攪拌摩擦焊剖析

1、攪拌摩擦焊攪拌摩擦焊的定義及原理攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding ,簡稱FSW是基于摩擦焊技術(shù)的基本原理，由英國焊接研究所（TWD于1991年發(fā)明的一種新型固相連接技術(shù)。與常規(guī)摩擦焊相 比，其不受軸類零件的限制，可進(jìn)行板材的對接、搭接、角接及全位置焊接。與傳統(tǒng) 的熔化焊方法相比，攪拌摩擦焊接頭不會產(chǎn)生與熔化有關(guān)的如裂紋、氣孔及合金元素 的燒損等焊接缺陷；焊接過程中不需要填充材料和保護(hù)氣體，使得以往通過傳統(tǒng)熔焊 方法無法實現(xiàn)焊接的材料通過攪拌摩擦焊技術(shù)得以實現(xiàn)連接；焊接前無須進(jìn)行復(fù)雜的 預(yù)處理，焊接后殘余應(yīng)力和變形??；焊接時無弧光輻射、煙塵和飛濺，噪音低；因而， 攪拌摩擦焊

2、是一種經(jīng)濟(jì)、高效、高質(zhì)量的“綠色”焊接技術(shù)，被譽為“繼激光焊后又 一次革命性的焊接技術(shù)”。攪拌摩擦焊方法與常規(guī)摩擦焊一樣，攪拌摩擦焊也是利用摩擦熱作為焊接熱源。 不同之處在于攪拌摩擦焊焊接過程是由一個圓柱體形狀的焊頭（伸入工件的接縫處，通過焊頭的高速旋轉(zhuǎn)，使其與焊接工件材料摩擦，從而使連接部位的材料溫度升高軟化 同時對材料進(jìn)行攪拌摩擦來完成焊接的。攪拌摩擦焊焊接過程攪拌摩擦焊是利用摩擦熱作為焊接熱源的一種固相連接方法，但與常規(guī)摩擦焊有 所不同。在進(jìn)行攪拌摩擦焊接時，首先將焊件牢牢地固定在工作平臺上，然后，攪拌 焊頭高速旋轉(zhuǎn)并將攪拌焊針插入焊件的接縫處，直至攪拌焊頭的肩部與焊件表面緊密 接觸，攪

3、拌焊針高速旋轉(zhuǎn)與其周圍母材摩擦產(chǎn)生的熱量和攪拌焊頭的肩部與焊件表面 摩擦產(chǎn)生的熱量共同作用，使接縫處材料溫度升高而軟化，同時，攪拌焊頭邊旋轉(zhuǎn)邊 沿著接縫與焊件作相對運動，攪拌焊頭前面的材料發(fā)生強烈的塑性變形。隨著攪拌焊 頭向前移動，前沿高度塑性變形的材料被擠壓到攪拌焊頭的背后。在攪拌頭軸肩與焊 件表層摩擦產(chǎn)熱和鍛壓共同作用下，形成致密的固相連接接頭。攪拌摩擦焊接過程如 圖所示：三攪拌摩擦焊工藝（一）、攪拌摩擦焊接頭形式攪拌摩擦焊可以實現(xiàn)棒材一棒材、板材一板材的可靠連接，接頭形式可以設(shè)計為對接、 搭接、角接及T形接頭，可進(jìn)行環(huán)形、圓形、非線性和立體焊縫的焊接。由于重力對這種固 相焊接方法沒有影響

