岳立帅 李明 崔传铭 李玉强
中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛
摘要：搅拌摩擦焊作为一种绿色的焊接方式，在各个领域都有应用，但由于搅拌摩擦焊热源输入有限，在应用中受到一定的限制，近年来大量的工作人员开始研究复合热源的搅拌摩擦焊，辅助热源主要包括电阻热源、感应热源、电弧热源、激光热源和超声热源等。通过复合热源的形式，提高了搅拌摩擦焊的焊接质量、焊接速度和应用范围。
关键词 搅拌摩擦焊 复合热源 电阻 感应 电弧 激光 超声
前言
搅拌摩擦焊是一种固相连接技术，焊件在搅拌头压紧、旋转和摩擦作用下，发生塑性变形，在摩擦热和塑性形变能的热机综合作用下，实现塑性金属流动并扩散连接形成焊缝[1]。常规的搅拌摩擦焊在焊接过程中，热量的输入是依赖搅拌头轴肩与焊件表面的摩擦，和搅拌针侧面及端部与工件的摩擦生热[2]，但是在焊接高熔点、厚度大的合金时，由于产热有限，导致搅拌针难以提供足够的热输入，而导致焊缝底部金属温度低，流动能力差，产生焊接缺陷，因此可以采用复合热源焊接的方法解决这一难题。复合热源焊接方法是指将两种或两种以上的焊接方法集合到一体，充分利用各种焊接热源的特点和优势，实现焊接过程。复合搅拌摩擦焊是通过额外的加热装置在焊接时对工件的待焊区域进行局部的加热，然后进行常规的搅拌摩擦焊。在辅助热源作用下，提高被焊材料塑性流动能力，减小焊缝内部缺陷产生，优化焊接质量，同时预热能够降低材料对搅拌头的抗力，从而提高焊接速度，降低搅拌头的损耗。
目前已经开发出了多种复合热源的搅拌摩擦焊技术，如以电阻热源、感应热源、电弧热源、激光热源和超声热源等辅助热源的复合热源搅拌摩擦焊。
1电阻—搅拌摩擦复合焊
Donald J.Sphinella[3]将搅拌头作为电极，单独的滚轮作为另一极，利用轴肩、搅拌针和工件之间的接触电阻产生电阻热加热焊件的待焊部位，但这种接触电阻产生的热量有限，为了增加电阻，需要在搅拌头和工件表面涂覆陶瓷层，使的这种方式复合焊在实际应用有一定的限制。
王鸿[4]采用4种电流形式对AZ31B镁合金进行了同种金属载流-搅拌摩擦焊接。研究不同电流形式对焊缝性能的影响。
毛育青[5]在搅拌摩擦焊的平台下面增加电阻丝，通过电阻丝加热对待焊铝合金底部进行辅助加热，通过改变电阻丝加热温度，调控焊缝金属的预热温度，通过这种实验，研究了铝合金厚板在不同预热温度下FSW焊缝成型的质量。这种方式的缺点使加热只能对规则的焊件进行加热，应用受限。
2感应—搅拌摩擦复合焊
Midling[6]设计了一种利用感应线圈预热的搅拌摩擦焊，感应线圈跟随搅拌头一起向前移动。感应线圈加热的缺点是它是一种大范围区域的加热，难以精确加热特定的位置，且只不适用于非磁性材料，并且要控制感应电流的传导路径以免感应电流会横越焊接路径形成不良的放电火花，影响焊接质量。
申志康[7]设计了一种高频感应热源-搅拌摩擦焊平台，通过对焊接试样进行测试分析，发现预热显著提高了焊接速度，降低了搅拌头的磨损，但是过高的预热温度会使焊缝区晶粒粗大，降低焊缝质量，
3电弧—搅拌摩擦复合焊
目前采用的电弧辅助热源主要采用的是TIG热源和等离子热源，固定形式都是将焊枪固定在搅拌头前面的一定距离，利用电弧热对工件的待焊部位进行预热，并随搅拌头一起前进。
夏浩[9]针对616装甲钢，研究了基于正面TIG电弧热源、背部加热垫板的复合搅拌摩擦焊焊接系统，有效的避免的孔洞、飞边、表面氧化等缺陷，得到了表面与内部成型均良好的焊缝，成功的解决了超高强钢搅拌摩擦焊的焊接难点。
刘会杰等人[10]采用等离子弧作为辅助热源，以航天工业常用的2219-T6铝合金为材料，在国内率先进行等离子弧复合搅拌摩擦焊研究。
DK Yaduwanshi[8]使用等离子辅助搅拌摩擦焊接方式，研究了铝合金接头性能，研究表明这种方式比传统搅拌摩擦焊，焊缝的横向强度提高了8%，预热的效果增加了材料的流动性，使焊缝区的硬度均匀化，整体提高了焊缝的性能。
Sindo[11]在搅拌头两侧施加电弧热源，利用不同功率的电弧分别对焊缝两侧的金属进行加热，使不同材料同时达到其塑性状态，实现异种材料的搅拌摩擦焊。
电弧复合搅拌摩擦焊设备简单，实用性强，未来有更大的发展潜力，但其也有一定的缺陷，电弧形成的双重热循环使的焊核区沉淀相粗化，同时强烈的弧光会影响搅拌摩擦焊焊接过程的观察。
4激光—搅拌摩擦复合焊
激光复合搅拌摩擦焊技术是利用激光的高能束热源预热待焊工件搅拌头的前方，激光热源随着搅拌头一同前进，形成牢固的焊接接头，激光热源加热集中，形成的焊缝热影响区小，焊缝性能高。
G.Kohn[12]等人通过控制激光的功率和光斑位置，精确的控制热输入的大小和对工件的预热区域，有效的避免了激光热源对工装和搅拌头的损伤，
但激光热源的缺陷是某些材料对激光的反射率高，造成能源浪费，如果在高反射率的材料表面涂反射材料，工艺复杂。
5超声波—搅拌摩擦复合焊
超声振动作为一种机械能，它能够降低材料塑性变形是的屈服应力和流变应用，因此可以作为辅助热源，它的优点是频率高、方向性强和能量集中，并且其不是热源的形式，能够避免双重热循环对焊接接头的不利影响，不会影响焊缝的热影响区域，此外超声振动还能够达到细化晶粒的目的。目前主要有三种超声振动的施加方式：1从横向施加到搅拌头上；2从轴向施加于搅拌头；3直接施加在工件上。方式1和2需要对搅拌摩擦焊设备进行改动，一般比较难实现，除非定制设备。方式三直接施加在工件上，武传松、刘小超等人[13]就是采用的这种形式，其超声波发射器固定方式和其他辅助热源方式一样，因此其设备简单，而且不像电弧辅助热源那样有强烈的弧光影响对搅拌头的观察，应用前景好。
6结论与展望
搅拌摩擦焊作为一种无弧光、无烟尘、无污染的绿色焊接方式，通过外加热源的方式，最大限度的扩大搅拌摩擦焊的应用范围，每种外加热源的搅拌摩擦焊都有其应用场景。在未来还会形成多种辅助热源集合在一起的搅拌摩擦焊，集合多种热源的优势，提高焊接质量、焊接速度，同时降低搅拌摩擦焊对工装夹具的要求。
参考文献
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