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攪拌摩擦焊接技術

攪拌摩擦焊接（FSW）是一種固相焊技術，于1991年由英國焊接研究所發明。在FSW過程中，高速旋轉的攪拌工具插入工件，依靠攪拌工具的軸肩與工件之間的摩擦熱使工件軟化，以及攪拌針對工件的強烈塑性變形和混合作用，使材料發生強烈的動態再結晶，在熱塑性狀態下完成焊接，最終獲得了具有等軸細晶組織的高質量焊接接頭（圖1）。由于FSW的固態焊接特征，因此避免了接頭的氣孔、熱裂紋、偏析等凝固缺陷。FSW與傳統熔焊相比，具有高效、低耗、無弧光、接頭殘余應力小、無焊接材料填充、工件變形小、環境友好等優點。

圖1攪拌摩擦焊接示意圖

目前，FSW主要集中在各類鋁合金構件的連接，并被廣泛用于航空航天、艦船、軌道交通等領域中的火箭燃料箱、汽車門板、高鐵車廂地板、新能源汽車電池冷卻托盤等（圖2）。然而目前FSW關于銅、鈦、鋼鐵、不銹鋼、鋯等金屬材料的應用則相對較少。

圖2 攪拌摩擦焊接的應用

  本公司儲備了鋁合金、鎂合金、銅合金、低合金高強鋼、不銹鋼、鋯合金等金屬材料的FSW焊接技術。開發出了FSW環縫焊接設備，可對各類金屬的環形焊縫進行全自動對接，并可獲得高質量的焊接接頭，可廣泛應用在陸地、海上石油管道以及核電、石化反應器等的強耐蝕管道對接。本公司還可開發攪拌摩擦焊裝備，包括一維、二維平面、二維曲面的龍門式攪拌摩擦焊接設備，以及工業機器人攪拌摩擦焊機，可以實現多軸聯動，適用于點焊、縫焊、角焊、平面焊、曲面焊等各類形狀焊接。本公司可根據焊接材料和形狀的不同提出具有針對性的材料加工和焊接工藝，可根據用戶焊接產品的不同，進行專門化、符合用戶使用要求的設計，并承接攪拌摩擦焊機相關產品開發項目。
  在國際上率先將FSW與熱軋復合相結合，開發出真空FSW軋制復合技術，并將該項技術應用到了高合金臨氫鋼特厚板以及高合金臨氫鋼/不銹鋼等異種金屬復合板，以及采用真空電子束或熔焊無法封裝的金屬材料，達到了非常好的焊接效果。

  目前已形成攪拌摩擦焊接系列產品，具體型號分類和相關性能指標如下：

  （1）管材攪拌摩擦焊設備

圖3 管材攪拌摩擦焊機

圖4 6061鋁合金管和X80鋼管環縫

  主要性能指標如下：
  ● 用于對筒類焊接材料進行焊接；
  ● 焊接材料：鋁、銅、鈦等有色金屬及合金鋼；
  ● 焊管直徑范圍：Φ168mm~Φ273mm；
  ● 焊頭徑向移動速度：0-500mm/min；
  ● 焊接速度：30~300 mm/min；
  ● 攪拌頭最大轉速：2000rpm；
  ● 焊接下壓力可達：10噸；
  ● 焊具水冷；
  ● 可水平移動，避免產生焊針留孔；
  ● 主電機功率：22kW。

  （2）板材攪拌摩擦焊設備

圖5 龍門系列攪拌摩擦焊設備

圖6 X100 管線鋼的FSW接頭

圖7 奧氏體不銹鋼的FSW接頭頭

圖8 鋯合金的FSW接頭

  ● 性能指標如下：
  ● 焊接材料：鋁合金、銅合金及鋼合金等；
  ● 床身形式：龍門式；
  ● 焊接行程：根據焊件規格進行具體設計；
  ● 傾角：0-5°；
  ● 焊深：≤60mm。
  （3）工業機器人攪拌摩擦焊機
  ● 主要性能指標如下：
  ● 適用焊接材料：鋁、銅、鎂等有色金屬；
  ● 機械手廠商：酷卡；
  ● 機械手軸數：6軸；
  ● 工作范圍：3200mm；
  ● 適用焊縫類型：點焊、縫焊、角焊；
  ● 焊深：1mm-20mm。

圖9工業機器人攪拌摩擦焊機

（4）真空平面三維抽針式攪拌摩擦焊設備
此外，我們在國際上率先將FSW技術與熱軋復合相結合，開發出真空攪拌摩擦焊軋制復合技術，儲備了鋁合金、銅合金等有色金屬復合板焊接技術，并將該項技術用于高合金臨氫鋼/不銹鋼異種復合板的制備，獲得了高質量的冶金結合界面。

圖10真空平面三維抽針攪拌摩擦焊設備

圖11 12Cr2Mo1R/316L不銹鋼復合板制備和界面組織

圖12板材真空攪拌摩擦焊機

  性能指標如下：
  ● 用于對同種材料或異種材料進行真空狀態下復合焊接；
  ● 適用焊接材料：鋁合金、銅合金、鈦合金等有色金屬；
  ● 設備真空度：≤10-2Pa；
  ● 真空箱室內凈尺寸：1800mm×1800mm×2615mm；
  ● X軸行程：700mm；
  ● 焊接徑向力：22.5kN；
  ● X方向行進速度：0-600mm/min；
  ● Y軸行程：260mm；
  ● 焊接軸向力：100kN；
  ● Y方向行進速度：0-300mm/min；
  ● Z軸行程： 200mm；
  ● Z方向行進速度：0-600mm/min。

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