铝合金搅拌摩擦焊的工艺研究

作者：王兵　林丽　张华

来源：《科学导报·学术》2020年第27期

        摘 要：在20世纪90年代，在固态塑化连接中出现的一种新工艺，即搅拌摩擦焊工艺。搅拌摩擦焊与传统工艺相比，具有很多传统工艺无法比拟的优势，搅拌摩擦焊工艺具有无飞溅、无烟尘的特点，是当下最典型的清洁加工制造技术;其次，使用搅拌摩擦焊进行焊接时，形成的焊缝较好，这主要得益于搅拌摩擦焊的接头部分没有金属融化，也不存在大范围的热塑变形。在铝合金焊接中搅拌摩擦焊是重要的工艺方法，本文将对铝合金搅拌摩擦焊工艺进行深入的研究。

        关键词：铝合金;搅拌摩擦焊;工艺

        引言：

        自搅拌摩擦焊诞生以来，因其自身具备的优点一度受到世界学者的高度注意。目前，搅拌摩擦焊被评为当代绿色环保焊接技术，堪称焊接技术的一次。与传统的熔化焊比较，搅拌摩擦焊不仅节约成本，还不会产生烟尘、辐射等，更不会对工人的身体健康带来危害。发达国家在铝合金搅拌摩擦焊技术上的研究比我国要早，并且发达国家已经进入了商业化阶段，但我国对铝合金搅拌摩擦焊技术的研究力度也在不断加大，以促进我国工业领域能够尽早推广该项技术。

        一、搅拌摩擦焊概述

        （一）搅拌摩擦焊的基本原理

        搅拌摩擦焊的工作原理以高速旋转的特殊的搅拌头作为搅拌摩擦焊的焊接工具，在焊接初始阶段搅拌头会以高速旋转的速度插入到接缝中，当到达设定的深度时需要停留0.2秒，这时搅拌头会沿着焊接的方向进行旋转运动。但是在焊接过程中，摩擦产生的热量和搅拌产生的热量会导致焊缝材料升温，使接头金属的塑性软化更加充分，使其随着搅拌头进行移动形成塑性流，由于受到软化程度不同的影响发生的塑性变形也不同。

        （二）搅拌摩擦焊的优缺点

        搅拌摩擦焊不仅可以对普通焊接方法难以焊接的材料进行焊接，还具有普通焊接方法不具备的优点：第一，搅拌摩擦焊温度低;第二，搅拌摩擦焊不会产生组织缺陷;第三，搅拌摩擦焊各种机械性能完好;第四，搅拌摩擦焊成本低，辅助工作量少;第五，搅拌摩擦焊不需要气体保护和韩料;第六，搅拌摩擦焊可以实现全位置焊接;第七，搅拌摩擦焊操作简单、效率高;第八，搅拌摩擦焊应力小、适用性强;第九，搅拌摩擦焊是一种环保型的焊接方法;第十，搅拌摩擦焊能够实现不同种材料的焊接和水下作业。

        而搅拌摩擦焊也并非是一种十全十美的焊接技术，它也存在一定的不足和缺点。搅拌摩擦焊的缺点有：第一，搅拌摩擦焊接速度低;第二，搅拌摩擦焊需要加紧工件;第三，搅拌摩擦焊需要支架;第四，搅拌摩擦焊的焊缝端部对出现匙孔;第五，搅拌摩擦焊在焊接薄板时会发生一定程度的变形。

        （三）搅拌摩擦焊的应用现状

        因搅拌摩擦焊是一种环保型的新型焊接技术，自问世以来在短短的几年时间就得到了快速的发展，无论是在焊接机理还是适用材料和设备等方面都取到了较大的突破。现阶段，搅拌摩擦焊接技术主要是应用在铝合金、镁合金、锌合金等合金材料的焊接中，因其具有较好的焊接效果得到广泛的应用。在应用领域上，搅拌摩擦焊技术主要应用在航空、航天、船舶、高速列车等领域的焊接制造中，并在这些领域的产品制造中发挥了重要的作用，使得产品的质量得到了进一步的保障。

