鋁合金薄板FSW焊接變形及工藝對策

摘要：目前普通的攪拌摩擦焊工藝已經改善了之前薄板燒穿和接頭強度不足等缺點，但仍然可以使金屬薄板焊接變形。文章通過分析鋁合金薄板FSW的焊接過程造成變形的機理，從本質上找出原因，提出相關的工藝對策，如隨焊水冷、超聲波攪拌等，有效地避免焊接變形帶來的損失。

關鍵詞：鋁合金薄板；焊接變形；隨焊水冷

中圖分類號：TG407 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）15-0073-02

1 鋁合金薄板焊接變形的常見形式

根據鋁合金薄板攪拌摩擦焊的初步實驗，主要出現以下三種變形形式：撓曲變形、失穩變形和錯邊變形。

在鋁合金薄板中，撓曲變形和失穩變形往往伴隨著發生。撓曲變形一般是向兩側延伸；發生失穩變形的薄板其大小和穩定性都會與正常的產生差異；焊接后兩邊板材不在同一水平面上，發生錯邊，一旦對口錯邊或焊接后錯邊，都將造成不必要的人力物力損失。因此，研究出新的方法或設備減少這些變形的發生，成了更多工程機構關鍵的問題。

2 鋁合金薄板焊接變形的變形機理探究

2.1 焊接變形的根本原因

在FSW焊接過程中，由于焊接的熱度和焊接后的冷卻作用，先后使薄板等焊件產生熱脹冷縮效應。焊接階段被焊部位附近區域受熱向兩側延伸，而遠離的部位由于緊固作用，一般不會隨著拉伸而使之變形。焊接后又由于冷卻作用，焊接口及其附近區域發生收縮，抵消之前的拉伸量，但仍略微向里收縮。在焊接口及其附近區域，由于外界對焊件產生的變形而產生的殘留應力以縱向拉應力表現出來，在遠離焊接口區域，則表現出縱向殘留壓應力，這樣一拉一壓導致焊件嚴重變形。

撓曲變形主要是由接頭及其附近區域的金屬受熱膨脹，受到附近延板長度、寬度和厚度方向較低溫度的阻礙并產生擠壓，導致焊接板縱向塑性變應力的分布不均勻。由于焊接過程中焊縫中央的溫度明顯高于焊件周邊，這樣因焊接面溫度高于周邊而產生的形變量也較大，于是冷卻后焊接區域就產生一個偏心拉應力，該力可使焊接口發生偏轉而造成焊件縱向撓曲。

失穩變形的根本原因主要是遠離焊縫區域失穩的臨界應力不足以抵抗殘余壓應力，從而導致焊件的變形。

錯邊變形則是因為兩邊的焊接板不在同一水平面而普通的攪拌摩擦焊工藝又恰對此有嚴格要求，于是焊件就發生的錯邊變形。這種變形形式一般在焊接初期出現，往往是導致焊接無法繼續而返工的主要因素。

2.2 焊接變形的誘發機制

以上三種變形雖然原因各不相同，生活中往往非單獨出現，且很難區別開，由于誘發機制也近相似，因此本文將對它們做統一的分析。

有實驗初步顯示，通過手動噴水的方法可以從一定程度上減輕熱致變形，但變形依然存在。因此本文認為很可能是熱和力的同時作用而導致焊件的變形。

下面將具體介紹存在的四種誘發機制，前兩種是熱致變形誘發機制，是攪拌摩擦焊變形的主要原因：

（1）接頭中間與四周產生溫度差導致殘余應力。焊接頭中間溫度高，向四周降低，受熱膨脹，產生非均勻的應變場。焊接完成后，焊接區及其附近區域受殘余拉應力的影響，由于殘余壓應力在厚度上不均勻的分布，造成焊件撓曲變形。而遠離焊接區的區域則受殘余壓應力作用，使焊件無法控制而失穩變形。

（2）接頭兩邊的溫度不相同而致變形。攪拌摩擦焊焊接時，焊頭高速旋轉，導致接口兩邊由于時間先后差異，溫度也不相對稱，焊頭前進側高于返回側，膨脹不同，焊件冷卻后，收縮量也不同，從而導致失穩變形的發生。

