鋁合金攪拌摩擦焊的工藝研究

王兵　林麗　張華

摘? 要：在20世紀90年代，在固態(tài)塑化連接中出現(xiàn)的一種新工藝，即攪拌摩擦焊工藝。攪拌摩擦焊與傳統(tǒng)工藝相比，具有很多傳統(tǒng)工藝無法比擬的優(yōu)勢，攪拌摩擦焊工藝具有無飛濺、無煙塵的特點，是當(dāng)下最典型的清潔加工制造技術(shù);其次，使用攪拌摩擦焊進行焊接時，形成的焊縫較好，這主要得益于攪拌摩擦焊的接頭部分沒有金屬融化，也不存在大范圍的熱塑變形。在鋁合金焊接中攪拌摩擦焊是重要的工藝方法，本文將對鋁合金攪拌摩擦焊工藝進行深入的研究。

關(guān)鍵詞：鋁合金;攪拌摩擦焊;工藝

引言：

自攪拌摩擦焊誕生以來，因其自身具備的優(yōu)點一度受到世界學(xué)者的高度注意。目前，攪拌摩擦焊被評為當(dāng)代綠色環(huán)保焊接技術(shù)，堪稱焊接技術(shù)的一次革命。與傳統(tǒng)的熔化焊比較，攪拌摩擦焊不僅節(jié)約成本，還不會產(chǎn)生煙塵、輻射等，更不會對工人的身體健康帶來危害。發(fā)達國家在鋁合金攪拌摩擦焊技術(shù)上的研究比我國要早，并且發(fā)達國家已經(jīng)進入了商業(yè)化階段，但我國對鋁合金攪拌摩擦焊技術(shù)的研究力度也在不斷加大，以促進我國工業(yè)領(lǐng)域能夠盡早推廣該項技術(shù)。

一、攪拌摩擦焊概述

（一）攪拌摩擦焊的基本原理

攪拌摩擦焊的工作原理以高速旋轉(zhuǎn)的特殊的攪拌頭作為攪拌摩擦焊的焊接工具，在焊接初始階段攪拌頭會以高速旋轉(zhuǎn)的速度插入到接縫中，當(dāng)?shù)竭_設(shè)定的深度時需要停留0.2秒，這時攪拌頭會沿著焊接的方向進行旋轉(zhuǎn)運動。但是在焊接過程中，摩擦產(chǎn)生的熱量和攪拌產(chǎn)生的熱量會導(dǎo)致焊縫材料升溫，使接頭金屬的塑性軟化更加充分，使其隨著攪拌頭進行移動形成塑性流，由于受到軟化程度不同的影響發(fā)生的塑性變形也不同。

（二）攪拌摩擦焊的優(yōu)缺點

攪拌摩擦焊不僅可以對普通焊接方法難以焊接的材料進行焊接，還具有普通焊接方法不具備的優(yōu)點：第一，攪拌摩擦焊溫度低;第二，攪拌摩擦焊不會產(chǎn)生組織缺陷;第三，攪拌摩擦焊各種機械性能完好;第四，攪拌摩擦焊成本低，輔助工作量少;第五，攪拌摩擦焊不需要氣體保護和韓料;第六，攪拌摩擦焊可以實現(xiàn)全位置焊接;第七，攪拌摩擦焊操作簡單、效率高;第八，攪拌摩擦焊應(yīng)力小、適用性強;第九，攪拌摩擦焊是一種環(huán)保型的焊接方法;第十，攪拌摩擦焊能夠?qū)崿F(xiàn)不同種材料的焊接和水下作業(yè)。

而攪拌摩擦焊也并非是一種十全十美的焊接技術(shù)，它也存在一定的不足和缺點。攪拌摩擦焊的缺點有：第一，攪拌摩擦焊接速度低;第二，攪拌摩擦焊需要加緊工件;第三，攪拌摩擦焊需要支架;第四，攪拌摩擦焊的焊縫端部對出現(xiàn)匙孔;第五，攪拌摩擦焊在焊接薄板時會發(fā)生一定程度的變形。

（三）攪拌摩擦焊的應(yīng)用現(xiàn)狀

因攪拌摩擦焊是一種環(huán)保型的新型焊接技術(shù)，自問世以來在短短的幾年時間就得到了快速的發(fā)展，無論是在焊接機理還是適用材料和設(shè)備等方面都取到了較大的突破?，F(xiàn)階段，攪拌摩擦焊接技術(shù)主要是應(yīng)用在鋁合金、鎂合金、鋅合金等合金材料的焊接中，因其具有較好的焊接效果得到廣泛的應(yīng)用。在應(yīng)用領(lǐng)域上，攪拌摩擦焊技術(shù)主要應(yīng)用在航空、航天、船舶、高速列車等領(lǐng)域的焊接制造中，并在這些領(lǐng)域的產(chǎn)品制造中發(fā)揮了重要的作用，使得產(chǎn)品的質(zhì)量得到了進一步的保障。

