壓力焊（Pressure Welding），焊接過程中，必須對(duì)焊件施加壓力（加熱或不加熱），以完成焊接的方法，主要由電阻焊、摩擦焊、擴(kuò)散焊、超聲波焊、爆炸焊、冷壓焊、旋弧焊和磁力脈沖焊等組成。

0 引言

壓力焊是焊接科學(xué)技術(shù)的重要組成之一，廣泛應(yīng)用于航空、航天、能源、電子、車輛及輕工等部門。統(tǒng)計(jì)資料表明，用壓力焊完成的焊接量，每年約占世界總焊接量的1/3，并有繼續(xù)增加的趨勢(shì)。為了適應(yīng)新材料、新工藝、新產(chǎn)品在工業(yè)上開發(fā)應(yīng)用的需要，近年來，國(guó)內(nèi)外在壓力焊焊接接頭形成理論、焊接質(zhì)量監(jiān)控技術(shù)、焊接新工藝及新設(shè)備的開發(fā)和新材料焊接等方面作了大量工作。

鑒于壓力焊專委會(huì)在焊接學(xué)會(huì)中的分工，本文僅就電阻焊和摩擦焊技術(shù)的新發(fā)展作一綜述。

1 電阻焊技術(shù)新發(fā)展

電阻焊（Resistance Welding），工件組合后通過電極施加壓力，利用電流通過接頭的接觸面及鄰近區(qū)域產(chǎn)生的電阻熱進(jìn)行焊接的方法，主要由點(diǎn)焊、對(duì)焊、縫焊和高頻焊等組成。電阻焊是一種焊接質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)效率高，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化的連接方法。

1.1 電阻焊接頭形成理論研究進(jìn)展

電阻焊接頭形成理論研究為電阻焊新材料、新工藝、新設(shè)備、接頭質(zhì)量監(jiān)控技術(shù)等發(fā)展創(chuàng)造了條件。因此，它不僅具有較高的學(xué)術(shù)理論意義，也有很大的工程實(shí)用價(jià)值。

1．1．1點(diǎn)焊熔核孕育處理

國(guó)內(nèi)學(xué)者趙熹華等人，在國(guó)家自然科學(xué)基金和美國(guó)GM基金資助下對(duì)多種難焊金屬材料（鋁合金、彈簧鋼等）開展了“點(diǎn)焊熔核孕育處理理論與方法”的研究，現(xiàn)已取得如下成果：

（1）首次獲得了全部凝固組織為等軸晶的點(diǎn)焊熔核（圖1b）。
（2）首次使全部為柱狀晶的點(diǎn)焊熔核貼合面處出現(xiàn)等軸晶區(qū)（圖2b）。
（3）擴(kuò)大熔核等軸晶區(qū)，縮小熔核柱狀晶區(qū)，使凝固組織晶粒顯著細(xì)化。

（a）未經(jīng)孕育處理（柱狀晶+等軸晶） （b）經(jīng)過孕育處理（等軸晶）
圖1 LY12CZ鋁合金點(diǎn)焊熔核

（a）經(jīng)孕育處理（柱狀晶組織及貼合面）（b）經(jīng)過孕育處理（貼合面處的等軸晶組織）
圖2 65Mn彈簧鋼點(diǎn)焊熔核

研究結(jié)果表明，孕育處理可顯著提高點(diǎn)焊接頭力學(xué)性能，尤其是疲勞強(qiáng)度。這就為點(diǎn)焊質(zhì)量監(jiān)控技術(shù)開辟了一條新路，從“質(zhì)”的方面根本改善了點(diǎn)焊接頭質(zhì)量。

