鋁合金攪拌摩擦焊的工藝研究

王兵　林麗　張華

摘? 要：在20世紀90年代，在固態塑化連接中出現的一種新工藝，即攪拌摩擦焊工藝。攪拌摩擦焊與傳統工藝相比，具有很多傳統工藝無法比擬的優勢，攪拌摩擦焊工藝具有無飛濺、無煙塵的特點，是當下最典型的清潔加工制造技術;其次，使用攪拌摩擦焊進行焊接時，形成的焊縫較好，這主要得益于攪拌摩擦焊的接頭部分沒有金屬融化，也不存在大范圍的熱塑變形。在鋁合金焊接中攪拌摩擦焊是重要的工藝方法，本文將對鋁合金攪拌摩擦焊工藝進行深入的研究。

關鍵詞：鋁合金;攪拌摩擦焊;工藝

引言：

自攪拌摩擦焊誕生以來，因其自身具備的優點一度受到世界學者的高度注意。目前，攪拌摩擦焊被評為當代綠色環保焊接技術，堪稱焊接技術的一次革命。與傳統的熔化焊比較，攪拌摩擦焊不僅節約成本，還不會產生煙塵、輻射等，更不會對工人的身體健康帶來危害。發達國家在鋁合金攪拌摩擦焊技術上的研究比我國要早，并且發達國家已經進入了商業化階段，但我國對鋁合金攪拌摩擦焊技術的研究力度也在不斷加大，以促進我國工業領域能夠盡早推廣該項技術。

一、攪拌摩擦焊概述

（一）攪拌摩擦焊的基本原理

攪拌摩擦焊的工作原理以高速旋轉的特殊的攪拌頭作為攪拌摩擦焊的焊接工具，在焊接初始階段攪拌頭會以高速旋轉的速度插入到接縫中，當到達設定的深度時需要停留0.2秒，這時攪拌頭會沿著焊接的方向進行旋轉運動。但是在焊接過程中，摩擦產生的熱量和攪拌產生的熱量會導致焊縫材料升溫，使接頭金屬的塑性軟化更加充分，使其隨著攪拌頭進行移動形成塑性流，由于受到軟化程度不同的影響發生的塑性變形也不同。

（二）攪拌摩擦焊的優缺點

攪拌摩擦焊不僅可以對普通焊接方法難以焊接的材料進行焊接，還具有普通焊接方法不具備的優點：第一，攪拌摩擦焊溫度低;第二，攪拌摩擦焊不會產生組織缺陷;第三，攪拌摩擦焊各種機械性能完好;第四，攪拌摩擦焊成本低，輔助工作量少;第五，攪拌摩擦焊不需要氣體保護和韓料;第六，攪拌摩擦焊可以實現全位置焊接;第七，攪拌摩擦焊操作簡單、效率高;第八，攪拌摩擦焊應力小、適用性強;第九，攪拌摩擦焊是一種環保型的焊接方法;第十，攪拌摩擦焊能夠實現不同種材料的焊接和水下作業。

而攪拌摩擦焊也并非是一種十全十美的焊接技術，它也存在一定的不足和缺點。攪拌摩擦焊的缺點有：第一，攪拌摩擦焊接速度低;第二，攪拌摩擦焊需要加緊工件;第三，攪拌摩擦焊需要支架;第四，攪拌摩擦焊的焊縫端部對出現匙孔;第五，攪拌摩擦焊在焊接薄板時會發生一定程度的變形。

（三）攪拌摩擦焊的應用現狀

因攪拌摩擦焊是一種環保型的新型焊接技術，自問世以來在短短的幾年時間就得到了快速的發展，無論是在焊接機理還是適用材料和設備等方面都取到了較大的突破。現階段，攪拌摩擦焊接技術主要是應用在鋁合金、鎂合金、鋅合金等合金材料的焊接中，因其具有較好的焊接效果得到廣泛的應用。在應用領域上，攪拌摩擦焊技術主要應用在航空、航天、船舶、高速列車等領域的焊接制造中，并在這些領域的產品制造中發揮了重要的作用，使得產品的質量得到了進一步的保障。

