回填式搅拌摩擦点焊是在搅拌摩擦焊的基础上发展起来的一种新型固相连接技术。焊接过程中高速旋转的搅拌工具压入工件，在摩擦热、材料塑性变形和搅拌工具轴向压力的作用下形成点焊接头，通过搅拌工具之间的相对运动来实现材料的回填。这项工艺最大的特点在于焊接过程中热输入少，接头热变形很小，而且能量消耗少。因此可以避免各种熔焊缺陷，此外还具有无飞溅、环保等优点，焊接过程中不会产生匙孔，焊点外观平整，焊点强度高。铝合金在搅拌工具压力作用下产生塑性变形，金属在固态下形成连接。

申报项目面向焊接技术与工程、材料成型及控制工程、机械工程等专业学生和企业技术人员，针对回填式搅拌摩擦点焊焊点成形过程直观性差和金属晶粒连接微观化的问题，着力还原真实实验过程中金属流动行为和金属键结合过程，虚拟仿真搅拌工具工作过程和金属原子结合过程，系统构建焊接工艺室和焊接实验室，真实还原焊接工艺设计过程和焊接质量分析，学生在焊接工艺工程师和焊接操作员的指引下完成实验过程，借助虚拟仿真实验切身体验回填式搅拌摩擦方法焊点形成实景，使学生有身临其境的沉浸感。

知识点：共 4 个

1.回填式搅拌摩擦点焊工具

回填式搅拌摩擦点焊搅拌工具又名搅拌头，它是将形成焊点的主要工作部分，主要由压紧环、套筒和搅拌针三部分组成，下图所示为回填式搅拌摩擦点焊搅拌工具示意图。

①压紧环，压紧环位于搅拌工具最外侧，实现上下位移，主要作用是使上下两板之间能够紧密结合，保证搅拌工具在工作过程中流动金属可以在焊点内部流动，不产生金属的逸出，保证焊点内部金属完整性，实现两板之间可靠连接。

②套筒， 套筒位于压紧环内侧，主要作用是产生摩擦热和压力，在高速旋转下套筒端部与材料之间产生摩擦，同时套筒向下运动，使焊点内部金属在其压力作用下实现塑性流动，是实现焊点形成的主要工作部分。

③搅拌针， 搅拌针在搅拌工具的中心，是与套筒同时旋转的，其主要作用完成焊点内部金属的回填，在套筒下扎过程中，搅拌针上移，将塑性的金属挤压至搅拌针空腔中，当套筒上移时，搅拌针下扎，经内部金属回填至焊点中。

2.回填式搅拌摩擦点焊焊点形成过程

按搅拌工具的工作过程，一般可将回填式搅拌摩擦点焊过程分为以下四个部分：

①摩擦阶段， 压紧环、套筒和搅拌针位于同一平面，搅拌工具整体下扎并紧贴工件表面，套筒与搅拌针同时做高速旋转，与材料表面产生摩擦产生焊接所需要的热量，使焊接部位金属达到塑性状态。

②下扎阶段 压紧环依旧紧贴工件表面，套筒在高速旋转状态下开始下扎，下扎过程中套筒继续与金属摩擦产生热量，同时套筒对金属产生挤压作用，使金属产生塑性流动，在套筒下扎的同时，搅拌针也在高速旋转的状态下开始上移，在搅拌工具内部形成空腔，使塑性流动的金属流动的该空腔中，套筒下扎到设定深度后停止下扎。

③回填阶段 套筒开始向上运动并逐渐从扎入焊点的状态运动到工件表面，于此同时搅拌针向下运动直到与工件表面，在此过程中，套筒向上运动留下空腔，搅拌针挤压套筒内的材料并使其流动到空腔，完成金属的回填过程。

