材料性能對鋁合金攪拌摩擦焊焊縫成形的影響

蔡 云

（永城職業學院，河南 永城 476600）

1 攪拌摩擦焊的原理與發展應用

（1）二十世紀九十年代初，英國學者首次提出了攪拌摩擦焊的概念，焊接過程中首先將圓柱形的攪拌針插到產品內部的焊接連接處，而后使焊頭進行高速旋轉，將焊頭和焊接工件材料直接接觸并相互摩擦。利用摩擦讓零件焊接處的材料溫度大幅度升高而達到軟化狀態，與此同時通過摩擦材料實現攪拌摩擦而達到焊接目的。摩擦焊的焊接熱源是由摩擦產生的熱量以及塑性變形產生的熱量提供，焊接過程中通過零件接觸面發生的相對運動和兩個端面之間摩擦所釋放的熱能，將端部溫度提高，從而實現熱塑性的形態，接下來進行頂鍛，從而完成焊接。

（2）攪拌摩擦焊的焊接手段是利用高性能、無消耗的材料來“攪拌”需要焊接的零件材料，研發出的焊接接頭具有結構緊湊和機械性能高效的優點。相對于傳統的焊接方法來說，攪拌摩擦焊在焊接焊縫處的結構能力以及工業生產中的操作方法中都具有重大突破。現階段，攪拌摩擦焊能夠有效的對鎂、鋁、銅、鋁銅鈦的合金以及剛等多種金屬進行焊接，自攪拌摩擦焊被提出以來它在航空運輸、航天研究、交通鐵路以及汽車生產研發、電子電力等各個行業占據重要地位。如今，攪拌摩擦焊已經成為繼激光焊技術之后最備受關注的先進工業焊接技術，引起了各個國家研究人員的高度關注。為了促進焊接技術的進步，我國的一些高校以及工業制造企業為攪拌摩擦焊領域的研究做出了重大貢獻。

2 攪拌摩擦焊的焊接特點

（1）攪拌摩擦焊在焊接時熱輸入較小，并且接頭部位也不存在金屬的熔化現象，屬于固態的焊接，在焊接過程中可以保持原材料的屬性，可以焊接金屬基復合材料、快速凝固材料等多種材料，也可進行平焊、立焊、仰焊和俯焊等多種位置的焊接，可完成對接、角接和搭接等多種形式的焊接，也可實現厚度變化的結構和多層材料的連接。

（2）在焊接過程中，由于焊接接頭受熱區域的顯微結構組織抗高溫能力強、結構變化小，因此焊接完成后的殘余應力也相應的降低，因此攪拌摩擦焊焊接的工件不會發生明顯變形。攪拌摩擦焊應用于焊接連接時，改善了焊接處的力學結構，不會出現形如熔焊接頭處的鑄造組織缺陷，提高了接頭的抗疲勞能力、彎曲強度以及拉伸能力等力學性能。相對于原始熔焊手段，攪拌摩擦焊的使用范圍大幅提升，在一些長焊縫、大截面以及不同位置的焊接條件下都能一次性完成，減少了工藝流程，降低了制造成本。焊接模式的改變，讓攪拌摩擦焊在生產作業中更容易達到機械化、自動化，并且焊接設備簡單、能耗降低、功效增加，對于工作場地的要求不高。在焊接過程中，攪拌摩擦焊不用額外的焊絲，鋁合金產品的焊接過程中不用在焊接前去除氧化膜，也不需要提供保護氣體，大幅降低了成本。普通的熔焊無法對一些熱裂紋敏感的工件進行焊接，然而攪拌摩擦焊不會有這種顧慮，完全適合異種材料的焊接，此外焊接過程具有很高的安全性，而且無煙塵、無輻射、無飛濺、噪音小，不會造成環境污染。

（3）當然攪拌摩擦焊也帶有一些不足之處：焊接的對接產品一定要剛性固定，反面需要加底板，對板材進行單道焊接時，焊接速度比較慢，攪拌頭的磨損消耗過快。并且在一些特殊條件下，如航空航天制作產品中要考慮腐蝕性能、殘余應力和變形時，產品性能需達到一定的強度水平才可以應用的實際生產。

