汽車工業中攪拌摩擦焊搭接技術的研究

【摘 要】本文主要介紹了攪拌摩擦焊技術及其搭接技術在汽車工業中的應用，并對目前存在的問題進行了研究。

【關鍵詞】汽車工業；攪拌摩擦焊搭接技術

0.引言

攪拌摩擦焊（FSW）技術是由英國焊接研究所（TWI）發明并于1991年獲得專利。FSW是一種固相連接方法，非常適用于需要盡量保持原料金屬特性的情況。目前該項技術在在造船、航天航空和轎車業的鋁合金連接方面得到了廣泛的應用。

1.攪拌摩擦焊技術

攪拌摩擦焊是一種連續的、純機械的新型固相連接技術，在焊接時，帶有軸肩和圓柱體探針的攪拌頭一邊高速旋轉、一邊緩慢地插入到被焊材料接縫處。被焊工件后面要加一塊墊板以防焊穿，而且被焊工件也需要夾緊固定，防止焊接時攪拌頭插入和旋轉造成被焊工件間隙過大。焊接過程中，攪拌頭與被焊工件摩擦產熱，產生的熱量可以使工件軟化達到塑性狀態，呈塑性的金屬在攪拌頭旋轉壓力的擠壓作用下，沿攪拌頭探針從前進面被攪拌到回撤面，隨著攪拌頭的移動，高度塑性變形的金屬流向攪拌頭的后部，冷卻后形成焊縫。

對于焊接材料而言，攪拌摩擦焊可以焊接所有牌號的鋁合金，包括可以熔焊的5000、6000系列鋁合金和熔焊難以焊接的2000、7000和鋁鋰合金材料；同時攪拌摩擦焊還可以實現不同種材料的連接。正常情況下，攪拌摩擦焊不需要焊絲和保護氣，焊接過程消耗較少。焊接接頭強度可以達到母材金屬的80%以上。

2.汽車結構攪拌摩擦焊優越性

汽車通常選用能夠大批量制造的商業化金屬材料制造，使用比較普遍的一種是薄板低碳鋼，另一種是鋁合金。鋁合金具有很好的塑性和加工性能，可以進行鍛造、鑄造、機械加工或擠壓，制造成各種復雜零件，應用于汽車車體結構和發動機零部件。攪拌摩擦焊非常適合批量化產品的制造，經過程序和參數優化，基于機床和自動化實現的攪拌摩擦焊接頭質量具有非常高的一致性。攪拌摩擦焊汽車零件的接頭性能非常優越，針對鋁合金材料，一般條件下攪拌摩擦焊接頭機械性能指標都大于普通熔焊技術指標和達到與接近母材性能指標，并且有些指標，如沖擊韌性，還要高于母材指標。這些特點對于提高汽車的安全性非常重要。

攪拌摩擦焊主要研究多集中于對接接頭，對搭接研究很少，但在汽車加工過程中，由于板材的厚度較小，并且連接線并非為直線，所以在一定程度上很難實現對接，這時就需要研究攪拌摩擦焊的搭接工藝。然而在攪拌摩擦焊接頭中，遷移界面的存在將影響焊縫的機械性能。目前研究的內容主要有：工藝參數對接頭性能的影響、攪拌頭形狀對接頭性能的影響、特殊焊接工藝的設計。

2.1工藝參數對搭接接頭性能的影響

攪拌摩擦焊搭接焊接時，工藝參數選擇不當，焊縫中容易出現缺陷，有時甚至使得焊縫不能成形。同時，改變工藝參數也會改變接頭中的遷移界面形態，從而影響接頭性能。

焊接時摩擦頭肩部與工件表面和攪拌針與母材的摩擦熱是焊接能量的主要來源。轉速較低時，接頭處熱量不足以使金屬塑化，所以無法使兩板之間建立完全的連接；轉速太大，焊接輸入熱能相應變大，這樣不僅焊接材料容易變形，而且也會導致接頭組織長大，以致接頭強度下降。由于焊接用材料為防銹鋁，其熔點以下較高溫度時塑性較好，所以在試驗轉速范圍內焊接時所得接頭表面成型均較好，且接頭內部未發現有孔洞。

