攪拌摩擦焊在白車身焊接中的應(yīng)用

隨著汽車輕量化要求的提高，鋁合金和鎂合金以及碳纖維等輕金屬材料在汽車白車身上的應(yīng)用越來越多，但現(xiàn)有的連接技術(shù)很難兼顧成本和焊接質(zhì)量，這也就限制了輕量化金屬材料的廣泛應(yīng)用1。但隨著攪拌摩擦焊（FrictionStirWelding，簡稱FSW）技術(shù)及其衍生技術(shù)的發(fā)展，使得鋁鎂合金及異種材料的連接成為可能。

攪拌摩擦焊技術(shù)是一種固相連接技術(shù)，焊接過程中母材不熔化，焊接過程無煙塵和飛濺，不需要使用保護氣和焊材，這些優(yōu)點使得攪拌摩擦焊技術(shù)在汽車白車身制造領(lǐng)域得到了廣泛關(guān)注，并逐步開始應(yīng)用。

攪拌摩擦焊原理

摩擦焊是在壓力作用下，利用被焊接零件接觸面之間的摩擦產(chǎn)生的摩擦熱，進而使焊縫金屬達到熱塑性狀態(tài)，通過金屬間的擴散和再結(jié)晶實現(xiàn)連接的焊接技術(shù)[2]。

摩擦焊過程中材料在壓力作用下相對摩擦，破壞了接合面上的氧化膜或其他污染層，同時摩擦產(chǎn)生的摩擦熱使得接合面很快形成熱塑性層，在隨后的摩擦扭矩和軸向壓力作用下破碎的氧化物和部分塑性層被擠出接合面形成飛邊，剩余的塑性金屬就構(gòu)成焊縫金屬。

在壓力作用下，被焊界面通過相對運動進行摩擦?xí)r，機械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，所產(chǎn)生的摩擦加熱功率為

N=μ k P V

式中 N 摩擦加熱功率；μ 摩擦系數(shù)；k 系數(shù)；P 摩擦壓力；V- 摩擦相對運動速度。

攪拌摩擦焊是利用高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭扎入被焊工件內(nèi)，旋轉(zhuǎn)的攪拌針與被焊材料發(fā)生摩擦并使其發(fā)生塑化，軸肩與工件表面摩擦生熱并用于防止塑性狀態(tài)的材料溢出。在焊接過程中，工件要剛性固定在背部墊板上，攪拌頭邊高速旋轉(zhuǎn)邊沿工件的接縫與工件相對移動，在攪拌頭鍛壓力的作用下形成焊縫，最終實現(xiàn)被焊工件的冶金結(jié)合。攪拌摩擦焊的原理如圖1所示。

攪拌摩擦焊主要分為四步：攪拌頭旋轉(zhuǎn)、插入并調(diào)整傾斜角、攪拌焊接和退出，圖2所示為工作步驟原理圖]。

如圖3所示，攪拌摩擦焊能夠完成對接、搭接、角接、丁字接等多種結(jié)構(gòu)形式的連接。

攪拌摩擦焊的焊接質(zhì)量會受到很多因素的影響，主要工藝變量見表1[4]。

攪拌摩擦焊特點

攪拌摩擦焊是一種固相連接技術(shù)，利用旋轉(zhuǎn)的攪拌針將母材攪拌至塑性變形，從而實現(xiàn)連接的技術(shù)，具有明顯的優(yōu)缺點[5]。

1.主要優(yōu)勢

1）熱輸入低，焊接變形小。攪拌摩擦焊過程中，母材不熔化，僅在攪拌針的作用下，發(fā)生塑性變形，且焊接過程中工裝夾具和背后的墊板對母材起到很好的控制作用，所以焊接變形很小。

2）焊縫強度高，焊接質(zhì)量好。由于是固相焊接技術(shù)，焊接過程中溫度低，沒有常見的弧焊缺陷，焊縫及周圍無明顯的殘余應(yīng)力。

3）無需輔材。和弧焊相比，焊接過程中無需焊絲和保護氣，減少了生產(chǎn)成本。

4）更加綠色、環(huán)保。焊接過程中，無任何煙塵、飛濺和弧光，避免了對生產(chǎn)人員的傷害，避免了對環(huán)境的污染。

5）焊接姿態(tài)不受限制。熔化焊時，由于焊絲和母材的熔化，無法實現(xiàn)仰焊。而攪拌摩擦焊可以不受限制。

6）可以焊接以前無法焊接的材料。攪拌摩擦焊的出現(xiàn)，使得更容易實現(xiàn)鋼鋁、鎂鋁等異種金屬的焊接。

2.不足之處

雖然攪拌摩擦焊技術(shù)得到了廣泛關(guān)注和研究，但由于技術(shù)本身的限制，仍有以下不足之處：

（1）只能用于輕金屬及其合金材料的焊接由于工藝的特點，僅限于塑性好、熔點較低的材料。對于塑性差、熔點過高的材料，無法實現(xiàn)焊接。（2）焊縫末端留有匙孔由于焊縫末端攪拌針退出時，會在攪拌針位置留下一個孔，不僅影響美觀，還會影響強度。（3）焊縫無增高焊接過程中，無法添加焊材，所以焊縫無法增高。（4）焊縫背面必須要有墊板由于焊接過程中攪拌頭對焊縫需要有足夠的下壓力，所以必須要有墊板支撐母材。（5）對裝配精度要求高間隙和錯邊要求很高，如間隙或錯邊偏大，就容易造成焊接質(zhì)量缺陷。（6）可焊接的件尺寸受限由于攪拌針的尺寸和強度限制，無法焊接厚度過大的零件。而對于過薄的零件，受到攪拌摩擦力的影響，也無法焊接。