1．1．2電阻焊過程的數(shù)值模擬

數(shù)值模擬技術(shù)可靈活地對(duì)電阻焊過程中的各種影響因素進(jìn)行研究，幫助人們進(jìn)行一些不可能通過試驗(yàn)而完成的研究和分析，從而為電阻焊研究提供理論上的指導(dǎo)。其中點(diǎn)焊接頭形成過程的數(shù)值模擬研究一直是該領(lǐng)域科學(xué)研究發(fā)展的重要趨勢(shì)。目前的研究主要集中在點(diǎn)焊過程中的熱、電、力行為，即根據(jù)物理學(xué)中描述熱、電、力問題的基本方程，通過對(duì)方程中參數(shù)變化和邊界條件進(jìn)行假設(shè)，建立點(diǎn)焊過程的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而用數(shù)值方法對(duì)點(diǎn)焊過程的溫度場(chǎng)、電流場(chǎng)、電勢(shì)場(chǎng)和應(yīng)力、應(yīng)變場(chǎng)進(jìn)行求解，用以研究點(diǎn)焊過程機(jī)理。近期研究進(jìn)展見表1。

表1 點(diǎn)焊過程數(shù)值模擬研究進(jìn)展

1．1．3新型工業(yè)材料焊接性研究

新型工業(yè)材料—鍍鋅鋼板和鋁合金等在汽車工業(yè)中獲得了大量應(yīng)用，但由于其物理性能上的特殊性，其點(diǎn)焊焊接性很差，尤其是點(diǎn)焊過程中電極的磨損和沾污，嚴(yán)重影響了連續(xù)點(diǎn)焊生產(chǎn)。而小焊點(diǎn)和粘焊等缺陷又使點(diǎn)焊接頭力學(xué)性能和可靠性沒有保障，尤其是鋁合金更為嚴(yán)重。因此，必須對(duì)這些材料的點(diǎn)焊焊接性作進(jìn)一步深入細(xì)致的研究。

鍍鋅鋼板焊接性研究主要集中在以下方面：

（1）鍍層涂復(fù)方法（電鍍鋅、熱鍍鋅、熱鍍Zn—Fe合金）及鍍層厚度影響。 #p#分頁標(biāo)題#e#

（2）鍍層與電極頭之間相互影響，法國(guó)學(xué)者T. Dupuy對(duì)電極端部損壞作了專題研究。

（3）熔核結(jié)晶形態(tài)、缺陷產(chǎn)生機(jī)理、力學(xué)性能等與點(diǎn)焊參數(shù)的關(guān)系等。

（4）以信息和控制新技術(shù)對(duì)點(diǎn)焊工藝和過程進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè)。

鋁合金板焊接性研究主要集中在以下方面：

（1）電極粘結(jié)和噴濺產(chǎn)生機(jī)理及解決措施。例如，鋁合金點(diǎn)焊中飛濺的小波分析研究；在鋁合金板兩面分別鍍不同厚度的鉻酸鹽層，改變接觸電阻大小的效果研究等。

（2）鋁合金電阻點(diǎn)焊過程的數(shù)值模擬及能量分析等。

（3）鋁合金點(diǎn)焊工藝設(shè)計(jì)及質(zhì)量控制的智能化研究。

1.2 電阻焊質(zhì)量控制技術(shù)

保證電阻焊接頭質(zhì)量，提高其可靠性的核心就是在生產(chǎn)過程中運(yùn)用先進(jìn)的手段和設(shè)備實(shí)施質(zhì)量控制。特別是由于點(diǎn)焊工藝運(yùn)用的廣泛性、重要性和具有代表性，點(diǎn)焊質(zhì)量控制技術(shù)始終是電阻焊領(lǐng)域研究的前沿和熱點(diǎn)。

