优势在于对于异种金属的焊接而言更具有适用性；第四，便携式搅拌摩擦焊技术。相较于上述几种技术，该项技术的优势在于设备更小，操作更便捷，使用限制较小，在各种工程领域都具有较强的灵活性。通过相关调查数据，不难发现，在全球范围内，便携式搅拌摩擦焊技术在日本已经取得了重大突破，相关设备的移动性与灵活性非常高，其在工业领域的应用也趋于成熟，对于搅拌摩擦焊技术的发展而言也有着非常重大的意义。

2. 搅拌摩擦焊技术基础及其工程应用探讨

1 交通制造业的应用

在交通制造领域，搅拌摩擦焊技术的应用在铝合金车身的焊接方面有着比较高的应用价值，在能耗控制和焊缝性能提高方面起到非常理想的效果。目前，轨道货车、高速列车、轻轨电车方面摩擦焊接技术都有着广泛的应用。在日本，搅拌摩擦焊技术在理论层面也取得了一些突出成果，例如在双面铝合金型材的拼接中选择搅拌摩擦焊技术制造的车厢，具有更强的抗冲击性。在美国，搅拌摩擦焊技术的应用则体现在汽车悬挂支架、防撞缓冲器以及铝合金车身方面。以高速列车为例，随着铁路列车持续提速的背景下，列车重量越来越轻，接头强度与结构的安全成为了保障列车稳定运行的核心，在此背景下，人们开始将铝合金挤压型材应用到列车中，这对于搅拌摩擦焊技术的发展有着重大的影响。究其原因，就在于搅拌摩擦焊接接头比MIG焊接接头具有更高的强度且不容易出现缺陷，并且在经济性方面具有突出优势，因此在高速列车制造中应用搅拌摩擦焊技术能够起到比较理想的效果。

2 航空航天领域的应用

采用传统焊接技术对铝合金进行焊接时，焊接影响因素比较多，而使用搅拌摩擦焊技术则能够解决相关问题。铝合金焊接采用搅拌摩擦焊技术不会产生较大的热塑性形变，因此完成焊接后不会在接头位置产生较大的内应力，因此在不同厚度的板件焊接中可避免焊接变形问题。随着搅拌摩擦焊技术的发展，设计材料也有了更多的选择，例如部分焊接技术对于铝合金材料不适用导致设计人员选择其它材料，但运用搅拌焊接技术则可以选择部分高强度的铝合金材料。在相关试验中不难发现，搅拌摩擦焊技术的应用可提高焊接件的接头强度与焊接质量，这对于提高火箭发射成功率有着重要影响。此外，部分材料的搅拌摩擦焊缝强度要比母材强度要高，而在部分结构件的制造中，应用该项技术也可以减少人工、材料以及时间成本。因此可以说搅拌摩擦焊技术在航空制造领域具有较高的应用价值。

3 核工业领域的应用

由于铝合金材料密度小、强度高的特点，铝合金材料在核工业领域的应用非常广泛。在核能领域应用搅拌摩擦焊技术，可以更好的发挥出铝合金的各项优势，其对于提高核技术与卫星电子装备的性能有着积极的影响。

4 船舶与海洋业的应用

在船舶工业，搅拌摩擦技术的应用也有着非常重大的影响，例如在澳大利亚，基于便携式搅拌摩擦焊技术的应用，能够直接焊接海洋观光船中的平直焊缝。在一些轻金属甲板中，利用搅拌摩擦焊技术，可以完成铝质蜂窝结构板的生产。上世纪末，挪威就基于搅拌摩擦焊技术的应用，在舰船中的甲板与侧板中对铝合金材料进行焊接，起到的效果也比较理想。

3. 结束语

总而言之，搅拌摩擦焊技术在各工业领域均具有较高的应用价值。不可否认，该项技术的应用依然受到种种限制，然而随着制造工艺的完善与升级，搅拌摩擦焊技术的应用范围将会进一步扩宽，因此我们有必要围绕搅拌摩擦焊技术的理论与实践进行更加深入的探索与研究。

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