摩擦焊接不同于一般的焊接，而是在兩個焊件的焊接端面上加一定的壓力，并使兩接觸面互相或用一定的工具對接觸面作劇烈的摩擦運動，由摩擦產(chǎn)生的熱把接觸面加熱達(dá)到一定的焊接溫度（一般為稍低于材料的熔點）時急速停止運動，并施以一定的頂鍛壓力使兩個焊件產(chǎn)生很大的塑性變形，接觸表面金屬原子緊密靠近，出現(xiàn)相互擴(kuò)散和晶間連系，形成共同的重結(jié)晶、中間化合物等從而使兩者緊密結(jié)合在一起。
摩擦焊技術(shù)經(jīng)過長年的發(fā)展，已經(jīng)發(fā)展出許多分支，大致的分類有：焊件繞軸心連續(xù)運動或慣性運動的摩擦焊、焊件作其他運動的摩擦焊、焊件不運動的攪拌摩擦焊等。
Part 1
什么是攪拌摩擦焊？
攪拌摩擦焊FSW（Friction Stir Welding）作為一種固相連接技術(shù)，在1991年發(fā)明，與傳統(tǒng)熔化焊相比，無需添加焊絲、不需要保護(hù)氣體，焊接過程無污染、無煙塵、無輻射，焊接接頭殘余應(yīng)力低，具有焊接效率高、焊接變形小、能耗低、設(shè)備簡單、焊接過程安全等一系列優(yōu)點。經(jīng)過20多年的發(fā)展，F(xiàn)SW已經(jīng)在航空航天、軌道交通、船舶、3C、能源等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。
圖1 攪拌摩擦焊接原理
攪拌摩擦焊的基本組成和原理如圖1所示，高速旋轉(zhuǎn)的攪拌摩擦焊接工具上端柄部加工出扁平面被裝在機(jī)床主軸傳動部件下的工具夾頭夾持傳動，其下端突出的攪拌銷扎入將被焊接兩件之間摩擦攪拌加熱塑化它們使彼此擴(kuò)散重結(jié)晶結(jié)合起來，攪拌摩擦工具的肩部形成攪拌肩則與工件上表面摩擦攪拌也產(chǎn)生高熱，使它前面的材料也發(fā)生高熱塑性變形，隨著攪拌摩擦焊接工具的移動，把塑性變形重結(jié)晶的材料后推沉積在攪拌摩擦工具的背后，并同時在它的壓力作用下形成焊縫實現(xiàn)被焊件互相結(jié)合。攪拌肩可防止塑性狀態(tài)的材料溢出，還可起到清除表面氧化膜的作用。在焊接過程中，工件應(yīng)剛性固定在背部墊板上。
Part 2
攪拌摩擦焊與CNC加工
由于焊接時會產(chǎn)生巨大的軸向頂鍛力和前進(jìn)抗力，同時焊接轉(zhuǎn)速也會進(jìn)一步增大，對機(jī)床和主軸的剛性和精度都提出了更高的要求，目前攪拌摩擦焊的機(jī)床仍以專機(jī)為主，配合機(jī)器人，但也有制造商開始嘗試將攪拌摩擦焊與車銑加工結(jié)合在一起。
早在2014年，山崎馬扎克就開發(fā)了首臺融合FSW的混合復(fù)合加工機(jī)VTC-530/20 FSW，將新一代摩擦攪拌焊接技術(shù)集成到馬扎克立式加工中心，實現(xiàn)了在同一臺機(jī)床上完成從金屬切削加工到金屬焊接的所有工序（DONE IN ONE）。
圖3：從切削到焊接的摩擦攪拌焊工序
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2015年，Stirweld公司開發(fā)一款像角度頭一樣可安裝拆卸的攪拌摩擦焊接頭（如圖2的藍(lán)色部分）。通過專用的工具夾頭可安裝多種攪拌摩擦工具對工件進(jìn)行焊接熱加工，突破擴(kuò)大了數(shù)控機(jī)床只能冷加工的應(yīng)用范圍。它的結(jié)構(gòu)簡單能方便地安裝在工廠現(xiàn)有的數(shù)控機(jī)床上，因不需專用設(shè)備大大地降低了攪拌摩擦焊接設(shè)備投資成本。
圖2 在數(shù)控機(jī)床上安裝的攪拌摩擦焊接頭
恒輪在其2022年德國開放日上展示了創(chuàng)新的攪拌摩擦焊技術(shù)。恒輪表示，未來將在所有四軸和五軸加工中心上實現(xiàn)攪拌摩擦焊功能。
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Part 3
結(jié)語
由于新能源汽車消費市場的高速增長，動力電池的市場需求也連帶強(qiáng)勁增長，催生了動力電池制造專機(jī)的市場，帶來了銅鋁復(fù)合摩擦焊接設(shè)備的市場需求。之前此類專機(jī)均由進(jìn)口設(shè)備壟斷，現(xiàn)在國內(nèi)機(jī)床廠可以實現(xiàn)國產(chǎn)，突破技術(shù)封鎖，實現(xiàn)了設(shè)備的自主可控，面向動力電池行業(yè)，能夠?qū)崿F(xiàn)銅鋁復(fù)合極柱高效、穩(wěn)定且可靠的焊接加工，解決了國內(nèi)動力電池結(jié)構(gòu)件廠家對此類設(shè)備的迫切需求。