眾所周知，點(diǎn)焊過程是一個(gè)高度非線性、有多變量耦合作用和大量隨機(jī)不確定因素的過程，具有形核過程時(shí)間極短，處于封閉狀態(tài)無法觀測(cè)，特征信號(hào)提取困難等自身特點(diǎn)。這就造成焊點(diǎn)質(zhì)量參數(shù)（熔核直徑、強(qiáng)度等）無法直接測(cè)量，只能通過一些點(diǎn)焊過程參數(shù)（焊接電流、電極間電壓、動(dòng)態(tài)電阻、能量、熱膨脹電極位移、聲發(fā)射、紅外輻射和超聲波等）進(jìn)行間接的推斷，這就極大影響了點(diǎn)焊質(zhì)量監(jiān)控的準(zhǔn)確性和可靠性。經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間的探索和實(shí)踐，研究者已獲得如下共識(shí)：發(fā)展多參量綜合監(jiān)測(cè)技術(shù)是提高點(diǎn)焊質(zhì)量監(jiān)控精度的有效途徑，即充分利用監(jiān)測(cè)信息，采用合理的建模手段，建立合理的多元非線性監(jiān)測(cè)模型并使該模型能在較寬條件內(nèi)提供準(zhǔn)確、可靠的點(diǎn)焊質(zhì)量信息，是質(zhì)量控制技術(shù)關(guān)鍵。研究表明，利用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)理論、模糊邏輯理論、數(shù)值模擬技術(shù)及專家系統(tǒng)等可望解決真正的點(diǎn)焊質(zhì)量直接控制，將點(diǎn)焊質(zhì)量控制技術(shù)的研究推向一個(gè)新高度。

1．2．1基于模糊分類理論的點(diǎn)焊質(zhì)量等級(jí)評(píng)判

德國(guó)學(xué)者Burmeister認(rèn)為，電阻點(diǎn)焊過程是一個(gè)分類過程，是不能用公式來清晰描述。只有通過監(jiān)測(cè)點(diǎn)焊過程參數(shù)的一些最大值或最小值來進(jìn)行片面描述，這樣就可以從過程的函數(shù)描述轉(zhuǎn)換為過程的分類描述，并用現(xiàn)有的專家知識(shí)來建立分類等級(jí)。目前，已有用模糊分類的方法來評(píng)估焊接電流引起的過程信號(hào)（電極位移特征量、電極加速度特征量）和焊點(diǎn)質(zhì)量變化的報(bào)道。并指出模糊分類雖然適用于描述點(diǎn)焊過程的復(fù)雜性和非線性，可以用于焊點(diǎn)質(zhì)量的等級(jí)評(píng)估，但只能給出焊點(diǎn)質(zhì)量參數(shù)的大致范圍，而且評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性難以避免地受到專家知識(shí)等眾多人為因素的影響。

1．2．2基于回歸分析理論的點(diǎn)焊質(zhì)量多參數(shù)監(jiān)測(cè)方法

鋁合金點(diǎn)焊焊接性較差，應(yīng)用又日益廣泛，迫切需要解決其質(zhì)量監(jiān)控問題。英國(guó)學(xué)者M(jìn). HAO等人研制了一種鋁合金點(diǎn)焊多參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可采集點(diǎn)焊過程和識(shí)別較寬范圍過程現(xiàn)象的特征量，并利用回歸分析的方法估測(cè)焊點(diǎn)的熔核直徑和拉伸強(qiáng)度，試驗(yàn)表明，回歸模型的估測(cè)值有足夠的準(zhǔn)確性。

1．2．3基于神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)理論的點(diǎn)焊質(zhì)量多參量綜合監(jiān)測(cè)

國(guó)內(nèi)學(xué)者張忠典等人運(yùn)用神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)理論，研究了低碳鋼動(dòng)態(tài)電阻與焊點(diǎn)質(zhì)量之間的模型關(guān)系，建立了點(diǎn)焊質(zhì)量模糊綜合評(píng)判模型，實(shí)現(xiàn)了低碳鋼點(diǎn)焊質(zhì)量的多參量綜合監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)表明，即使在惡劣的生產(chǎn)條件下，該系統(tǒng)也能實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)點(diǎn)焊質(zhì)量，確定合理的質(zhì)量等級(jí)，滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及焊后評(píng)估的要求。