3 材料性能對攪拌摩擦焊的影響

利用攪拌摩擦焊的方法進行焊接時，影響攪拌摩擦焊焊縫成形的主要條件是焊縫塑性金屬流動行為。但是，焊縫塑性金屬在流動時具有復雜性并且難以觀察，它被焊接工藝參數、攪拌頭幾何形狀以及被焊接材料性能等多種條件的制約。下文主要在材料性能方面對攪拌摩擦焊焊縫成形的影響進行研究：

（1）不同材料對焊接結晶及金屬流動性的影響。在相同的焊接工藝參數和攪拌頭幾何形狀的條件下對AA7075以及AA5083展開攪拌摩擦焊的研究中發現，這兩種不同材料的金屬在進行攪拌摩擦焊后，焊接處重新結晶的細晶粒不僅尺寸大小發生改變，同時自身的結構特點也產生了巨大的差異。此研究表明，如果焊接材料自身的性能不同，會導致焊接結晶在尺寸以及自身結構上存在差異；同時，將兩種不同金屬焊接在一起時，它們無法在焊縫攪拌區域將材料進行均勻混合，并且塑形金屬流動不能保持均勻的分布在焊縫兩側。有的地方只存在一種金屬，然而有的地方卻存在兩種甚至兩種以上的金屬混合交替分布的現象。

（2）不同材料對焊接混合性及力學性能的影響。通過對各種不同的的鋁合金實施攪拌摩擦焊研究得出結果，焊縫的成形受到不同焊接材料的放置位置影響。將兩種不同材料構成的鋁合金分別放置在前進邊，除此之外，都使用比較高的焊接摩擦速度進行焊接。通過對兩次不同放置位置的焊接結果進行對比，發現由于選擇放置在前進邊的材料性能不同，導致兩次焊接的焊縫中金屬的混合程度具有較大的差異；并且放置在前進邊的材料不同時，攪拌頭對焊機工件產生的軸向壓力也有明顯的不同。焊接焊縫中金屬的混合均勻程度和焊接過程中攪拌頭提供的軸向壓力對焊縫的力學性能具有重大的影響。

（3）同種材料不同熱處理對攪拌焊的影響。在對使用了不同熱處理方法處理過的相同鋁合金的攪拌焊接研究中，也針對不同的材料性能對與鋁合金的攪拌焊焊縫的成形影響進行分析。研究表明，焊接工件強度和硬度不高的焊接材料對接過程中焊核的表面積和寬度都要比硬度和強度高的同種材料大，而且將這兩種由于不同熱處理導致性能差異的材料進行焊接對接時發現，焊核朝返回側具有明顯的偏移趨勢，同時返回邊的焊核高度比前進邊的焊核高度大。這種實驗現象在攪拌摩擦焊中被稱為“軟性約束體”。導致“軟性約束體”現象產生的原因主要是因為放置在前進邊的材料強度和硬度較低的情況下，軟性約束體對前進邊材料焊縫兩側的焊接塑性金屬的約束能力要比對返回側的約束能力更大［3］。在研究分析過程中還發現，如果在焊接前對被焊接的工具材料進行預熱，在焊接過程中也能夠有效的改善焊縫金屬的塑化能力，讓塑化金屬在焊接時向焊縫兩側的流動更加充足，使焊核的面積和寬度增加，提高了焊接結構的可靠性。

通過不同合金的材料性能及同種合金材料不同熱處理下的材料性能對攪拌摩擦焊的研究，發現焊縫塑性金屬的流動行為以及結晶結構受到材料性能的影響十分重大：材料不同還是熱處理方式不同導致的材料性能的差異，使焊縫塑化金屬所受到周圍材料的應力束縛不同，從而對塑性金屬的流動和焊縫的成形產生影響，同時材料性能的差異也導致焊接結晶的大小和自身結構發生變化，這些因素直接影響了鋁合金焊接產品的質量能力。

4 結語

隨著時代的不斷進步，鋁制品行業在保持穩定發展的同時，也需要根據材料的性能做出新的改善。材料性能研究者、鋁合金產品生產者一定要不斷更新生產理念，在保障焊接工藝安全可靠的基礎上，利用新材料、新技術、新結構解決工業合金制造中遇到的問題。在充分了解我國鋁合金產品生產現狀的基礎上，不斷實踐、不斷實驗、研究分析，根據材料性能特點用優化的合金攪拌摩擦焊代替現有的焊接方法，一定可以提高合金制品的質量水平，為我國工業合金產品制造業的進步奠定基礎。