④成形阶段 套筒和搅拌针完成回填阶段后并停止高速旋转，待焊点成形后，搅拌工具整体离开金属表面，漏出焊点表面。

3.焊接工艺参数

①下压力 搅拌工具下压力是焊接过程中搅拌针与搅拌套下扎的动力，该动力由焊机机头的液压系统或电动系统提供。液压缸（电动机）的压力通过焊机机头的螺杆传递到搅拌工具上，在下压力的作用下搅拌针（套）扎入金属熔体在中，在金属熔体中搅拌，摩擦加热金属熔体，使其随着搅拌工具共同旋转前进。下压力的存在是为了克服熔体流动过程中的阻力，使搅拌针（套）能够进入金属熔体并与之一同运动。反之，流动过程中存在的阻力通过下压力来抵消，以保证填充过程顺利进行。

②焊接转速 焊接转速是指焊接过程中，焊具旋转速度，焊具在高速旋转的状态下与工件接触，产生的热量使金属材料软化并达到热塑性状态。焊接过程中的热输入主要通过焊具同工件之间的摩擦产生。焊接转速是影响焊接质量的关键参数。不同焊接转速的热输入量不同，所形成的焊点性能也不同，大的热输入量会影响其他区域的组织形貌，因此在选择时，要根据需要选择合适的焊接转速，从而得到达标的焊点。

③下扎深度 焊接过程中，旋转的轴肩下扎到金属材料中，轴肩下扎的深度即是下扎深度。下扎深度影响焊点的断裂机制，当下扎深度小于上板的厚度时，两板搭接截面的原子扩散程度较弱，因此所形成的连接较弱，焊接接头的断裂模式往往为剪切断裂，当下扎深度大于上板厚度时，焊接接头的断裂模式为一般为焊点剥离。

④下扎时间 下扎时间指轴肩开始下扎时开始，到下扎到最大深度时所消耗的时间，下扎时间表征了。

⑤回填时间 回填时间指轴肩从最大深度回抽时开始，到与轴针达到同一平面时所消耗的时间。

⑥下压量 由于焊具之间存在间隙，在焊接过程中塑性材料会进入焊具间隙中而导致材料流失，可能造成接头存在沟槽和孔洞缺陷，而通过焊接完成后，搅拌针和搅拌套同时下压一定深度，可以消除沟槽和孔洞缺陷，此下压深度，我们称之为下压量。下压量对成型质量至关重要，同时，还影响焊点成型形貌。下压量太大会使焊点大量减薄，影响其力学性能。下压量太小容易在焊点周边形成沟槽或空洞缺陷。

4.回填式搅拌摩擦点焊焊点缺陷及产生原因

①焊点剥离 在点焊过程中由于搅拌针过热或停留转速大、停留时间长等工艺参数不合适，使焊点中心材料被搅拌针粘连、拔起形成的缺陷。在焊接过程中保持搅拌针（套）处在合适的温度区间以及选取合适的工艺参数可有效避免该缺陷的产生。在焊接过程中可通过采用空冷或者水冷的方式降低搅拌针温度；降低停留转速；缩短停留时间（停留时间一般应控制在2s以内）等方案减小该缺陷的出现。

②焊点凸起（凹陷） 在焊接过程中搅拌套与搅拌针之间出现相对错动，最下端不在同一平面，使焊点中心凸起（凹陷），该类缺陷称之为焊点凸起（凹陷）。在焊接过程中以母材平面为基准，通过调整搅拌针下扎深度与搅拌套肩下扎深度之间的相对距离可有效减少该缺陷的产生。

③未焊合 在焊接过程中由于工件表面的氧化皮被搅进焊缝，未被完全打碎，或由于焊接压力不足，在焊缝底部未形成连接而出现了“裂纹”状缺陷，这类缺陷称之为未焊合。未焊合是搅拌摩擦焊接头根部易出现的焊接缺陷。在搅拌摩擦焊过程中，如果焊具插入下板的深度不够，工件表面致密的氧化层不能被焊具打碎并弥散地分布在接头中，两板间的界面扩展到接头中形成未焊合缺陷。当接头承受剪切载荷时，裂纹沿着两板界面扩展进焊点进而沿着未焊合扩展形成剪切断裂。

④孔洞 在低热输入条件下，由于材料流动不充分，部分区域未能及时被金属回填，形成了与材料流动性相关的孔洞缺陷。随着旋转速度的提高及焊接时间的延长，即热输入的增加，孔洞缺陷会越来越小，当热输入量合适，空洞缺陷会消失。