1．2．4基于數(shù)值計(jì)算的熔核直徑在線自適應(yīng)控制

日本學(xué)者西口公之等人研發(fā)的該方法需在焊前預(yù)先輸入被焊件及其材質(zhì)的機(jī)械與熱物理參數(shù)，焊接時(shí)每隔一定時(shí)間間隔檢測(cè)焊接電流與電極間電壓，按照熱傳導(dǎo)數(shù)學(xué)模型計(jì)算出溫度場(chǎng)分布情況，從而實(shí)時(shí)推算出熔核的生長(zhǎng)情況，并據(jù)此反饋控制焊接電流以改變焊接區(qū)溫度上升斜率。通過合理調(diào)控各時(shí)間段溫度上升斜率，確保熔核長(zhǎng)大過程及結(jié)束前達(dá)到要求的直徑。實(shí)際生產(chǎn)使用證明，本技術(shù)能較好的解決鍍鋅鋼板的點(diǎn)焊質(zhì)量。缺點(diǎn)是該方法需進(jìn)行大量在線計(jì)算，必須采用高性能計(jì)算機(jī)，使設(shè)備投資增加。 #p#分頁標(biāo)題#e#

目前，用數(shù)值模擬方法模擬鋁合金點(diǎn)焊過程熱—電—力學(xué)過程，預(yù)測(cè)點(diǎn)焊熔核的生長(zhǎng)、電極磨損和裂紋形成情況等的研究正在進(jìn)行，并取得一定進(jìn)展。

同時(shí)，把模糊控制(FLC) 和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN) 建模相結(jié)合，所研究出的點(diǎn)焊智能控制系統(tǒng)正受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者和企業(yè)的重視。

1.3 電阻焊新工藝

1．3．1隨機(jī)多脈沖回火熱處理點(diǎn)焊

該工藝可解決焊接性較差的可淬硬鋼等的接頭脆性和焊接質(zhì)量不穩(wěn)定。

其工藝特點(diǎn)如下：

（1）采用增大的電極壓力（為相同板厚低碳鋼點(diǎn)焊時(shí)的1.5~1.7倍），調(diào)制焊接電流脈沖（即使用熱量遞增控制以減輕或避免內(nèi)噴濺）以防止點(diǎn)焊接頭宏觀缺陷（縮松、縮孔、裂紋）的產(chǎn)生。

（2）采用隨機(jī)多脈沖回火熱處理（回火脈沖次數(shù)n≥3），以防止點(diǎn)焊接頭顯微組織缺陷（硬脆馬氏體、過燒組織）的出現(xiàn)，以及準(zhǔn)確控制點(diǎn)焊接頭組織及其分布特征，使接頭高應(yīng)力區(qū)獲得完全回火處理。

據(jù)報(bào)道，該工藝比通常采用的雙脈沖點(diǎn)焊工藝，可顯著提高接頭強(qiáng)度和疲勞性能。

1．3．2精密脈沖電阻對(duì)焊

該工藝可解決形位尺寸要求嚴(yán)格，焊接性差和接頭性能有特殊要求的精細(xì)零件對(duì)焊。

其工藝特點(diǎn)如下：

（1）采用調(diào)制焊接壓力（通過由直流電磁鐵為核心的電磁加壓機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)），使頂鍛開始時(shí)間和頂鍛力準(zhǔn)確、及時(shí)。
（2）采用調(diào)制電流脈沖（焊接脈沖+后熱處理脈沖，后熱處理脈沖可為單脈沖、雙脈沖及多脈沖）。
（3）調(diào)制焊接壓力與調(diào)制電流脈沖可適當(dāng)配合，組成最佳精密脈沖對(duì)焊焊接循環(huán)，如圖3所示。

