1 引言
    隨著全球資源與環(huán)境保護(hù)問(wèn)題的日趨嚴(yán)峻，運(yùn)載工具的輕量化設(shè)計(jì)成為汽車、航空航天等制造領(lǐng)域的發(fā)展方向。一方面采用鋁合金代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼材料，另一方面通過(guò)高效的新型工藝技術(shù)提高產(chǎn)品的可靠性并降低產(chǎn)品重量。鋁合金作為運(yùn)載工具的主要制造材料，其主要連接方式是焊接和鉚接。在歐洲汽車車體生產(chǎn)中，常用的連接技術(shù)是YAG激光焊接方法，在日本車體制造中常用電阻點(diǎn)焊方法，運(yùn)載火箭貯箱的制造過(guò)程中要大量應(yīng)用電阻點(diǎn)焊和鉚接技術(shù)，而航空飛行器的制造過(guò)程更需要廣泛采用鉚接技術(shù)。
    電阻點(diǎn)焊生產(chǎn)效率高、操作靈活性好，但也存在許多局限性，主要表現(xiàn)在：a．焊接過(guò)程需要提供大電流，耗能大；b．鋁合金表面氧化膜造成電極壽命明顯縮短；C．由于焊接大電流的作用，工件將產(chǎn)生明顯的熱變形，且焊縫中易出現(xiàn)缺陷和焊點(diǎn)質(zhì)量不穩(wěn)定，接頭質(zhì)量差；d．焊接過(guò)程中有飛濺，點(diǎn)焊工作環(huán)境差。鉚接是鋁合金構(gòu)件中一種常用的連接技術(shù)，但是采用鉚接技術(shù)一方面會(huì)增加鋁合金構(gòu)件的重量，另一方面在鉚接過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的噪音，生產(chǎn)環(huán)境惡劣，另外，鉚接技術(shù)需要在鋁合金構(gòu)件上預(yù)開孔，增加了生產(chǎn)成本。因此，研究開發(fā)鋁合金新的點(diǎn)焊連接技術(shù)替代傳統(tǒng)的電阻點(diǎn)焊和鉚接技術(shù)，對(duì)擴(kuò)大鋁合金在汽車工業(yè)的應(yīng)用，推動(dòng)汽車輕量化發(fā)展以及提高航空、航天運(yùn)載能力具有十分重要的意義。
    攪拌摩擦點(diǎn)焊(Friction Stir Spot Welding，F(xiàn)SSW)是在“線性”攪拌摩擦焊接基礎(chǔ)上，新近研究開發(fā)的一種創(chuàng)新的焊接技術(shù)。FSSW可以形成點(diǎn)焊的搭接接頭，其焊縫外觀與通常應(yīng)用于鋁合金構(gòu)件的電阻點(diǎn)焊類似，因而具有很高的應(yīng)用價(jià)值和研究意義。
2 攪拌摩擦點(diǎn)焊的基本原理
    目前，已公開的資料中報(bào)道了兩種不同的FSSW技術(shù)。第一種方法是日本Mazda汽車公司于1993年發(fā)明的攪拌摩擦點(diǎn)焊，基本原理如圖1所示。這種攪拌摩擦點(diǎn)焊又稱為“帶有退出孔的攪拌摩擦點(diǎn)焊”技術(shù)，采用的焊接設(shè)備與普通攪拌摩擦焊接設(shè)備類似，具體的焊接過(guò)程可分為3個(gè)階段。
    A．壓入過(guò)程：攪拌頭不斷旋轉(zhuǎn)，通過(guò)施加頂鍛壓力插入連接工件中，在壓力作用下工件與攪拌頭之間產(chǎn)生摩擦熱，軟化周圍材料，攪拌頭進(jìn)一步壓入工件
    B．連接過(guò)程：攪拌頭完全鑲嵌在工件中，保持?jǐn)嚢桀^壓力并使軸肩接觸工件表面，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)一定時(shí)間
    C．回撤過(guò)程：完成連接后攪拌頭從工件退出，在點(diǎn)焊縫中心留下典型的退出凹孔。
    第二種方法是德國(guó)GKSS研究中心于1999年發(fā)明的攪拌摩擦點(diǎn)焊，采用特殊的攪拌頭，通過(guò)精確控制攪拌頭各部件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在攪拌頭回撤的同時(shí)填充攪拌頭在焊接過(guò)程中形成的退出孔，采用該方法焊接的點(diǎn)焊縫平整，焊點(diǎn)中心沒(méi)有凹孔。攪拌摩擦點(diǎn)焊的攪拌頭主要由三部分組成，分別為最內(nèi)部的探針、中間層的袖筒以及最外層的夾套。其中，夾套在焊接時(shí)固定，不發(fā)生旋轉(zhuǎn)，而中間層的袖筒和最內(nèi)層的探針在焊接時(shí)既發(fā)生旋轉(zhuǎn)也發(fā)生沿軸向的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
無(wú)退出孔的攪拌摩擦點(diǎn)焊具體焊接過(guò)程分為以下幾個(gè)階段：
    a.開始焊接時(shí)，工件放置在一剛性墊板上，攪拌摩擦點(diǎn)焊攪拌頭壓在工件上，攪拌頭的探針和袖筒高速旋轉(zhuǎn)，與工件摩擦產(chǎn)生熱量，使材料達(dá)到塑性狀態(tài)。夾套將袖筒、探針以及塑性材料密封在一個(gè)封閉空腔，防止塑性材料外溢，夾套不旋轉(zhuǎn)，如圖2所示。
    b.當(dāng)材料達(dá)到足夠的塑性狀態(tài)時(shí)，探針和袖筒一邊繼續(xù)旋轉(zhuǎn)一邊沿軸向進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)，首先是探針向材料上方運(yùn)動(dòng)，袖筒向材料下方運(yùn)動(dòng)。探針向上運(yùn)動(dòng)為材料的運(yùn)動(dòng)提供空間，袖筒向下運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)推動(dòng)塑性材料發(fā)生相互攪拌與運(yùn)動(dòng)，如圖3所示。
    c.當(dāng)探針和袖筒運(yùn)動(dòng)到一定程度，即當(dāng)袖筒下移到下層工件一定深度后，探針與袖筒反方向進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)，探針向下運(yùn)動(dòng)，袖筒向上運(yùn)動(dòng)。塑性材料進(jìn)一步進(jìn)行融合、攪拌。如圖4所示。
    d.當(dāng)探針與袖筒反方向運(yùn)動(dòng)達(dá)到焊接前的平面時(shí)，探針、袖筒和夾套與工件上表面重新回到一個(gè)平面上。探針和袖筒停止旋轉(zhuǎn)。攪拌頭整體從工件上移走，焊接完成。
    相比之下，第二種方法要完成復(fù)雜的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，填充退出孔將需要相對(duì)長(zhǎng)的焊接時(shí)間，對(duì)設(shè)備的剛性和控制精度要求嚴(yán)格，需要專門的焊接設(shè)備進(jìn)行焊接，前期投入成本較大；但優(yōu)點(diǎn)是焊接后無(wú)退出孔，接頭強(qiáng)度高、質(zhì)量好。而第一種“帶退出孔的攪拌摩擦點(diǎn)焊”方法的優(yōu)點(diǎn)是焊接速度快，并且焊接設(shè)備和控制系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，容易集成到大批量的汽車組裝生產(chǎn)線中，目前已在Mazda公司等多家汽車生產(chǎn)企業(yè)中獲得應(yīng)用。