二、鋁合金攪拌摩擦焊的工藝研究

在對鋁合金攪拌摩擦焊的工藝進行分析時，選擇3毫米厚的純鋁、硬鋁和防銹鋁作為焊接材料，然后采用鋁合金攪拌摩擦焊技術方法對其進行焊接，選用自制攪拌摩擦焊設備，然后進行不同尺寸攪拌焊頭和不同工藝參數的對比實驗，以觀察焊縫的質量、接頭的力學性能，并對工藝參數和焊縫質量的影響關系進行分析。

（一）攪拌焊頭對焊縫質量的影響

攪拌焊頭的結構作為攪拌摩擦焊的核心，是一種非消耗的、可旋轉的焊接工具。理想結構的攪拌接頭能夠提高摩擦所產生的熱量并具有較好的金屬流動性，在攪拌焊頭進行移動時所受的阻力也比較小，因此在焊接速度較高的情況下對較厚的板材進行焊接。

首先，攪拌焊頭形狀對鋁合金焊縫質量的影響。攪拌焊頭的形狀主要影響鋁合金攪拌摩擦焊的摩擦產熱和金屬塑性的流動性。目前，攪拌焊頭的形狀主要有圓柱形、圓錐形、螺旋形等。攪拌焊頭設計合理時，摩擦產生的熱量較高，同時金屬的流動性也較好，焊接的質量也相對較好。其次，攪拌焊針尺寸鋁合金焊縫質量的影響。大量的實踐表明，攪拌焊針直徑是焊件厚度0.9-1.1 倍時，焊接的焊縫質量最為理想。焊針的長度對焊縫背面的成形有一定的影響，焊針過短就無法焊透背面;焊針過長就會導致背面產生的熱量較高，這樣就會對成形的效果帶來影響。一般說來，在對3毫米厚的鋁合金薄板進行焊接時，焊針的長度以3毫米的直徑為最佳，其長度應控制在2.5-2.8毫米之間。

（二）工藝參數對焊縫質量的影響

在鋁合金攪拌摩擦焊中，工藝參數中的旋轉速度、焊接速度、壓力等都會對焊接的質量帶來影響。當焊接的旋轉速度與焊接速度的比值不斷增加時，焊接線的能力就會更加區域穩定，這時焊接的質量也就越好。當焊接的旋轉速度與焊接速度的比值較小時，輸入到焊縫的熱量就會越高，焊縫的焊接質量會因為金屬熱量的過高而較差。

其次，實踐表明當肩部直徑為9毫米，焊針直徑為3毫米時，壓力應保持在215-220N，就會鋁合金攪拌摩擦焊的焊接質量較好。若壓力過大，輸入熱量過高，焊縫的致密就越好;若壓力過大，焊縫的組織就會出現疏松，內部也會出現孔洞。

（三）攪拌接頭的力學性能分析

通過進行拉伸實驗，計算出平均抗拉強度，母材為123MPA，焊縫為97.8MPA。在接頭處于焊態時，焊縫硬度要低于母材;在進行低溫退火處理之后母材硬度要高于焊縫。通過比對接頭與母材的金相組織，焊縫的晶粒要相對細小均勻些。在進行攪拌摩擦焊時，在經歷塑性變形和動態再結晶之后，晶粒細化、組織致密，焊縫內部就不會出現裂紋等缺陷。

結束語：

綜上所述，在焊接技術發展的歷程中，鋁合金攪拌摩擦焊技術是其發展中重要的里程碑，為材料的連接提供了新技術、新方法。現如今，鋁合金攪拌摩擦焊技術因其自身的優勢已經在很多領域中被廣泛的應用，但隨著該項技術的不斷完善和成熟，可以快速的推動我國焊接制造業的發展。

參考文獻

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