圖3 TiNi記憶合金精密脈沖對(duì)焊原理

據(jù)報(bào)道，該工藝可較好實(shí)現(xiàn)記憶合金（TiNi）、可淬硬合金以及熱物理性質(zhì)相差較大的異種金屬的對(duì)焊。

1．3．3導(dǎo)熱電阻縫焊

導(dǎo)熱電阻縫焊（Conductive Heat Resistance Seam Welding）是利用普通通用電阻焊機(jī)，通過鐵的電阻熱的傳導(dǎo)，進(jìn)行鋁材的焊接，具有如下優(yōu)點(diǎn)：無熱裂紋缺陷；與電弧焊或其它電阻焊方法相比具有較少的內(nèi)部氣孔；高的焊接速度（高于普通電阻縫焊和電弧焊，低于激光焊）；中等裝備成本；不需填充金屬或保護(hù)氣體。

1.4 電阻焊新設(shè)備

次級(jí)整流電阻焊機(jī)和逆變式電阻焊機(jī)是當(dāng)今世界電阻焊機(jī)發(fā)展的主要方向；隨著現(xiàn)代控制理論與電子元器件發(fā)展，其技術(shù)是關(guān)鍵（低電壓大電流給次級(jí)整流帶來難度；控制的可靠性和精確性要求更高等）已基本解決。目前，逆變式電阻焊機(jī)是優(yōu)先發(fā)展的熱點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，日本的Miyachi、Seiwa，歐洲的Messer、Tecna，北美的TJ Snow，韓國(guó)的Taesung，中國(guó)的天津七○七所等已有容量300KVA以下的該類焊機(jī)產(chǎn)品。圖4為逆變式電阻焊機(jī)原理圖。

圖4 逆變式電阻焊機(jī)原理示意圖

逆變式電阻焊機(jī)具有以下特點(diǎn)：

（1）響應(yīng)速度快，控制精度高。由于采用較高的逆變頻率（500~2000Hz），時(shí)間調(diào)節(jié)和反饋控制周期在1ms（1000Hz）以內(nèi)，大大提高了焊接電流控制精度。

（2）體積小，重量輕。由于采用中頻的工作頻率，在相同的功率輸出時(shí)焊接變壓器體積和重量明顯減小，據(jù)報(bào)道，采用逆變式的一體式焊鉗其重量可減輕50%。

（3）三相負(fù)載平衡，功率因數(shù)高，節(jié)能。

（4）工藝優(yōu)勢(shì)明顯。焊接電流為脈動(dòng)直流（且波紋度小），無交流過零不加熱工件的缺點(diǎn)，熱量集中能焊接各種材料。同時(shí)，電極壽命獲得延長(zhǎng)。

目前，逆變式電阻焊機(jī)要繼續(xù)深入研究的主要問題是：

（1）大功率開關(guān)元件的不斷更新。IGBT（雙極型隔離柵晶體管）是發(fā)展大功率逆變式電阻焊機(jī)的首選開關(guān)元件，其單管額定電流可達(dá)300A，集射極耐壓高達(dá)1200V，可以采用邏輯電平直接驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了元件驅(qū)動(dòng)的電壓控制。 #p#分頁標(biāo)題#e#

（2）大功率整流二極管的不斷更新。由于次級(jí)整流元件的接入增加了焊機(jī)的功率損耗（約占整臺(tái)焊機(jī)輸出功率的28%），雖然采用肖特基二極管會(huì)得到改善，但仍存在輸出功率受到限制及其冷卻系統(tǒng)增加焊機(jī)體積和重量的問題。

（3）主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不斷發(fā)展。應(yīng)用于逆變焊接電源的主電路使用過以下拓樸結(jié)構(gòu)，推輓.式逆變電路、全橋式逆變電路、半橋式逆變電路、單端式逆變電路等。各逆變電路都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用條件而定。

