2AL2鋁合金攪拌摩擦焊研究

姜賢峰

摘 要：攪拌摩擦焊是一種由英國(guó)焊接研究所研發(fā)的固相新型焊接方式。低的焊接溫度、小的熱輸入量、接頭強(qiáng)度較高以及在攪拌摩擦焊接過程中金屬材料不發(fā)生變化，這些優(yōu)點(diǎn)使得攪拌摩擦焊比其他的傳統(tǒng)熔化焊更易于推廣。從攪拌摩擦焊在焊接過程中的攪拌頭和焊接工藝方面出發(fā)，研究攪拌摩擦焊的成型規(guī)律。

關(guān)鍵詞：鋁合金；焊接；加工工藝

中圖分類號(hào)：TG453.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.14031/j.cnki.njwx.2019.03.011

1 選題背景和意義

鋁合金擁有密度小，良好的塑性和加工性能，良好的耐低溫性能，表面性能好，彈性系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)，因此鋁合金廣泛應(yīng)用于汽車、飛機(jī)、機(jī)械制造等諸多領(lǐng)域。

常規(guī)的焊接方式，如手工電弧焊、埋弧自動(dòng)焊和氣體保護(hù)焊等，在焊接過程中焊縫容易產(chǎn)生表面氧化、氣孔和裂紋等不良缺陷，長(zhǎng)期困擾著金屬之間的連接。在這樣的情況下， 攪拌摩擦焊由此產(chǎn)生， 它的問世解決了在焊接中產(chǎn)生的多種弊端。攪拌摩擦焊是一種由英國(guó)的焊接研究所研發(fā)的固相新型焊接方式。它的焊接方法是利用高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭與材料接觸發(fā)生摩擦，進(jìn)而產(chǎn)生大量熱量，促使材料發(fā)生融熔，從而實(shí)現(xiàn)焊接的一種方法。焊接時(shí)有利地消除了裂紋、氣孔、輻射等不利因素，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了焊接的普及， 消除了焊接對(duì)人工技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)的高要求，因此，這項(xiàng)技術(shù)一經(jīng)問世， 就收到了各方的青睞。

本文將采用厚度2.5 mm的2AL2鋁合金薄板，從攪拌摩擦焊在焊接過程中的攪拌頭和焊接工藝幾個(gè)方面入手分析，研究攪拌摩擦焊的成型規(guī)律。

2 攪拌頭的設(shè)計(jì)

在攪拌摩擦焊加工過程中，把高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭看作是焊接的工具，攪拌頭對(duì)焊縫區(qū)域進(jìn)行擠壓、融熔、成型。所以在攪拌頭材料的選擇上，要求具有較強(qiáng)的耐磨損性、耐高溫性、良好的力學(xué)性能，在多次擠壓后能夠保持較小的磨損。

攪拌頭功能的特殊性也決定其形狀與眾不同，分為軸肩和攪拌針。軸肩設(shè)計(jì)為攪拌針直徑的3倍大小，尾部用于刀柄的夾持。攪拌針的長(zhǎng)度稍短于所加工的工件尺寸，攪拌針與軸肩連接處設(shè)計(jì)成一個(gè)7°左右的斜面，有利于高速攪拌針在下壓力作用下，與工件接觸部分軟化組織的流動(dòng)，有利于焊縫區(qū)域組織的再結(jié)晶。

3 機(jī)床的選擇和工件的裝夾

本次實(shí)驗(yàn)應(yīng)用的是普通立式銑床。工件的裝夾和壓板位置的安裝是實(shí)驗(yàn)?zāi)芊癯晒Φ囊粋€(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在焊接過程中，攪拌頭的運(yùn)動(dòng)軌跡可以簡(jiǎn)化為先下壓、再前移，在這一過程中工件會(huì)受到比較大的縱向和軸向的力。兩塊焊接件易出現(xiàn)分離和錯(cuò)位，導(dǎo)致攪拌頭和被焊工件間無法實(shí)現(xiàn)焊接全過程，從而導(dǎo)致焊接的失敗。所以，在裝夾時(shí)，縱向和軸向兩個(gè)方向上加上擋塊和壓塊，避免發(fā)生分離現(xiàn)象。

4 焊接參數(shù)的設(shè)定和工藝的選擇

對(duì)于攪拌摩擦焊最終材料成型的效果，影響因素主要包括攪拌頭的選材和形狀、焊接的進(jìn)給速度、主軸轉(zhuǎn)速和焊接時(shí)的下壓力等。

4.1 焊接的進(jìn)給速度

焊接的進(jìn)給速度對(duì)焊接成型質(zhì)量起著重要的影響，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在較低的焊接進(jìn)給速度下，單位面積內(nèi)產(chǎn)生的熱量較多，形成的焊縫強(qiáng)度也較低，隨著進(jìn)給速度的上升，焊縫強(qiáng)度會(huì)得到改善。但是，如果進(jìn)給速度過快，塑性變形融熔了的材料未能夠填充攪拌頭走過的區(qū)域，焊縫易形成一條狹長(zhǎng)、低于其焊接平面的小溝槽，因此攪拌頭移動(dòng)速度不應(yīng)過慢或過快，需根據(jù)不同焊接材料，參照實(shí)驗(yàn)對(duì)比，尋求最佳速度。

4.2 焊接的主軸轉(zhuǎn)速

攪拌摩擦焊的主軸轉(zhuǎn)速主要是在攪拌過程中調(diào)節(jié)熱量的輸入來影響焊縫的成型。通過攪拌頭在不同轉(zhuǎn)速下焊縫成型的效果對(duì)比，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速較低時(shí)，攪拌頭與工件之間摩擦產(chǎn)生的熱量較小，焊縫區(qū)域不能形成良好的塑性流動(dòng)，易形成溝槽；當(dāng)攪拌頭的轉(zhuǎn)速提高后，焊縫的不良效果會(huì)逐漸得到改善，但也不可過高，過高會(huì)產(chǎn)生局部熔化現(xiàn)象，不利于焊縫的成型。因此在選擇轉(zhuǎn)速時(shí)要根據(jù)不同的材料，采取適合的轉(zhuǎn)速，才能得到最佳焊縫效果。

4.3 焊接下壓力

焊接下壓力是指軸肩與被焊工件之間有接觸的數(shù)值，對(duì)于焊接成型的影響較大。當(dāng)下壓力量過小時(shí)，軸肩與工件的接觸面積會(huì)相應(yīng)減小，接觸壓力也會(huì)減小，焊接區(qū)域會(huì)呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)不夠致密，更甚會(huì)有孔洞等缺陷。當(dāng)下壓力量過大時(shí)，則接觸面積會(huì)增多，軸肩與焊接表面之間會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，這樣會(huì)加速軸肩的損耗，同時(shí)也會(huì)降低成型質(zhì)量，易造成表面出現(xiàn)飛邊等不良特征的產(chǎn)生。

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