二、鋁合金攪拌摩擦焊的工藝研究

在對鋁合金攪拌摩擦焊的工藝進行分析時，選擇3毫米厚的純鋁、硬鋁和防銹鋁作為焊接材料，然后采用鋁合金攪拌摩擦焊技術(shù)方法對其進行焊接，選用自制攪拌摩擦焊設(shè)備，然后進行不同尺寸攪拌焊頭和不同工藝參數(shù)的對比實驗，以觀察焊縫的質(zhì)量、接頭的力學(xué)性能，并對工藝參數(shù)和焊縫質(zhì)量的影響關(guān)系進行分析。

（一）攪拌焊頭對焊縫質(zhì)量的影響

攪拌焊頭的結(jié)構(gòu)作為攪拌摩擦焊的核心，是一種非消耗的、可旋轉(zhuǎn)的焊接工具。理想結(jié)構(gòu)的攪拌接頭能夠提高摩擦所產(chǎn)生的熱量并具有較好的金屬流動性，在攪拌焊頭進行移動時所受的阻力也比較小，因此在焊接速度較高的情況下對較厚的板材進行焊接。

首先，攪拌焊頭形狀對鋁合金焊縫質(zhì)量的影響。攪拌焊頭的形狀主要影響鋁合金攪拌摩擦焊的摩擦產(chǎn)熱和金屬塑性的流動性。目前，攪拌焊頭的形狀主要有圓柱形、圓錐形、螺旋形等。攪拌焊頭設(shè)計合理時，摩擦產(chǎn)生的熱量較高，同時金屬的流動性也較好，焊接的質(zhì)量也相對較好。其次，攪拌焊針尺寸鋁合金焊縫質(zhì)量的影響。大量的實踐表明，攪拌焊針直徑是焊件厚度0.9-1.1 倍時，焊接的焊縫質(zhì)量最為理想。焊針的長度對焊縫背面的成形有一定的影響，焊針過短就無法焊透背面;焊針過長就會導(dǎo)致背面產(chǎn)生的熱量較高，這樣就會對成形的效果帶來影響。一般說來，在對3毫米厚的鋁合金薄板進行焊接時，焊針的長度以3毫米的直徑為最佳，其長度應(yīng)控制在2.5-2.8毫米之間。

（二）工藝參數(shù)對焊縫質(zhì)量的影響

在鋁合金攪拌摩擦焊中，工藝參數(shù)中的旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度、壓力等都會對焊接的質(zhì)量帶來影響。當(dāng)焊接的旋轉(zhuǎn)速度與焊接速度的比值不斷增加時，焊接線的能力就會更加區(qū)域穩(wěn)定，這時焊接的質(zhì)量也就越好。當(dāng)焊接的旋轉(zhuǎn)速度與焊接速度的比值較小時，輸入到焊縫的熱量就會越高，焊縫的焊接質(zhì)量會因為金屬熱量的過高而較差。

其次，實踐表明當(dāng)肩部直徑為9毫米，焊針直徑為3毫米時，壓力應(yīng)保持在215-220N，就會鋁合金攪拌摩擦焊的焊接質(zhì)量較好。若壓力過大，輸入熱量過高，焊縫的致密就越好;若壓力過大，焊縫的組織就會出現(xiàn)疏松，內(nèi)部也會出現(xiàn)孔洞。

（三）攪拌接頭的力學(xué)性能分析

通過進行拉伸實驗，計算出平均抗拉強度，母材為123MPA，焊縫為97.8MPA。在接頭處于焊態(tài)時，焊縫硬度要低于母材;在進行低溫退火處理之后母材硬度要高于焊縫。通過比對接頭與母材的金相組織，焊縫的晶粒要相對細小均勻些。在進行攪拌摩擦焊時，在經(jīng)歷塑性變形和動態(tài)再結(jié)晶之后，晶粒細化、組織致密，焊縫內(nèi)部就不會出現(xiàn)裂紋等缺陷。

結(jié)束語：

綜上所述，在焊接技術(shù)發(fā)展的歷程中，鋁合金攪拌摩擦焊技術(shù)是其發(fā)展中重要的里程碑，為材料的連接提供了新技術(shù)、新方法?，F(xiàn)如今，鋁合金攪拌摩擦焊技術(shù)因其自身的優(yōu)勢已經(jīng)在很多領(lǐng)域中被廣泛的應(yīng)用，但隨著該項技術(shù)的不斷完善和成熟，可以快速的推動我國焊接制造業(yè)的發(fā)展。

參考文獻

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