（4）逆變電路控制方式的不斷改進(jìn)。控制方式改進(jìn)主要體現(xiàn)在逆變電路中功率開關(guān)管是以何種模式開斷的，即硬開關(guān)和軟開關(guān)。近年來，脈寬調(diào)制軟開關(guān)技術(shù)（SPWM）成為逆變控制系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)，它綜合了傳統(tǒng)的脈寬調(diào)制技術(shù)和諧振技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，僅在功率器件換流瞬間，應(yīng)用諧振原理，實(shí)現(xiàn)零電壓或零電流轉(zhuǎn)換，而在其余大部分時(shí)間采用恒頻脈寬調(diào)制方法，完成對(duì)電流輸出電壓或電流的控制，因此，開關(guān)器件所受的電流或電壓應(yīng)力少。

逆變式電阻焊機(jī)特別適宜于機(jī)器人焊接和精密焊接。近年來，針對(duì)次級(jí)整流電阻焊機(jī)和逆變式電阻焊機(jī)均需要對(duì)焊接電流進(jìn)行次級(jí)整流，就必然會(huì)存在因次級(jí)整流元件而帶來的一系列問題，國(guó)內(nèi)學(xué)者王清在對(duì)三相低頻電阻焊機(jī)深入研究的基礎(chǔ)上，開發(fā)了無次級(jí)整流直流電阻焊新技術(shù)，并研制出一臺(tái)以工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（IPC）為控制核心，以IGBT為功率開關(guān)元件，采用分段斬波控制方法的逆變式無次級(jí)整流直流電阻焊機(jī)樣機(jī)，工作原理見圖5。試驗(yàn)表明，該機(jī)具有良好的點(diǎn)焊工藝性能。

圖5 逆變式無次級(jí)整流直流電阻焊機(jī)電路原理圖

1.5新型點(diǎn)焊機(jī)器人

點(diǎn)焊機(jī)器人通常由操作機(jī)、控制器和點(diǎn)焊鉗等組成，現(xiàn)代點(diǎn)焊機(jī)器人特點(diǎn)是：

（1）采用逆變一體式點(diǎn)焊鉗，大大降低了機(jī)器人抓重。具有控制精度高、響應(yīng)速度快、節(jié)能、焊接工藝性能好等顯著優(yōu)點(diǎn)。

（2）采用新型電極驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。近年出現(xiàn)的伺服式點(diǎn)焊鉗（槍），用伺服馬達(dá)作位置反饋，當(dāng)機(jī)器人運(yùn)行時(shí)，機(jī)器人控制伺服鉗作為其輔助軸之一，可實(shí)現(xiàn)電極加壓軟接觸及電極壓力實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，在與焊接電流最佳配合后，顯著提高了點(diǎn)焊質(zhì)量和消除噴濺。例如這種MOTOMAN點(diǎn)焊機(jī)器人已在日本、美國(guó)和歐洲獲得應(yīng)用。

（3）自動(dòng)快速更換多種焊鉗技術(shù)。機(jī)器人帶有焊鉗儲(chǔ)存庫，可根據(jù)焊裝部位的不同要求或焊裝產(chǎn)品的變更，自動(dòng)從儲(chǔ)存庫抓換所需焊鉗（圖6），增加了機(jī)器人的柔性。

（4）配備自動(dòng)化的質(zhì)量和產(chǎn)量控制系統(tǒng)，例如：機(jī)器人三維激光視覺系統(tǒng)，數(shù)字?jǐn)z像控制系統(tǒng)，射線質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)等，有利于焊接質(zhì)量的集中管理和控制。

（5）新型的離線示教機(jī)器人，可借助CAD/CAM獲取焊件構(gòu)造、焊接條件和機(jī)器人機(jī)構(gòu)等信息，進(jìn)行離線示教，示教時(shí)間短，焊接質(zhì)量穩(wěn)定。

圖6 可自動(dòng)更換焊鉗的點(diǎn)焊機(jī)器人

2 摩擦焊技術(shù)新發(fā)展

摩擦焊（Friction Welding），是在軸向壓力與扭矩作用下，利用焊接接觸端面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)及塑性流動(dòng)所產(chǎn)生的摩擦熱及塑性變形熱使接觸面及其近區(qū)達(dá)到粘塑性狀態(tài)并產(chǎn)生適當(dāng)?shù)暮暧^塑性變形，然后迅速頂鍛而完成焊接的一種壓焊方法，主要由連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊、慣性摩擦焊、攪拌摩擦焊、線性摩擦焊、三體摩擦焊和摩擦堆焊等組成。摩擦焊是一種優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能、無污染的固相連接方法。

