二 搅拌摩擦焊工艺
1.接头形式
关于这种新焊接方法的接头形式，推荐如图2-5所示的各种接头形状。通常搅拌摩擦焊采用平板对接和搭接形式进行焊接。 它也可实现多种接头的焊接，如多层对接、多层搭接、T形接头、V形接头、角接等，并在实际工业制造中得到了应用。对于角接来说，由于此种焊接方法焊接的焊缝没有增高，原来的接头设计标准已不适用，必须对接头侧的形状进行很好的设计，才能实现焊接。由图2-5（d）可以看到，多重板可实现一次焊接，这是此种焊接方法的一大优点。
图2-5 搅拌摩擦焊接头形状图
除了以上典型接头形式外，经过不断的开发研究，针对不同的结构零件，研究人员设计了多种其它接头形式，如图2-6所示。
图2-7所示为热容量差较大的厚大工件与小薄件的焊接接头。厚大工件为铸态材料，薄件为轧制板材。工业生产中，搅拌摩擦焊不仅可以焊接筒形零件的环缝和纵缝，还可以实现全位置空间焊接，如水平焊、垂直焊、仰焊以及任意位置和角度的轨道焊。
图2-7 不同厚度的铸铝和锻铝的搅拌摩檫焊接头的宏观断面
2. 工艺参数的选择
(1)焊接速度
焊接速度是根据搅拌头的形状和被焊金属来定。几乎与MIG焊相同，或稍比MIG焊快一些，一般为30-100cm/min
不同的被焊金属在不同板厚情况下最大焊接速度如图2-8所示。由图可以看出，在板厚为5mm时，焊接铝的焊速最大为700mm/min；焊接铜的焊速为100mm/min；焊接铝合金时焊速处于500mm/min∽150mm/min范围内；异种铝合金的焊接焊速极低。镁的材料常数为400，比2000系铝合金的材料常数600还低，所以推荐在低速下进行焊接。
图2-8 各种材料的搅拌摩擦焊临界焊接速度计算值
焊接速度也可用如下公式进行计算：
（mm/min）
式中 ΦFSW: 材料常数；
ΨFSW: 搅拌棒常数，通常为1，高效率的搅拌头可取为2；
t: 板厚, 单位为mm
材料常数ΦFSW的大小，除了以上给出的一些金属的数据外，可通过图2-8的数据用以上公式换算出来。在使用以上公式计算时，一定要注意，t是以mm为计量单位的无量纲数带入的。
搅拌摩擦焊的焊接速度也与搅拌头转速有关，搅拌头的转速与焊接速度可在比较大的范围内选择，只有焊接速度与搅拌头转速相互配合才能获得良好的焊缝。
图2-9为5005铝镁合金的搅拌摩擦焊焊接速度与搅拌头转速的关系图，从图中可以看出，焊接速度与搅拌头的转速存在一最佳范围。在高转速低焊接速度的情况下，由于接头获得了搅拌过剩的热量，焊缝金属由肩部排出形成飞边，使焊缝外观显著不良。在低转速或高焊速度范围内，由于获得的热量不足，焊缝金属的塑性流动不好，焊缝会产生空隙（中空）状的缺陷，乃至产生搅拌指棒的破损。最佳范围因搅拌头特别是搅拌指棒的形状不同而不同。对于同一合金材料的搅拌摩擦焊，目前都是在适合范围内的较高焊速下进行施焊。
图2-9 5005铝合金搅拌摩擦焊的最佳规范图
图2-10为不同合金的最佳焊接规范参数。由图可以看出，6000系Al-Si-Mg铝合金（6N01）的搅拌摩擦焊的工艺适用性比5000系Al-Mg合金适用范围要大得多。
图2-10 各种铝合金的搅拌摩擦焊的最佳规范参数
(2) FSW的热输入