（3）焊接力導致彈塑性形變。使用普通的攪拌摩擦焊焊接時，焊頭的轉動帶動周邊金屬的流動，形成一個環形流變場。焊接口兩側方向相反，變形方向也相反，前進側縱向拉伸，返回側則向后擠壓，而焊接產生的塑像流變抵消焊件本身的彈性變形后，仍保留著一個變形的痕跡。于是當焊接完成后，可以看到焊件有明顯的部分彈塑性形變，加劇了失穩變形造成的影響。

（4）金屬流變阻力和焊接牽引力同時作用導致變形。焊接時，縱向產生焊接牽引力，導致金屬材料出于縱向拉伸狀態，同時產生塑性變形。焊接完成后，牽引力消失，焊縫中間下壓，兩端略微向外拉伸。

不管是撓曲變形、失穩變形還是錯邊變形，都是焊接變形的表象。其本質是殘余應力，誘發機制是根源，要想徹底控制焊件的變形，應從根源入手，抑制誘發機制。

3 鋁合金薄板FSW焊接變形的工藝對策

3.1 錯邊變形的工藝對策

大量初步試驗表明，目前普通的摩擦攪拌焊工藝對FSW進行焊接試驗時，常常無可避免地出現錯邊變形，而錯邊變形往往使整個焊接過程難以繼續進行。錯邊變形屬于人為失誤，為了有效避免因為錯邊變形而影響到整個焊接過程，我們利用在焊接過程中，在焊縫口的前端裝一個可以與攪拌頭同步前進并能隨動滾壓的裝置，其工作原理是在焊接過程中，在氣壓裝置的控制下，整個隨動滾壓裝置在焊件表面自由升起和壓下。當壓輪向下壓時，兩邊焊板受到一個相等的下壓力，通過這個下壓力，兩個焊件可以始終保持同一水平，從而避免了錯邊變形。

3.2 撓曲變形和失穩變形的工藝對策

從誘變機制的分析，我們知道控制撓曲變形和失穩變形，必須從根源出發，即扼制引起焊接變形的四種誘發機制。通過避免焊件非對稱溫度場和減小焊接阻力來避免焊件的變形。

隨焊水冷裝置利用在摩擦攪拌焊接過程中以噴水來降溫的目的，對溫度場有效的控制，起到至關重要的作用。隨焊水冷裝置的工作機理大致如下：在FSW焊接過程，隨焊水冷裝置可以在焊接表面噴射水霧從而對焊縫局部進行暫時性的降溫，既降低了焊接頭整體溫度水平，又減小高溫區與低溫區的溫度懸差，盡可能提高焊接頭溫度場的對稱性，于是便有效地控制了引起失穩變形、撓曲變形的熱致變形誘發機制。

對焊接工藝的力度適當控制也可以減小焊接阻力，改變焊接流變區的溫度。用攪拌摩擦焊焊接時，如果攪拌頭轉速過快，焊接流變區域溫度就會因力做功而升高，從而流變阻力就下降，熱致變形占主導地位，焊接縫及其附近區域金屬就會受到影響；如果轉速過低，焊接口溫度降低，焊接區域流變阻力增大，力致變形占主導地位，焊件就會受力而變形。因此，適中掌控攪拌頭的轉速是影響焊件變形的重要因素，控制好溫度和流變阻力，使熱致變形和力致變形的綜合變形達到最小，才能有效控制焊接

變形。

4 結語

針對目前普通的攪拌摩擦焊焊接存在的變形問題，本文分析了焊件殘余應力的存在形式和對焊接變形的影響以及焊接變形的影響因素和基本規律，并對撓曲等幾種常見變形的形成機理與誘發機制進行較全面的探討，通過根源提出一系列相應的工藝對策，如隨冷裝置、隨動滾壓裝

置等。

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作者簡介：畢應利（1971—），男，遼寧盤錦人，北方工業學校高級講師，高級工程師，研究方向：焊接質量控制、焊接工藝及設備、焊接專業建設。

（責任編輯：周加轉）