A.Elrefaey在對純鋁和低碳鋼的攪拌摩擦搭接焊的研究中發現，接頭的剪切強度隨著攪拌頭旋轉速度的增加而增加，隨著焊接速度的增加稍微降低。分析認為，其原因是焊縫中向鋁板遷移的鋼的垂直遷移量不同而造成的。目前已有不少學者對攪拌摩擦焊搭接接頭的焊接工藝參數影響進行了研究，且有部分學者對其影響原因進行了分析，大部分學者認為工藝參數主要是通過改變焊縫中遷移界面的形態，從而影響焊縫性能。

2.2攪拌頭形狀對搭接接頭性能的影響

在攪拌摩擦焊的研究中，通過改變攪拌頭形狀能有效地改變焊縫金屬的遷移方式，從而改變遷移界面的形態，達到提高焊縫機械性能的目的。現有攪拌摩擦焊搭接焊使用的攪拌頭大都是在無螺紋、左螺紋或右螺紋攪拌頭的基礎上進行改進的。

G.M.D.Cantin等人使用一種傾斜攪拌頭來對5038－O鋁合金進行了攪拌摩擦焊搭接焊接，該技術與常規攪拌摩擦焊不同的地方是使用了一種攪拌頭軸中心線與機械軸中心線成一定傾斜角度的攪拌頭進行焊接。試驗發現，傾斜攪拌頭焊接得到的接頭具有比常規攪拌接頭更高的拉伸強度和更長的疲勞壽命。分析認為，使用傾斜攪拌頭焊接相比于常規攪拌頭將使得焊縫中遷移界面的尖銳程度降低，從而降低應力集中值。現有文獻普遍認為，改變攪拌頭形狀能夠改變焊縫塑性金屬的流動路徑，從而改善搭接接頭中的遷移界面形態，達到了提高焊縫性能的目的。

2.3焊接接頭組織分析

根據焊縫各區內組織不同，可將其分為四個區:焊核區、熱機械影響區(TMAZ)、熱影響區(HAZ)及母材區等。焊核區內有一條寬約2μm左右的縫，整條縫基本呈直線。這是焊接時攪拌摩擦頭以一定焊速橫穿兩板接觸面并向前移動時，因攪動的塑性金屬與攪拌針下端面下方的母材熱狀態不同，難于形成均一的晶粒所致。當攪拌針的長度接近于兩板厚度時，此縫因墊板的擠壓作用而消失。

在攪拌并摩擦焊接過程中，攪拌針與工件及攪拌過程中所需時間較長，所以晶粒易于長大;而在焊核中部搭接觸面附近受熱塑化程度小，相應金屬的離心力也較小，受攪拌區域窄，所以單位面積上金屬受擠壓程度大，易于對晶核進行強烈、充分攪碎，得到細小的晶核，在隨后的冷卻過程中得到細微的晶粒。由于在焊接過程中所選用攪拌針長度一般較板厚尺寸小，攪拌針不能直接對底部金屬進行攪拌，而是在周邊的塑性金屬的帶動下對其進行間接攪拌，故對于焊核底部的攪拌力度不夠，金屬受擠壓程度小，所以晶粒尺寸較大。此外，在焊核底部，由于工件與工作臺直接接觸，金屬冷卻速度快，故塑性金屬在流動的過程中便形成了金屬流動曲線。

3.結論

目前，攪拌摩擦焊由于其在輕合金焊接方面的優越性而廣泛應用于航空航天、造船、汽車、鐵路等工業領域，而且在一些特殊的結構件中，攪拌摩擦焊搭接接頭有取代其他焊接方法的趨勢。 [科]