上海交通大学：《材料制备新技术（专业硕士课程）》教学资源_搅拌摩擦焊接 Friction stir welding

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搅拌摩擦焊接 Friction stir welding 2011-10-28

上降充通大粤 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 陈科，讲师/硕士生导师 Email:chenke83@situ.edu.cn Tel:021-54748974 Office:材料A楼407 2009年美国俄亥俄州立大学博士毕业 搅拌摩擦焊接工艺 JIAO TONG UNIV 高温结构材料 金属材料的高温变形及高温稳定性 © 背散射电子衍射技术(EBSD) K.Chen 2

K. Chen 陈科，讲师/硕士生导师 Email: chenke83@sjtu.edu.cn Tel: 021-54748974 Office: 材料A楼407 2009年美国俄亥俄州立大学博士毕业 搅拌摩擦焊接/工艺 高温结构材料 金属材料的高温变形及高温稳定性 背散射电子衍射技术(EBSD) 2

材料连接 上帝充通大￥ SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 胶接 ER GLVE 502 机械连接 强的厨衡容和 b@@0-3发 >液固变化形成分 1502 (502 1502 sUProcu 子键合（微观） 502 502 >机械接合（宏观） 502w 502 52 502 502瞬间胶super glue 熔焊 钎焊 K.Chen 3

K. Chen 材料连接 3 胶接 机械连接 熔焊 钎焊  液固变化形成分 子键合（微观）  机械接合（宏观）

搅拌摩擦焊接 上海文豆大学 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 搅拌摩擦焊接(Friction stir welding,FSW) Click here foronline Moviel Play the SWF movie K.Chen 4

K. Chen 搅拌摩擦焊接（Friction stir welding, FSW） 搅拌摩擦焊接 4

原理和特点 上帝充通大￥ SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 搅拌摩擦焊原理： 1)搅拌摩擦焊是利用一种特殊的非耗损的搅拌头，旋转着压入待焊材料的界面，搅拌头 与被焊零件的摩擦使被焊材料热塑化： 2）当搅拌头沿着焊接界面向前移动时，搅拌头与待焊材料的摩擦和材料的热塑变形持续 产生热量； 3)同时热塑化的材料由前向后转移填充搅拌头后沿空隙； 4)在热机联合作用下形成致密的固相连接接头。 轴向压力 特点： 焊接线 >无熔化，是新型固态焊接技术 焊缝前进侧 搅拌头前沿 >无需复杂的表面处理及开坡口，只需 搅拌头轴肩 去除油渍 >无需焊料 >无需保护气体 焊缝(weld) >绿色焊接技术一没有烟尘、飞溅、紫 搅拌针 外辐射 搅井头后沿 焊缝回转侧 >低耗能，只需2.5%的激光焊能量 铣床/磨床+搅拌头=搅拌摩擦焊接 K.Chen 5

K. Chen 焊缝(weld) 搅拌头前沿 5 搅拌摩擦焊原理： 1) 搅拌摩擦焊是利用一种特殊的非耗损的搅拌头，旋转着压入待焊材料的界面，搅拌头 与被焊零件的摩擦使被焊材料热塑化； 2) 当搅拌头沿着焊接界面向前移动时，搅拌头与待焊材料的摩擦和材料的热塑变形持续 产生热量； 3) 同时热塑化的材料由前向后转移填充搅拌头后沿空隙； 4) 在热/机联合作用下形成致密的固相连接接头。 原理和特点 铣床/磨床 + 搅拌头 = 搅拌摩擦焊接 特点：  无熔化，是新型固态焊接技术  无需复杂的表面处理及开坡口，只需 去除油渍  无需焊料  无需保护气体  绿色焊接技术—没有烟尘、飞溅、紫 外辐射  低耗能，只需2.5%的激光焊能量