4、，攪拌摩擦焊可以用于全位置焊接，如橫焊、立焊、仰焊、環(huán)形軌道自 動焊等。二）、攪拌摩擦焊的熱輸入在攪拌摩擦焊接過程中，攪拌焊針高速旋轉(zhuǎn)并插入焊件，隨即在焊接壓力的作用下，軸 肩與焊件表面接觸，于是在軸肩與焊件材料上表面及攪拌針與接合面間產(chǎn)生大量的摩擦熱， 同時， 攪拌針附近材料發(fā)生塑性變形和流體流動從而導(dǎo)致形變產(chǎn)熱， 其中摩擦熱是焊接產(chǎn)熱 的主體。隨著攪拌焊頭沿焊縫方向行走， 這些熱量對焊縫及焊縫附近的母材施以熱循環(huán)作用， 導(dǎo)致材料中沉淀相的溶解、 焊縫和熱影響區(qū)發(fā)生較大程度的軟化攪拌摩擦焊本質(zhì)上是以摩擦 熱作為焊接熱源的焊接方法，所以熱輸入是影響焊接質(zhì)量的直接、關(guān)鍵因素。焊縫中的溫度 與接頭

5、的力學(xué)性能之間有一個最佳范圍 ,超出最佳范圍 ,焊縫的熱出入過大接頭的力學(xué)性能 降低.原因：鋁合金在焊接過程中 , 熱循環(huán)使焊縫兩側(cè)發(fā)生組織、 性能變化的熱效應(yīng)區(qū) （HAZ）, 是產(chǎn)生軟化的主要危險區(qū)域 . 軟化區(qū)間的寬度直接與熱輸入成正比 ,所以要減小軟化區(qū)間的 寬度熱輸入 .當(dāng)焊縫中的溫度進(jìn)入鋁合金的軟化溫度時 , 熱影響區(qū)會發(fā)生強化相的析出和聚 集,材料的固溶強化效果減弱 ,焊件的強度降低 .隨著溫度的升高 , 強化相甚至發(fā)生過時效析 出現(xiàn)象,材料固溶強化效果更差 ,強度下降越多 .三）攪拌摩擦焊參數(shù)的選擇攪拌摩擦焊接是一個復(fù)雜的過程 , 在攪拌頭確定的前提下 ,攪拌摩擦焊最重要的工藝參

6、 數(shù)是攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度 R焊接速度v和軸肩的下壓量。攪拌摩擦焊焊接接頭的成型特點及 性能和攪拌摩擦焊過程中單位長度焊縫吸收的能量有密切的關(guān)系 , 而單位長度焊縫吸收的能 量同旋轉(zhuǎn)速度與焊接速度的比值 R/v有關(guān),R/v值越大,表明攪拌頭在單位長度的焊縫上旋轉(zhuǎn) 的次數(shù)越多 , 則輸入材料內(nèi)的熱量越多 , 焊區(qū)的溫度越高。反之 ,R/v 值越小 , 則焊區(qū)的溫度越 低。1. 攪拌頭轉(zhuǎn)速攪拌摩擦焊工藝試驗過程中 , 在焊接壓力及焊接速度不變的情況下 （ 焊接速度為 40mm/min,下壓量為0.17mm）,攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度較低時,摩擦產(chǎn)熱功率小,焊接區(qū)金屬不能達(dá)到 熱塑性狀態(tài) , 不足以形成熱塑性流動

7、層 , 使得攪拌摩擦焊過程類似于金屬的銑削加工 , 從而在 焊縫表面產(chǎn)生溝槽。圖1a為攪拌頭轉(zhuǎn)速為1000r/min時在焊縫表面產(chǎn)生溝槽。由于熱輸入 不夠 , 焊縫區(qū)金屬不能完全塑化 , 塑性流動不夠 , 使得部分鎂合金粘附在攪拌頭上 , 不能形成 閉合的焊縫。此時由于攪拌頭的探針上粘附了鎂合金 ,其起攪拌作用的部分尺寸有所增加 , 使得焊縫背面出現(xiàn)焊透的現(xiàn)象 （圖 1b）; 當(dāng)攪拌頭轉(zhuǎn)速提高為 1100r/min 時,焊接區(qū)內(nèi)摩擦產(chǎn) 熱量增加,在接近試樣表面的攪拌焊針周圍 ,首先形成熱塑性流動層 ,但在焊縫的內(nèi)部 ,由于 熱塑性層的溫度相對較低 ,還無法完成流動、填充、擠壓、擴散過程 ,焊縫

