高熔点材料复合热源搅拌摩擦焊接研究(2)
为解决FSW在高熔点材料焊接领域的问题，很多学者进行了大量研究，找到了许多解决办法。其中较为有效的一种办法就是复合热源搅拌摩擦焊[4]。复合热源搅拌摩擦焊是在一般搅拌摩擦焊装置的基础上，加上一种或多种其他热源进行辅助供热以提高焊接基体的温度，从而使焊件更容易实现塑性变形，然后再在应力的作用下实现固相焊接的焊接方法。电阻热、感应热、电弧[5]、激光、等离子弧[6]等都已成功用作辅助热源。
1.2 搅拌摩擦焊的特点及发展
1.2.1 搅拌摩擦焊原理
FSW的主要原理如图1.1所示[7]。用一个带特殊轴肩与搅拌针的搅拌头，高速插入被焊构件的接口位置，并以一定速度前移。轴肩和搅拌针与工件的摩擦剪切阻力产生摩擦热，使搅拌头附近材料达到塑性状态，增强流动性。随着搅拌头前移，塑性化的材料在搅拌针的搅拌作用下，被移动到搅拌头的后方，并且受到搅拌头轴肩的锻压，冷却后形成焊缝，实现工件之间的固相连接。焊接过程中，为了防止工件受到搅拌头的作用而分离以及塑性金属的流失，被焊工件必须紧固，焊缝背面还需加上衬垫[8]。
图1.1 搅拌摩擦焊示意图
1.2.2 搅拌摩擦焊的特点
相比于熔焊等传统的固态连接方法，FSW焊接具有以下优点。
（1）低耗能，低成本。焊接的过程中无需填充焊丝、焊剂和保护气体等。
（2）高生产效率。FSW不需要对工件表面的氧化皮进行清理，也不需要事先进行打底焊。设备容易实现机械化、自动化。焊接速度高。
（3）工作环境好，污染小。无飞溅、烟尘及辐射，对环境的污染极小。
（4）焊接接头性能好。焊接过程中焊材所受的残余应力低，焊后接头的残余应变小。焊缝强度高，断裂韧度高。一般得到细晶组织，无气孔、夹渣、裂纹等焊接缺陷。
（5）应用范围广。可用于钢、铝、镁、钛、铜合金等材料的连接。并适用于异种材料的焊接，如镁—铝、钢—铝等异种金属的焊接。
（6）操作简单，便于实现自动化焊接。
尽管有上述优点，搅拌磨擦焊接仍然存在以下一些缺点。
（1） 由于焊缝不形成增强焊波．所以接头形状受到限制，难用于填角焊等焊接。
（2） 焊接形式受到限制，难以进行曲线焊接操作。
（3） 焊缝的起始端与末端可能会产生残孔。
1.2.3 搅拌摩擦焊的研究发展
自1991年发明后，FSW的研究从未间断。从开始局限于铝合金等低熔点材料的焊接，到现在适用于钢、铝、镁、钛、铜合金等材料及异种材料的焊接。从当初局限于对接接头的焊接，到如今广泛应用于对接、搭接、T型、角接头等多种接头形式的焊接。此外，与FSW有关的新技术及其应用研究也在进行中，已经研发出FSW钎焊、FSW点焊、FSW熔敷焊、表面改性技术、细晶材料制备、FSW 修复等新技术。为焊接高熔点、大厚度等材料，还开发出了多种复合FSW技术，例如电阻热、感应热、电弧、激光和等离子弧等热源都成功用作辅助热源来进行复合热源搅拌摩擦焊接。目前以激光和等离子弧作为辅助热源的复合FSW是国际研究的主流。如今FSW广泛应用于航空航天、汽车、船舶等许多领域。
1.3 复合热源的研究发展与应用
复合热源焊接是指为了满足材料加工的要求，结合两种或两种以上热源对材料进行焊接加工的技术。它发挥不同焊接热源的优势并结合起来，同时增大焊接热输入量，所以具有高效率、低成本等决定性优势[9]。