汽車鋁合金板材攪拌摩擦焊工藝研究

吳耀宏

摘 要：本文通過對汽車鋁合金板材的攪拌摩擦焊工藝進(jìn)行研究，對這種攪拌摩擦焊工藝進(jìn)行了介紹，了解了這種攪拌摩擦焊的工藝。說明了攪拌摩擦焊在汽車鋁合金板材焊接中的優(yōu)勢，接著對攪拌摩擦焊在汽車鋁合金的具體應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)說明，主要列舉了汽車的5754鋁合金板材，6061鋁合金板材，7075鋁合金板材的攪拌摩擦焊接工藝。

關(guān)鍵詞：汽車鋁合金;攪拌摩擦焊工藝

攪拌摩擦焊接技術(shù)的應(yīng)用符合當(dāng)前綠色可持續(xù)環(huán)保理念，它在應(yīng)用中不需要添加焊絲，成本非常的低，對于汽車行業(yè)的發(fā)展有積極的作用。隨著當(dāng)前全球范圍內(nèi)汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，鋁合金的密度低，剛強(qiáng)度好，抗沖擊性能好，同時還能夠進(jìn)行回收這一系列的優(yōu)點(diǎn)，讓鋁合金板材被廣泛的應(yīng)用于汽車車門車廂，底板支撐架等構(gòu)件產(chǎn)品的制造過程中。攪拌摩擦焊作為一種非液態(tài)的綠色環(huán)保焊接技術(shù)，在汽車焊接過程中起著重要的作用。

1 攪拌摩擦焊工藝簡介

攪拌摩擦焊是英國焊接所在二十世紀(jì)末發(fā)明的一種新型固相連技術(shù)，它被廣泛地應(yīng)用于鋁合金的焊接中。攪拌摩擦焊技術(shù)與傳統(tǒng)的摩擦焊技術(shù)存在一定的聯(lián)系，也有很大的差異，攪拌摩擦焊也是和常規(guī)摩擦焊一樣，它們之間最大的相同點(diǎn)就是熱源相同，因?yàn)閮烧叨际抢媚Σ翢岷退苄宰冃螣?。而兩者之間的差異性在于，攪拌摩擦焊技術(shù)是利用圓柱體或者帶螺旋紋圓柱體的攪拌針，深入到接縫處，通過焊頭高速旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn)的過程中利用旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的摩擦熱，讓連接部位的材料發(fā)熱軟化進(jìn)行粘連，完成焊接工作。如圖1所示，根據(jù)箭頭所指示的方向和旋轉(zhuǎn)的位置，在焊接過程中，焊頭會高速的旋轉(zhuǎn)。在這個過程中，焊頭頂端位置會深入到焊接物體中進(jìn)行摩擦攪拌運(yùn)動。然后隨著焊頭移動高度塑形變形的材料沉積，形成焊縫。在這樣的過程中，攪拌頭的劇烈摩擦?xí)尳饘俨牧纤苄攒浕?，被焊接的材料始終保持熱塑化的固體狀態(tài)。在攪拌摩擦焊中，最重要的就是攪拌頭。因此對攪拌頭的制作工藝也有一定的要求，尤其是它的制作材料，這個攪拌頭是由一種非常特別的高溫金屬和其他材料合成的，它的焊頭比要求焊接深度要淺一些。值得一提的是，這種方式焊接之后不會留下焊接孔，攪拌摩擦焊接由于攪拌摩擦過程中熱輸入相對熔焊的過程小，接頭部位就不存在金屬的熔化，它是作為一種固態(tài)的焊接形式[2]。