        二、铝合金搅拌摩擦焊的工艺研究

        在对铝合金搅拌摩擦焊的工艺进行分析时，选择3毫米厚的纯铝、硬铝和防锈铝作为焊接材料，然后采用铝合金搅拌摩擦焊技术方法对其进行焊接，选用自制搅拌摩擦焊设备，然后进行不同尺寸搅拌焊头和不同工艺参数的对比实验，以观察焊缝的质量、接头的力学性能，并对工艺参数和焊缝质量的影响关系进行分析。

        （一）搅拌焊头对焊缝质量的影响

        搅拌焊头的结构作为搅拌摩擦焊的核心，是一种非消耗的、可旋转的焊接工具。理想结构的搅拌接头能够提高摩擦所产生的热量并具有较好的金属流动性，在搅拌焊头进行移动时所受的阻力也比较小，因此在焊接速度较高的情况下对较厚的板材进行焊接。

        首先，搅拌焊头形状对铝合金焊缝质量的影响。搅拌焊头的形状主要影响铝合金搅拌摩擦焊的摩擦产热和金属塑性的流动性。目前，搅拌焊头的形状主要有圆柱形、圆锥形、螺旋形等。搅拌焊头设计合理时，摩擦产生的热量较高，同时金属的流动性也较好，焊接的质量也相对较好。其次，搅拌焊针尺寸铝合金焊缝质量的影响。大量的实践表明，搅拌焊针直径是焊件厚度0.9-1.1 倍时，焊接的焊缝质量最为理想。焊针的长度对焊缝背面的成形有一定的影响，焊针过短就无法焊透背面;焊针过长就会导致背面产生的热量较高，这样就会对成形的效果带来影响。一般说来，在对3毫米厚的铝合金薄板进行焊接时，焊针的长度以3毫米的直径为最佳，其长度应控制在2.5-2.8毫米之间。

        （二）工艺参数对焊缝质量的影响

        在铝合金搅拌摩擦焊中，工艺参数中的旋转速度、焊接速度、压力等都会对焊接的质量带来影响。当焊接的旋转速度与焊接速度的比值不断增加时，焊接线的能力就会更加区域稳定，这时焊接的质量也就越好。当焊接的旋转速度与焊接速度的比值较小时，输入到焊缝的热量就会越高，焊缝的焊接质量会因为金属热量的过高而较差。

        其次，实践表明当肩部直径为9毫米，焊针直径为3毫米時，压力应保持在215-220N，就会铝合金搅拌摩擦焊的焊接质量较好。若压力过大，输入热量过高，焊缝的致密就越好;若压力过大，焊缝的组织就会出现疏松，内部也会出现孔洞。

        （三）搅拌接头的力学性能分析

        通过进行拉伸实验，计算出平均抗拉强度，母材为123MPA，焊缝为97.8MPA。在接头处于焊态时，焊缝硬度要低于母材;在进行低温退火处理之后母材硬度要高于焊缝。通过比对接头与母材的金相组织，焊缝的晶粒要相对细小均匀些。在进行搅拌摩擦焊时，在经历塑性变形和动态再结晶之后，晶粒细化、组织致密，焊缝内部就不会出现裂纹等缺陷。

        结束语：

        综上所述，在焊接技术发展的历程中，铝合金搅拌摩擦焊技术是其发展中重要的里程碑，为材料的连接提供了新技术、新方法。现如今，铝合金搅拌摩擦焊技术因其自身的优势已经在很多领域中被广泛的应用，但随着该项技术的不断完善和成熟，可以快速的推动我国焊接制造业的发展。

        参考文献

        [1] 彭军. ABS与铝合金搅拌摩擦焊工艺研究[D].兰州理工大学，2016.

        [2] 王鹏飞. 铝合金厚板搅拌摩擦焊的工艺研究[D].江苏科技大学，2016.

        [3] 赵颖昕. 铝合金搅拌摩擦焊接缺陷预测方法及组织性能研究[D].北京交通大学，2019.