攪拌摩擦焊系統(tǒng)設(shè)備構(gòu)成及應(yīng)用

根據(jù)帶動攪拌頭的執(zhí)行機構(gòu)不同，攪拌摩擦焊系統(tǒng)主要分為機器人攪拌摩擦焊和機床式攪拌摩擦焊。

1.機器人攪拌摩擦焊系統(tǒng)

工業(yè)機器人具有柔性高、自動化程度高，并且可以實現(xiàn)復(fù)雜的軌跡運動，易于實現(xiàn)空間全位置焊接，這就使得復(fù)雜構(gòu)件的焊接成為可能。

機器人攪拌摩擦焊系統(tǒng)主要由機器人及其控制柜、攪拌頭、主軸及其控制系統(tǒng)、變位機及焊接工裝夾具等組成。

（1）機器人及其控制柜機器人作為運動機構(gòu)，可以達到不同位置的焊縫。目前主要是串聯(lián)式機器人，且由于焊接過程中需要承受不同方向的力，所以機器人全部為高剛度和高精度的重載機器人，目前常用的是KUKAKR500系列，F(xiàn)ANUCM-900iB/700，ABBIRB8700和IRB7600系列。

（2）攪拌頭由攪拌頭和攪拌針組成的旋轉(zhuǎn)部件。一般根據(jù)待焊接的零件選擇合適形狀的攪拌頭或新設(shè)計攪拌頭。此外攪拌頭的材質(zhì)對于攪拌頭的使用壽命至關(guān)重要，嚴(yán)重的也會影響焊接質(zhì)量。

（3）主軸及其控制系統(tǒng)主軸是攪拌摩擦焊的核心驅(qū)動部件，通過帶動軸肩和攪拌針組成的攪拌頭旋轉(zhuǎn)，主要為攪拌頭的旋轉(zhuǎn)提供動力來源，為攪拌頭提供焊接扭矩、軸向壓力、前進抗力。目前以電主軸為主，也有部分選用液壓主軸。一般要求主軸的最大轉(zhuǎn)速要能達到 4000r/min ，電主軸和液壓主軸所承受的扭矩分別不小于40N·m和 120N？m 。此外，常用的是單主軸，也有部分選用雙主軸。

（4）變位機變位機主要和機器人配合，完成復(fù)雜零件的焊接。

（5）焊接工裝夾具由于焊接過程中，被焊工件承受較大的力，所以需要工裝對零件進行夾具和固定，避免焊接過程中焊縫出現(xiàn)較大偏移，保證焊接質(zhì)量穩(wěn)定，并可避免對零件造成較大的變形。

此外，為監(jiān)測焊接過程中的力、變形以及焊縫偏移情況，可以選配力傳感器、位移傳感器和焊縫跟蹤傳感器等設(shè)備，并可將這些數(shù)據(jù)和信號進行集成，利用合適的算法進行實時反饋，達到監(jiān)控和矯正的目的，實現(xiàn)智能化焊接。

2.機床式攪拌摩擦焊系統(tǒng)

機床式攪拌摩擦焊系統(tǒng)是以機床設(shè)備為基礎(chǔ)，將攪拌摩擦焊頭進行集成，從而完成焊接。機床式攪拌摩擦焊系統(tǒng)具有剛度大、可焊工件厚度大、焊接效率高和焊接穩(wěn)定性好等優(yōu)點?？筛鶕?jù)主體的不同，主要分為臺式攪拌摩擦焊系統(tǒng)和龍門式攪拌摩擦焊系統(tǒng)。

和機器人攪拌焊系統(tǒng)相比，機床式攪拌摩擦焊系統(tǒng)焊接穩(wěn)定性更好、焊接效率更高，可以根據(jù)零件的尺寸以及焊縫的位置、形狀，選擇不同尺寸和形式的機床。但機床式攪拌摩擦焊系統(tǒng)主要用于直線和平面二維曲線。

3.攪拌摩擦焊在白車身焊接中的應(yīng)用

最早在1999年，由寶馬、沃爾沃、福特等車企組成的聯(lián)合項目小組在實驗室研究了通過攪拌摩擦焊將1.5mm 和3mm不等厚板進行焊接，隨后進行沖壓，用于車門內(nèi)板8。隨后，馬自達、奧迪、豐田、奔馳和本田等眾多車企逐步嘗試在白車身制造中選用攪拌摩擦焊，表2是目前攪拌摩擦焊在白車身上的應(yīng)用情況

常見缺陷及原因

1.飛邊毛刺

1）轉(zhuǎn)速過大。

2）焊接速度過小。

3）下壓量偏大。

2.表面溝槽

1）軸肩選擇不合適，軸肩偏小。

2）下壓力不夠。

3）焊接速度過大。

3.表面起皮

1）轉(zhuǎn)速過大。

2）焊接速度過小。

4.表面鼓皮

1）表面氧化膜過厚。

2）零件有油污。

5.背部焊瘤

1）被焊材料和工裝夾具貼合差，間隙過大。

2）攪拌針長度過長。

結(jié)語

和傳統(tǒng)的焊接工藝相比，攪拌摩擦焊具有焊接質(zhì)量好、焊接變形小、無飛濺、焊接過程安全等特點。隨著攪拌摩擦焊技術(shù)和汽車材料輕量化等技術(shù)的發(fā)展，攪拌摩擦焊工藝和裝備將越來越智能和先進，攪拌摩擦焊技術(shù)有望在汽車制造中得到更廣泛的應(yīng)用。

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