2 攪拌摩擦焊在汽車鋁合金板材焊接中的優(yōu)勢

鋁合金材料由于具有較好的塑性和加工性能，因此被廣泛的應(yīng)用于車體結(jié)構(gòu)和發(fā)動機(jī)零部件的設(shè)計(jì)中。而在汽車結(jié)構(gòu)中，利用攪拌摩擦焊具有極大的積極性。汽車制造作為一項(xiàng)規(guī)?；墓ぶ圃旃I(yè)，它需要對零部件進(jìn)行高質(zhì)量大規(guī)模的生產(chǎn)，利用攪拌摩擦焊對汽車零件接頭進(jìn)行焊接的時候，能夠大于普通焊接技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[3]。攪拌摩擦焊的焊接接頭的針對性強(qiáng)，所以在對汽車進(jìn)行焊接的過程中，汽車鋁合金板材不容易變形，在工作過程中，能夠在綠色無污染的環(huán)境中一次性完成大規(guī)模的焊接工作，因此工作人員在對汽車鋁合金板材進(jìn)行焊接的過程中，就不必?fù)?dān)心煙塵污染和輻射等問題，它在汽車設(shè)計(jì)方面具有極高的作用。

因?yàn)殇X合金攪拌摩擦焊零件具有較好的拉伸強(qiáng)度和成形性能，所以它非常易于汽車的制造和加工，能夠保持零件尺寸的穩(wěn)定性。也可以實(shí)現(xiàn)汽車異種材料之間的連接，減少汽車結(jié)構(gòu)的總體質(zhì)量，在制造成本上，在制作成本上僅僅投入一臺攪拌摩擦焊設(shè)備的價(jià)格，就能夠生產(chǎn)出多種品牌，多種類型的汽車零件，有效地減少了汽車的制造成本。在利用攪拌摩擦焊工作的過程中，不需要采取多余的輔助工具，這樣能夠降低工具的使用費(fèi)用，利用攪拌摩擦焊能夠保障汽車產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，加快汽車的研發(fā)生產(chǎn)[4]。

3 攪拌摩擦焊在汽車鋁合金板材焊接中的運(yùn)用

本文在分析攪拌摩擦焊在汽車鋁合金板材焊接中的運(yùn)用中，通過5754鋁合金板，6061鋁合金板以及7075鋁合金板所使用的攪拌摩擦焊接方法進(jìn)行說明。

3.1 汽車用5754鋁合金板的攪拌摩擦焊接

結(jié)合攪拌摩擦焊接工藝對汽車5754鋁合金板進(jìn)行焊接過程研究，發(fā)現(xiàn)隨著焊接速度的逐漸提高[5]。5754鋁合金板對攪拌摩擦焊接對接接頭的抗拉強(qiáng)度和伸長率都是先提高，然后再逐漸降低，當(dāng)焊接速度達(dá)到300毫米每分鐘時，焊接強(qiáng)度系數(shù)達(dá)到最大值0.98。繼續(xù)增加焊接速度達(dá)到400毫米每分鐘，接頭的性能就會降低。隨著5754鋁合金拌攪拌摩擦焊工藝研究會發(fā)現(xiàn)攪拌摩擦焊接中攪拌針的長度增加，上下板材之間接觸面積就會逐漸拉大。在旋轉(zhuǎn)速度為800r/min條件下，當(dāng)焊接速度由100毫米每分鐘提高到400毫米每分鐘，抗拉強(qiáng)度和伸長率都是先提高而后降低。在焊接速度為300毫米每分鐘時，5754鋁合金FSW接頭的強(qiáng)度系數(shù)達(dá)到最大值，伸長率為24%，這主要是因?yàn)殡S著焊接速度的提高，不同焊接速度的5754鋁合金攪拌摩擦焊接接頭的焊核區(qū)晶粒尺寸和亞晶界比例差異較小導(dǎo)致的。

3.2 汽車用6061鋁合金板的攪拌摩擦焊接

利用微攪拌摩擦焊設(shè)備對6061鋁合金板進(jìn)行焊接的過程中。通過研究發(fā)現(xiàn)，將攪拌摩擦焊接參數(shù)設(shè)置在轉(zhuǎn)速為20000r/min，焊接速度為300mm/min，能夠達(dá)到最優(yōu)化的焊接狀態(tài)。對于6061鋁合金板而言，要采取微攪拌焊接方法與。傳統(tǒng)的攪拌摩擦焊接相比，微攪拌摩擦焊接所要焊接的工件尺寸較薄，焊接過程中散熱程度很快，熱影響區(qū)的經(jīng)歷受到焊接熱輸入的影響時間不會讓該區(qū)域的晶粒完全長大。因此在利用微攪拌摩擦焊接的過程中，能夠發(fā)現(xiàn)焊接時的晶粒變化不明顯。因此在使用微攪拌摩擦焊接6061鋁合金板的時候，和6057相比，它們的焊接參數(shù)有一定的差異性[6]。

