聚丙烯塑料板攪拌摩擦焊接頭缺陷分析

黨杰，張琳

(西安航空職業技術學院，陜西西安710089)

1991年，英國焊接研究所(TWI)研發出了一種綠色的新型固相連接技術［1－3］——攪拌摩擦焊(Friction Stir Welding，簡稱FSW)。這種方法不需要填充材料和保護氣體，能耗低，對環境無污染［4－5］。自其問世以來，倍受青睞。許多科研院所、大學和公司都投入了大量的人力物力，展開了相關的研究工作。如今，此項技術已能成功連接鋁、鎂、銅及其合金等金屬材料，也已在航天、航空、核能、船舶和交通運輸等領域廣泛應用起來［6－9］。

因此，嘗試用攪拌摩擦焊對聚丙烯塑料板材進行焊接。通過實驗得知:臺肩壓力適中，旋轉速度n=3000r/min，焊接速度υ=25mm/min時的焊縫成形很好［10］。但是，攪拌頭旋轉速度、焊接速度及其對塑料板上表面的壓力等工藝參數不相匹配時，會出現表面粗糙、飛邊和空洞等缺陷。

1 焊接工藝與步驟［10－11］

(1)準備材料。用手工鋸將PP塑料板鋸成尺寸為140mm×35mm的窄條，并在銑床上修整好對接面，之后進行簡單的焊前清理。

(2)固定攪拌頭。將攪拌頭裝夾在銑床上，確保旋轉平穩。在平口鉗上墊一塊鐵塊，取兩塊準備好的10mm厚的PP窄條，將其對接平齊放在鐵塊上，用平口鉗夾緊。調節工作臺，使攪拌頭的特形指棒中心與板縫對齊，下調攪拌頭，使其臺肩剛好貼在PP板的上表面(如圖1)。

圖1 攪拌頭臺肩貼板上表面Fig.1 shoulder flitch upper surface of stir welding head

(3)確定參數。將攪拌頭的旋轉速度n(同主軸)調到2500r/min，焊接進給速度υ調到20mm/min，開啟銑床，使其縱向進給，焊接過程如圖2。

圖2 焊接過程Fig.2 welding process

(4)做好記錄。待攪拌頭到PP板末端時，關掉銑床，稍作停頓，待熔融的塑料冷卻硬化后，取下焊好的PP板，標明記號，并記錄好此次焊接所選用的工藝參數。

(5)調整參數。保持攪拌頭的旋轉速度(同主軸)n=2500r/min不變，先后將焊接進給速度υ調到25mm/min和30mm/min，繼續按照以上(2)、(3)、(4)所述步驟反復操作。

(6)反復操作。設定攪拌頭的旋轉速度(同主軸)n=3000r/min和n=3500r/min，再分別將焊接進給速度υ調到20mm/min、25mm/min和30mm/min，并且按照以上(2)、(3)、(4)所述步驟反復操作。

注意:銑床工作中，不能變換攪拌頭的旋轉速度和焊接的進給速度;若有不正常聲音應立即切斷電源，銑床停止工作。

2 飛邊缺陷［12］

在攪拌摩擦焊的焊接過程中，攪拌頭在上方，墊塊和未塑化的母材塑料板在下面，它們形成了一定的擠壓空間，塑性材料在這個擠壓空間中流動，并且在攪拌頭后面形成焊縫。當焊接壓力過大且攪拌頭旋轉速度過高時，焊縫的厚度將比母材的厚度略小一些。焊接過程中，擠壓空間的體積減小，小于理想狀態焊接時的容積，這樣會致使部分塑性材料被擠出，這些被擠出的塑性材料也會隨著攪拌頭的旋轉而被帶出，冷卻后則形成飛邊。一般情況下，多余的塑性材料會被擠到返回側，后又由攪拌頭軸肩從返回側被帶出。因此，飛邊缺陷一般出現在焊縫的返回側，如圖3所示。

圖3 飛邊缺陷Fig.3 flash defects

在拉伸試驗過程中，若被拉伸的焊接接頭有飛邊缺陷，那么其實際的承載面積會減小，而且還有可能存在應力集中，進而會影響到焊接接頭的力學性能。當然，若攪拌頭的旋轉速度和焊接壓力都適中時，擠壓空間的體積剛好等于焊接時塑化材料的容積，塑化材料則全部被帶到攪拌頭后面而形成焊縫，從而不會產生飛邊缺陷。

3 焊縫表面粗糙［13］

焊縫表面粗糙是指材料被焊接后所形成的焊縫表面不均勻、不平整、不美觀。焊接過程中，當攪拌頭旋轉速度和焊接速度都過低時，摩擦產生的熱量太少，焊縫材料不能被完全塑化，當然也就不會充分均勻地流動，從而導致形成的焊縫表面粗糙(如圖4所示，當υ=25mm/min，n=2500r/min時，用攪拌摩擦焊焊接聚丙烯板材所形成的焊縫表面粗糙);另外，當攪拌頭的旋轉速度過大時，焊縫內部會產生過多熱量，使焊核區材料出現局部過燒現象，這樣也會導致焊縫表面粗糙。一般情況下，這種缺陷對接頭的性能影響不大。如果焊縫表面成形要求較高的話，可以采取人工方法修整好焊縫表面。