2.1 攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding, FSW）

FSW是英國(guó)焊接研究所（TWI）1991年推出的一項(xiàng)專利技術(shù)，其原理見圖7。即焊接開始時(shí)，高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭上的特形指棒鉆入工件的接縫處，造成其與工件摩擦生熱，使被焊金屬成塑性狀態(tài)并攪拌金屬形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)空腔，旋轉(zhuǎn)空腔隨摩擦頭向前移，被擠出的塑性金屬填入先前形成的空腔，冷卻后即形成致密的焊縫。在整個(gè)焊接過程中，空腔的產(chǎn)生與填滿連續(xù)進(jìn)行，焊縫區(qū)金屬經(jīng)歷著被擠壓、摩擦生熱、塑性變形、轉(zhuǎn)移、擴(kuò)散以及再結(jié)晶等。 #p#分頁標(biāo)題#e#

(a) 攪拌摩擦焊原理 (b) 攪拌頭上的特形指棒 (c) 焊接現(xiàn)場(chǎng)
圖7 攪拌摩擦焊（FSW）

攪拌摩擦焊的優(yōu)點(diǎn)：

（1）可焊接板材及多種接頭形式（對(duì)接、角接、搭接和T形接頭等），可進(jìn)行不同位置（平焊、立焊、仰焊和俯焊等）焊接。

（2）可用于焊接熔焊時(shí)有一定難度的材料，如鋁合金、鈦合金及銅鋁、鋼鋁、鋼銅、熱固性塑料/熱塑性塑料等異種材料。同時(shí)，也可焊接厚度變化材料、多層材料。鍛造與鑄造材料之間的焊接等。

（3）焊縫質(zhì)量高，接頭中不發(fā)生熱裂紋、氣孔等缺陷，接頭力學(xué)性能優(yōu)異。例如，與氬弧焊相比焊接2×××系列鋁合金，其接頭強(qiáng)度提高15%~20%，延伸率提高100%，斷裂韌度提高30%。同時(shí)，焊接變形小，甚至長(zhǎng)焊縫變形也不大，殘余應(yīng)力很低。

（4）焊接成本低。焊前準(zhǔn)備要求低，允許接縫有薄氧化膜及附著雜質(zhì)；不需焊后處理；無需填充材料和保護(hù)氣體等；

（5）焊接過程無熔化、無飛濺、無煙塵、低噪聲，是一環(huán)保型的節(jié)能連接技術(shù)。

攪拌摩擦焊的缺點(diǎn)主要是，施焊時(shí)焊件需剛性固定，需要有背墊，焊縫尾部有匙孔等，這些使FSW的工藝柔性受到限制。

鑒于FSW具有諸多顯著的優(yōu)點(diǎn)，近年來該技術(shù)及其工程應(yīng)用的開發(fā)進(jìn)展很快，英國(guó)TWI、美國(guó)愛迪生焊接研究所（EWI）、德國(guó)Stuttgart大學(xué)、瑞典ESAB公司、中國(guó)的北京航空工藝研究所等均作了大量工作，主要集中在：

（1）建立FSW模型。例如，英國(guó)劍橋大學(xué)的H.R.Shercliff、美國(guó)EWI的Z.Feng等開發(fā)了一種模擬FSW熱過程的加熱模型，利用該模型可以快速準(zhǔn)確地計(jì)算出焊接工藝參數(shù)，更好地了解該工藝的加熱和接合機(jī)理；國(guó)內(nèi)學(xué)者汪建華等人提出了一個(gè)基于三維熱彈塑性有限元分析的傳熱和力學(xué)計(jì)算模型，利用該模型可以了解FSW過程中溫度場(chǎng)，并首次預(yù)測(cè)了焊后的殘余應(yīng)力和變形。

