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2016-08-08摩擦攪拌銲接(Friction Stir Welding)

摩擦攪拌銲接(Friction Stir Welding),在1991年由英國銲接研究所(The Welding Institute , TWI)所發展出來的新式銲接方法。簡稱為FSW,是一項新的接合製程技術。FSW有別於傳統銲接方法,該方法為一固相接合製程,可形成無缺陷的高接合品質,相較於一般熔融銲接, 可得到良好的機械性質。

1. 摩擦攪拌銲接的工作原理

摩擦攪拌銲接透過機械力和摩擦熱作用下的固相連方法。摩擦攪拌銲接的過程中,利用特殊軸肩和針凸的攪拌頭緩緩慢旋轉插入所需焊接的工件,攪拌頭在高速轉動下與工件摩擦產生摩擦熱量,使攪拌頭附近的區域材料塑化,當攪拌頭旋轉著向前移動時,熱塑化的金屬材料從攪拌頭的前沿向後沿轉移,並且在攪拌頭軸肩與工件表層摩擦產熱和鍛壓共同作用下,形成緻密固相連接接頭。

摩擦攪拌銲接是一種高效、節能、環保型的新型連接技術,且適合用於自動化和機器人操作等多項優點。對於有色金屬材料(如鋁、銅、鎂、鋅等)的連接,攪拌摩擦焊接跟其他焊接方法比較,在焊接方法、接頭力學性能和生產效率上,攪拌摩擦焊接的表現也都較優秀。

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2.  摩擦攪拌銲接步驟:

摩擦攪拌銲接以機械轉動摩擦產生熱能,攪拌頭由於材質較硬,插入要欲結合之的兩工件之中並高速轉動摩擦,待材質軟化〈塑性變形〉後,緩慢向結合地方移動並持續轉動摩擦攪拌,最後取出攪拌頭達成結合。

簡單原理如下圖所示:

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3. 銲道的組織分析:

母材經摩擦攪拌銲接後,其原有的組織產生了明顯變化。其種可分為下列的四個區域

(1) 母材:即原始之材料,還未受銲接熱影響之工件。

(2) 熱影響區:介於母材及熱機影響區之間,此區是受到摩擦熱作用後,該區的熱量接近鋁合金的退火溫度, 且未受到攪拌狀況下晶粒由原本之晶粒再結晶並進一步成長至更粗大的晶粒。

(3) 熱機影響區:此區之晶粒除受熱影響外,其晶粒也因工具頭的迴轉擠壓而變形,由於肩部以下Pin頭邊緣受到摩擦熱及與擠壓的雙重作用,此區晶粒受到扭曲變形並有成長的趨勢。

(4) 動態再結晶區:又稱為攪拌區,位於銲道中央,直接受到工具頭之摩擦。攪拌和擠壓,其特徵為具有再結晶的等軸細晶粒。

4. 摩擦攪拌銲接之優點:

(1) 銲接過程簡單,無需添加銲條或填料等消耗物。

(2) 接頭邊緣不需前加工處理。

(3) 銲接前不需事先清除工件表面的氧化物。

(4) 整個過程可採自動化的銲接方式。

(5) 對鋁、鎂合金銲件而言,摩擦攪拌銲接可達到高接合強度的性能要求。

(6) 可使用對於銲道裂縫敏感性較高的合金材料。

(7) 噪音小且不產生粉塵。