3.3 汽車用7075鋁合金板的攪拌摩擦焊接

通過對7075鋁合金進(jìn)行攪拌摩擦焊接時，這是焊接所采取的主要是攪拌摩擦點(diǎn)焊。這種點(diǎn)焊方式是在線性攪拌摩擦焊接基礎(chǔ)上開創(chuàng)的一種創(chuàng)新焊接技術(shù)。在焊接過程中7075鋁合金攪拌摩擦點(diǎn)焊最優(yōu)數(shù)值是轉(zhuǎn)速為1500r/min，停留時間為六秒時，這時塑形區(qū)域的組織晶粒最細(xì)密。利用攪拌摩擦點(diǎn)焊的方法對7075鋁合金板進(jìn)行焊接。在焊接過程中，會發(fā)現(xiàn)接頭處的宏觀缺陷和微觀缺陷。當(dāng)壓入量較大時，塑性金屬沿軸間溢出，形成飛邊，這時就能看到明顯的缺陷，這樣的缺陷在焊接完成后，可以對接頭進(jìn)行打磨消除。還會產(chǎn)生一些微觀缺陷，微觀的缺陷主要是由鉤狀缺陷，若連接缺陷鉤狀缺陷，主要是與攪拌頭的形狀外觀和焊接工藝數(shù)值有密切關(guān)系，而弱連接缺陷形成的原因主要是在焊接前沒有處理好殘留到氧化膜，對上下板連接造成了一定的影響。所以在進(jìn)行焊接時要避免宏觀缺陷和微觀缺陷，就需要對汽車材料和攪拌頭形狀以及焊接工藝數(shù)值進(jìn)行有效實(shí)驗(yàn)，確定出最合適的數(shù)值完成相關(guān)的操作。因此利用攪拌摩擦點(diǎn)焊的方法對7075鋁合金鈑金焊接的過程中，要意識到晶體尺寸較小時，相應(yīng)的強(qiáng)度也較高，晶體尺寸較大時，相應(yīng)的強(qiáng)度較小[7]。

4 結(jié)束語

總結(jié)全文，攪拌摩擦焊作為綠色環(huán)保的焊接技術(shù)，符合當(dāng)前綠色環(huán)?？沙掷m(xù)的發(fā)展理念，同時由于它自身的特點(diǎn)，在汽車鋁合金板焊接過程中具有先天的優(yōu)勢。由于鋁合金板材自身的較好塑形和加工性能，它在汽車制造中被廣泛應(yīng)用，而利用攪拌摩擦焊能夠一次性完成大規(guī)模的焊接。在焊接過程中符合可持續(xù)發(fā)展理念安全無污染。同時焊接過后的汽車和傳統(tǒng)焊接方式相比，它的焊接接口處質(zhì)量更好，同時攪拌利用摩擦焊能夠減少制造成本，保障汽車生產(chǎn)效率，加快汽車研發(fā)。汽車鋁合金板材利用攪拌摩擦焊接工藝的過程中，由于板材的變化，攪拌摩擦焊接技術(shù)也要設(shè)定不同的數(shù)值，針對5754鋁合金板，6061鋁合金板以及7075鋁合金板在使用攪拌摩擦焊接，都要有一定的變化。這樣才能夠更好的適合汽車輕量化的發(fā)展，讓攪拌摩擦焊技術(shù)更好的應(yīng)用于汽車行業(yè)。

參考文獻(xiàn)：

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[6]彭俊，王巍.旋轉(zhuǎn)速度對汽車用5052鋁合金板材高速攪拌摩擦焊接接頭組織及性能的影響[J].輕合金加工技術(shù)，2017，45（03）：51-55.