鋁合金薄板超聲攪拌焊接裝備與工藝研究

代麗華　張志敏

摘要：在輕質鋁合金構件中薄板結構為其重要結構特征之一，由于攪拌摩擦焊技術具有較強經濟特性，因此在鋁合金薄板焊接中廣泛應用。但基于攪拌摩擦焊在進行鋁合金薄板焊接過程中容易受到焊件熱傳導、冷卻介質等不確定因素干擾，易出現虛焊等問題，又因為焊件本身較薄受到殘余應力的作用下易出現變形問題，該問題也是制約薄板攪拌摩擦焊接的關鍵性技術難題。因此，本文對超聲攪拌焊接工藝進行了研究，儀器解決上述問題。

關鍵詞：鋁合金薄板；結構超聲攪拌；焊接變形

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.02.039

1現階段鋁合金薄板焊接技術現狀及存在問題

現階段鋁合金焊接的主要工藝包括融化焊、激光焊、攪拌摩擦焊等，其中熔化焊易造成焊接變形，其焊縫強度較低，因此整體焊接性能較差；激光焊相比其他焊接技術來看，投入成本過大，且焊接強度無法滿足工業實際需求，焊接效率不高；攪拌摩擦焊是當前應用較為廣泛的焊接技術，并在鋁合金薄板焊接較常見。基于鋁合金薄板焊接的敏感性，應加強對新焊接工藝的研究與實踐，利用超聲波能量對焊接工藝進行有效完善，以獲得更好的焊接效果。

2鋁合金薄板超聲攪拌焊接裝備及工藝分析

2.1超聲攪拌焊接優勢

基于超聲攪拌焊接系統試驗基礎上，加強的對超聲攪拌在鋁合金薄板焊接中的運用，將超聲導入焊縫中時期始終保證持續穩定振動，并將該焊接技術嘗試應用于航空高強度鋁合金薄板中，綜合攪拌摩擦焊豐富的焊接技術經驗，以設計出壓滾輪及水霧冷卻裝置，實現攪拌摩擦焊在鋁合金焊接中的優勢與超聲波能量有機結合。這種技術性的結合能夠大大提升焊縫底部溫度，繼而降低攪拌區塑性金屬流動應力，使其整體流動性能達到提高效果，最大限度抑制焊接殘余應力，控制焊接缺陷出現，大大提高焊縫質量。

2.2超聲攪拌焊接裝備及工藝原理

超聲攪拌焊接的主要原理為充分結合攪拌摩擦焊攪拌頭及超聲換能器系統，將兩者連成一體后其攪拌頭長度與變幅桿按照一定比例組合，將超聲振動從攪拌針底部進行導出。該超聲攪拌焊接裝備原理圖如下所示。

為更有效將超聲攪拌焊接技術應用于鋁合金薄板焊接中，還應對其超聲攪拌頭合理改進，即對攪拌頭臺肩、攪拌針等進行形狀調整，有效設計焊接水冷卻系統，以達到控制焊接變形效果。

2.3超聲攪拌焊接減少變形作用及技術分析

在鋁合金薄板焊接過程中，由于焊件本身較薄，散熱速度較快，所以其焊接變形問題一直是較難克服的技術問題。焊接變形通常是因為金屬構件內部受殘余應力影響形成的，由于受熱不均造成板件變形，同時也會受到結構尺寸、焊接順序等因素影響。鋁合金薄板焊接過程中溫度場與焊后殘余應力分布不均，使前側溫度高于返回側，且在焊接過程中焊接區的金屬處于熱膨脹狀態，塑性變形階段，所以當完成焊接后拆下夾具時其攪拌荷載的卸除直接容易造成焊接不同程度變形。

在對超聲攪拌焊接與攪拌摩擦焊接試樣焊縫試驗對比中發現，即使攪拌摩擦焊通過噴水強冷進行熱量散發，以達到保證焊縫周圍溫度均勻目的，但其冷卻狀態穩定性較差，變形可控性也較差。同時由于冷卻強度過高容易造成其他不確定性問題出現。超聲攪拌焊接通過對攪拌頭旋轉速度的控制以達到有效降低溫度散熱的效果，其產生的變形較小或不發生變形，其變形能夠控制在0.5mm以內，可見超聲攪拌焊接對殘余應力變形控制的穩定性較高。結合超聲攪拌焊接的技術原理可知，超聲攪拌焊接能夠控制變形的機理包括以下兩點：

第一，超聲波熱拉伸效應。超聲波所具有的能量較大，在超聲攪拌過程中主要以攪拌針底部振動完成傳導，所以可提升焊縫底部溫度，達到金屬材料軟化效果。超聲熱效應激勵能夠既保證焊縫底部溫度增加也可保證便面溫度降低，均衡處理兩個方面的溫度差距發揮熱拉伸作用，通過對殘余應力控制避免焊接變形發生。第二，超聲波能量沖擊效應。焊接時若溫度、應力不均勻就會造成局部出現塑性變形，或出現位錯結構，這種結構與其殘余應力分布有著直接關系。攪拌摩擦焊接技術的應用受到攪拌頭作用期溫度不均，且應力不均，較容易造成殘余應力分布，但通過超聲攪拌焊接技術則是通過超聲沖擊波能力作用，通過能量錘擊是殘余應力區再度受到塑性變形，對原有的位錯結構進行打亂，實現低彈性性能的重新構建，對殘余應力實現重新分配，從而達到提升焊件穩定新的效果，強化焊件松弛剛度。超聲攪拌焊接過程中超聲能夠實現隨焊隨沖擊效果，其機械拉伸作用顯著。