发明及专利 上帝克通大￥ SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 发明于1991，Cambridge,The Welding Institute(TW) W.M.Thomas,et.al,G.B.Patent Application No.9125978.8(December 1991). 5年内实现工业应用-挪威MARINE公司就把搅拌摩擦焊 技术成功地应用在铝合金快速舰船的甲板、侧板等 目前专利已授权给了超过全球200多家单位 已广泛应用于，海运、航空航天、汽车、铁路等等 © 主要应用于铝合金和镁合金，铜合金和锌合金的应用也 已成熟，钢、钛合金、和镍基高温合金上也获得了成功 K.Chen 6

K. Chen 发明于1991，Cambridge, The Welding Institute (TWI) - W.M. Thomas, et. al, G.B. Patent Application No. 9125978.8 (December 1991). 5年内实现工业应用 - 挪威MARINE公司就把搅拌摩擦焊 技术成功地应用在铝合金快速舰船的甲板、侧板等 目前专利已授权给了超过全球200多家单位 已广泛应用于，海运、航空航天、汽车、铁路等等 主要应用于铝合金和镁合金，铜合金和锌合金的应用也 已成熟，钢、钛合金、和镍基高温合金上也获得了成功 发明及专利 6

FSW设备 上降充通大警 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 最田且Y AO TON K.Chen 7

K. Chen FSW设备 7

可实现全方位焊接 上降充通大粤 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY >搅拌摩擦焊是长、直规则焊缝（平板对接和搭接）的理想焊接方法 >也可以实现2-D、3-D结构的焊接，如筒形零件的环缝和纵缝 >及全位置空间焊接，如水平焊、垂直焊、仰焊以及任意位置和角度的轨道焊。 square butt edge butt T butt joint lap joint multiple lap joint Tlap joint corner joint ESAB Robot全位置空间焊接(1：36) K.Chen 8

K. Chen 可实现全方位焊接 8 搅拌摩擦焊是长、直规则焊缝（平板对接和搭接）的理想焊接方法 也可以实现2-D、3-D结构的焊接，如筒形零件的环缝和纵缝 及全位置空间焊接，如水平焊、垂直焊、仰焊以及任意位置和角度的轨道焊。 square butt edge butt T butt joint lap joint multiple lap joint T lap joint corner joint ESAB Robot全位置空间焊接(1:36)

铝合金的搅拌摩擦焊 上降充通大粤 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY Aluminium com Cu Mn Mg Zn other 1XXX 2XXX 3XXX 4XXX 5XXX 6XXX 7XXX 8xXX Fusion Welding Friction Stir Welding heat-treatable non-heat-treatable mostly weldable mostly non-weldable 航空用高强铝合金，大量应用于航空航天领域 但是，用传统熔焊难以焊接，限制了这类材料的应用 ■粗大晶粒 ■低致密度，孔隙过多 铝合金是主要的研究及应用对象 K.Chen 9

K. Chen 航空用高强铝合金，大量应用于航空航天领域 但是，用传统熔焊难以焊接，限制了这类材料的应用  粗大晶粒  低致密度，孔隙过多 铝合金是主要的研究及应用对象 铝合金的搅拌摩擦焊 9

温度分布 上泽文夏大警 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY Top Surface Temperature are in 'C 0 475 Retreating Advancing ●257 ●315●330·342●379●402●455 475 1 Nugget ●322 ●335●388●400 ●435●418 HAZ 2 463 ●301 310● ●397●415●440 458 3 445 ●255 ●305●327●342●405●420●443 460 4 432 MSd eouesIa 433 5 ●284 ●310●342●353●382●368●3920 415 6 ●308 ●328 ●372●378●400· 42 10 8 6 4 2 0 7075A-T651搅拌摩擦中 Distance from Edge of FSW Nugget,mm 热电偶实测温度分布 温度低于材料熔点（0.6Tm-0.8Tm) 温度分布上下不对称：上表面温度高 K.Chen 10

K. Chen 温度低于材料熔点（ 0.6Tm-0.8Tm ） 温度分布上下不对称：上表面温度高 温度分布 10 7075Al-T651搅拌摩擦中 热电偶实测温度分布