圖4 焊縫表面粗糙Fig.4 rough weld surface

4 孔洞缺陷［14］

在實際焊接過程中，經常會有焊縫中出現孔洞和隧道缺陷，如圖5所示。

圖5 孔洞缺陷Fig.5 holes defects

孔洞缺陷一般位于焊縫的前進側。焊接時，若攪拌頭旋轉速度過低，或者焊接速度太高，或者焊接壓力太小，則焊縫中熱量的輸入就不足。這樣，被焊材料不能達到完全塑化狀態，其流動性能就較差，致使不能及時的填充空隙而形成完全封閉的焊縫，從而在焊縫內產生孔洞。當選擇的工藝參數極不合適時，材料的流動能力將會更差，出現的孔洞也會增多，更甚者將會在在焊縫內形成隧道缺陷。這將會嚴重影響到焊縫力學性能，應盡量避免。當攪拌頭旋轉速度、焊接速度和焊接壓力等工藝參數選擇合適時，焊縫的熱輸入量足夠，被焊材料能達到完全塑化狀態，流動性能好，則能避免孔洞和隧道缺陷，形成封閉的焊縫。

5 焊縫組織觀察

當旋轉速度n=3000r/min，焊接速度υ=25mm/min時，10mm厚的聚丙烯塑料板攪拌摩擦焊所形成的焊縫的截面宏觀組織如圖6所示，從此圖中，我們可以看出，在聚丙烯塑料板焊縫橫截面上，材料的分布比較均勻，焊縫區沒有夾雜或氣孔等缺陷，圖中的一條彎曲線條是焊縫和母材的分界線。顯而易見，焊縫兩側的分界線不同，其前進側的分界線相對比較明顯，而返回側的則較模糊，這與材料的流動有關。前進側母材和焊縫的分界線較清晰，是因為塑料焊接與金屬材料焊接不同，塑料粘性較大，摩擦產生熱的速度比較慢，材料還未得到充分塑化就隨著攪拌頭流動，攪拌頭則相當于對材料有一定的切削作用，所以在前進側母材和焊縫有明顯的分界線。

圖6 焊縫截面宏觀組織Fig.6 macro-structure of weld joint section

6 結論

(1)當選擇的焊接工藝參數不合適時，接頭中就容易出現飛邊、表面粗糙和孔洞等缺陷。

(2)在實際應用中，表面粗糙和飛邊缺陷對焊縫的組織與性能影響較小，適當的進行人工修整就可以去除。

(3)孔洞缺陷對焊縫的組織與性能影響較大，其主要因為焊接熱量輸入不足造成，而輸入的熱量多少主要取決于焊接工藝參數。

［1］Thomas W M，Nicholas E D，Needham J C，Murch M G.Temple-Smith P and Dawes C J(TWI).Improvements relating to friction welding.European Patent Specification.0615480 B1.

［2］張田倉，郭德倫，欒國紅，等.固相連接新技術—攪拌摩擦焊技術［J］.新工藝·新技術·新設備，1999，(2):35－36.

［3］夏羅生.高強鋁合金的攪拌摩擦焊工藝參數研究［J］.熱加工工藝，2013，42(5):155－157.

［4］欒國紅，關橋.攪拌摩擦焊—革命性的宇宙制造新技術［J］.航天制造技術，2003，(4):557－561.

［5］李新梅，杜寶帥，張忠文，等.摩擦攪拌焊6061－T6鋁合金焊接接頭的組織與性能［J］.熱加工工藝，2013，42(11):196－198.

［6］黨杰，張琳.攪拌摩擦焊的研究現狀及應用［J］.焊接，2012，12(12):23－29.

［7］欒國紅，胡煌輝，柴鵬.攪拌摩擦焊—新型列車制造技術［J］.電力機車與城軌車輛，2006，29(4):40－43.

［8］熊建坤，童彥剛.攪拌摩擦焊接技術的研究進展和應用［J］.電焊機，2008，38(1):33－36.

［9］劉會杰，張艷偉，李金全.攪拌摩擦焊設備及其研究進展［J］.焊接，2011，(12):3－6.

［10］黨杰，張琳.聚丙烯板材攪拌摩擦焊工藝［J］.焊接，2013，13(4):56－58.

［11］胡禮木，胡波，黨杰，郭建軍.聚氯乙烯板攪拌摩擦焊工藝性能研究［J］.蘭州理工大學學報，2004，30(4):186－188.

［12］劉會杰，潘慶，孔慶偉，等.攪拌摩擦焊焊接缺陷的研究［J］.焊接，2007，(2):17－20.

［13］宋曉村，朱政強，陳燕飛.攪拌摩擦焊的研究現狀及前景展望［J］.熱加工工藝，2013，42(13):5－7.

［14］達朝炳，攪拌摩擦焊接頭缺陷分析［J］.熱加工工藝，2009，38(5):133－137.

［15］王海艷，宋東福，周楠，等.異種鋁合金攪拌摩擦焊搭接接頭的顯微組織與硬度研究［J］.熱加工工藝，2011，40(3):115－118.