（2）改變攪拌頭形狀和材質(zhì)，以適應(yīng)不同材料焊接的需要。

（3）發(fā)展復(fù)雜接頭形式的FSW技術(shù)，通過旋轉(zhuǎn)工件、采用數(shù)控式機(jī)器人以用于環(huán)狀焊縫、非線性焊縫和三維焊縫。

（4）發(fā)展輕質(zhì)鎂合金，以及鎂合金與鋁合金的焊接技術(shù)，開發(fā)在汽車行業(yè)的應(yīng)用。

攪拌摩擦點(diǎn)焊（Friction Stir Spot Welding，F(xiàn)SSW）是FSW中的特定形式，是針對(duì)汽車鋁結(jié)構(gòu)車身的連接而進(jìn)行開發(fā)研究的。FSSW裝置安裝在機(jī)器人臂上，施焊時(shí)由機(jī)器人臂移到要焊部位，夾緊臂下降夾緊要焊的板，然后攪拌頭下降進(jìn)行焊接，焊接結(jié)束后松開夾緊臂，整個(gè)裝置由機(jī)器人臂移到新的點(diǎn)焊位置，工作過程和完成的焊點(diǎn)如圖8所示。

圖8 攪拌摩擦點(diǎn)焊（FSSW）
(左)FSSW裝置 （上）FSSW焊點(diǎn)外觀 （下）FSSW焊點(diǎn)橫截面

FSSW焊點(diǎn)實(shí)際上有一段長(zhǎng)度L（L=πD²/d+2.5mm，D是該板材電阻點(diǎn)焊時(shí)焊點(diǎn)直徑，d是特形指棒直徑），試驗(yàn)表明，AA6061-T4板材的FSSW焊點(diǎn)表面光滑，內(nèi)部無缺陷，有較好的靜載和動(dòng)載強(qiáng)度。

2.2 線性摩擦焊（Linear Friction Welding, LFW）

LFW焊接過程如圖9所示：摩擦副中的一側(cè)工件被一對(duì)往復(fù)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)著相對(duì)于另一側(cè)被夾緊的工件表面作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并在其軸向施加壓力下，隨著摩擦運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，摩擦表面被清理并產(chǎn)生摩擦熱，摩擦表面的金屬逐漸達(dá)粘塑性狀態(tài)并產(chǎn)生變形，形成飛邊。然后，停止往復(fù)運(yùn)動(dòng)并施加頂鍛力，完成焊接。

圖9 線性摩擦焊示意圖

線性摩擦焊的優(yōu)點(diǎn)：

（1）可焊接方形、圓形、多邊形截面的金屬或塑料工件。配合合適的工夾具還可焊接更不規(guī)則的構(gòu)件，如葉片與渦輪盤的焊接（圖10）。 #p#分頁標(biāo)題#e#

（2）固態(tài)焊接，金屬不熔化和熱影響區(qū)窄；低應(yīng)力和小變形，高完整性；焊縫的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與彈性性能與基體金屬相同。

圖10 LFW焊接的整體葉盤 圖11 LinFricTM型線性摩擦焊機(jī)

（3）焊接過程可完全機(jī)械和自動(dòng)控制，可靠性高（圖11）。因此，可實(shí)現(xiàn)一次焊接多零件，亦可用于生產(chǎn)線上。

目前，已用LFW焊接不銹鋼、鋁、鈦和鎳合金，甚至金屬間化合物（ —TiAl）以及異種金屬。劍橋焊接研究所已經(jīng)在研究采用LFW技術(shù)制造整體葉輪，并實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)輪轂與發(fā)動(dòng)機(jī)體的整體焊接。西北工業(yè)大學(xué)開展了整體葉盤LFW焊接過程中溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬及焊接過程的擬實(shí)分析與驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)等工作。