搅拌摩擦焊的热输入是以搅拌头的转速与焊接速度之比来表示，即1mm焊缝长度的搅拌头的转数。相对于电弧焊的焊接热输入定义来说，搅拌摩擦焊的热输入不是单位能的概念。搅拌摩擦焊是把机械能转变成热能，它的产热与搅拌头的转速大小有关。因而以搅拌头的转速与焊接速度的比值大小，可定性的说明在搅拌摩擦焊焊接过程中对母材热输入的大小。比值越大，说明对母材的热输入越大。此值的大小，也对应着被焊金属焊接的难易程度。搅拌头的转速与焊速的比值，一般在2～8之间。搅拌摩擦焊的热输入在此值范围内，可获得无缺陷的优良焊接接头。搅拌摩擦焊对母材的热输入即搅拌头的转速与焊速的比值，根据被焊合金不同而取不同的数值。在实际生产中，焊接5083铝合金时此值可以取较小的值，焊接7075铝合金时可以取稍大一些，焊接2024铝合金时此值可以取较大的值。在实际应用时此比值不能取得过小，如果过小，焊缝会产生缺陷。
(3)接头的精度
被焊工件对接接头的装配精度比电弧焊要求更加严格。在搅拌摩擦焊时，接头的装配精度要考虑如图2-11所示的几种情况，即接头间隙、错边量大小和搅拌头中心与焊缝中心的偏差。
①接头间隙及接头错边量
图2-11接头间隙、错边量及中心偏差
图2-12 接头精度对机械性能的影响
接头的精度和搅拌头的位置有关。图2-13表示了搅拌头肩部的直径与允许接头间隙的关系。从图中可以看出搅拌头的肩部直径越大，允许接头间隙越大。这是因为搅拌头肩部本身也与被焊金属的塑性流动现象有着极大的关系，间接说明了搅拌头的形状、肩部直径或形状有一个最佳形状。
图2-13 搅拌头直径对允许接头间隙的影响
搅拌头肩部表面与母材表面接触程度，在焊接过程中也是一个很重要的因素。可通过焊接结束后的搅拌头肩部外观来判别焊接时的搅拌头旋转的方向，以及搅拌头肩部表面与母材表面接触程度。即搅拌头肩部表面完全被侵蚀，说明搅拌头肩部表面与母材表面接触是正常的；当肩部周围75%表面被侵蚀，说明搅拌头肩部表面与母材表面接触程度是在允许的范围内；肩部表面被侵蚀在70%以下，说明搅拌头肩部表面与母材表面接触不良，这种情况是不允许的。
② 搅拌头中心的偏差
在搅拌摩擦焊时，搅拌头的中心与焊接接头中心线的相对位置，对焊接接头的质量，特别是焊接接头的机械强度有很大的影响。图2-14是搅拌头的中心位置对焊接接头抗拉强度的影响。此图也表示出了搅拌头中心位置与焊接方向以及搅拌头旋转方向之间的关系。
图2-14 搅拌棒中心位置对接头抗拉强度的影响
从图中可见，对于搅拌头旋转的反方向侧，在搅拌头的中心与焊接接头中心线偏差2mm时，对焊接接头的机械性能几乎无影响；而在与搅拌头旋转方向相同方向一侧，搅拌头的中心与焊接接头中心线偏差2mm时，便会造成焊接接头的机械性能显著降低。当搅拌头的搅拌指棒直径为5mm时，搅拌头的中心与焊接接头中心线允许偏差为搅拌指棒直径的40%以下，这是对于FSW焊接性好的材料而言，而对于焊接性较差的其它合金，允许范围就小得多。为了获得优良的FSW焊接接头，搅拌头的中心位置必须保持在允许的范围内。接头间隙和搅拌头中心位置都发生变化时，对其中一个因素必须要严格控制。例如，接头间隙在0.5mm以下，搅拌头的中心位置大致允许偏差2.0mm。
另外，还要考虑接头中心线的扭曲、接头间隙的不均匀性、接合面的垂直度或平行度等。
在确定FSW工艺参数时，要考虑搅拌指棒的形状及焊接胎夹具等因素。此外还应考虑FSW焊机的其它部分对缺陷产生的可能性。这些因素对确定FSW最佳规范也有一定的影响。