8、表面的溝槽雖然消 失, 但如果沿焊縫的橫截面將其切開 , 則焊縫內(nèi)部可能有孔洞甚至出現(xiàn)隧道型缺陷 , 不能形成 良好的固相連接 ;如果攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度繼續(xù)增加到 1200r/min, 由于熱輸入的增加 ,熱塑性層 逐漸擴大和流動 , 使得焊縫中的孔洞和隧道消失 , 形成致密的焊縫 （圖 1） 。當(dāng)攪拌頭轉(zhuǎn)速超過1500r/min時,由于旋轉(zhuǎn)速度過高造成熱輸入過大而導(dǎo)致焊縫金屬過熱，甚至局部產(chǎn)生熔化現(xiàn)象。I)1 000 血lifliE血b) I 000 r/minlf Ifij I疔mm2焊接速度當(dāng)攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度一定時，若焊接速度較慢，焊縫表面平滑光亮，但在焊縫背面可見 到由于局部母材熔化而出現(xiàn)

9、的縮孔。隨著焊接速度的增加，這種縮孔會消失，繼續(xù)增加焊接 速度,焊縫表面的光潔度變差，甚至?xí)霈F(xiàn)隧道型缺陷；若焊接速度過快，隧道型缺陷逐漸增 大，甚至?xí)诤缚p表面出現(xiàn)溝槽。圖2焊速過離形成隧道在攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為1300r/min、下壓量定為0.17mm時,焊接速度若高于60mm/min,會看 到焊縫的一側(cè)產(chǎn)生未焊合或在攪拌頭的后面出現(xiàn)長長的溝槽。圖2是焊接速度為70mm/min的焊縫,由于熱輸入不夠，在焊縫表面產(chǎn)生溝槽。當(dāng)焊接速度低于30mm/min時,則焊縫表面發(fā)生凹陷或在焊縫某一側(cè)產(chǎn)生切邊現(xiàn)象，同時,在焊縫的背面會出現(xiàn)由于過熱而形成的縮孔。當(dāng)焊 接速度為3060mm/min焊縫的外觀成形較

10、好。圖3為焊速分別為30mm/min和50mm/min所形 成的焊縫正反兩面的宏觀形貌，可以看出其成形良好。這是由于焊接速度影響單位長度焊縫上 的熱輸入量，攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度一定而焊接速度過慢時，單位長度焊縫上獲得的熱量過多，使焊 接區(qū)溫度接近母材的熔化溫度而出現(xiàn)局部過熱甚至熔化現(xiàn)象；反之，當(dāng)焊接速度過快時，焊接區(qū)獲得的熱量較少，材料達(dá)不到塑性流變狀態(tài)并且不能充分流動，以致形成隧道型缺陷或在表 面出現(xiàn)溝槽。對于一個給定的旋轉(zhuǎn)速度，總有一個適當(dāng)?shù)暮附铀俣确秶c其相對應(yīng)，降低旋轉(zhuǎn) 速度,焊接速度則相應(yīng)降低。只有攪拌焊頭的旋轉(zhuǎn)速度與焊接速度合理匹配時，才能得到外觀成形好、內(nèi)部無缺陷的優(yōu)質(zhì)焊縫。 c<

11、;* >加_£E.23>Q nnn/ann5niTr QQ> 整亟.孑口口 fg 3n 鼻 MP _fiK ,O » Bi/im.an £FE iScJ二_UL 3Q cnna/oiLifi J&=E.EH H筍龍ZE 夙 網(wǎng) TS E 主 3?W1開步SSE3攪拌頭軸肩下壓量攪拌頭軸肩下壓量其實是焊接過程中焊接壓力的一種表示方法，攪拌摩擦焊接工藝過程 中,只有通過施加足夠的焊接壓力才能在攪拌焊頭和焊件之間獲得摩擦力進(jìn)而獲得足夠的摩 擦熱能。同時，焊接壓力還起到限制塑性流體外溢保證焊縫成型的作用。因此，攪拌頭軸肩下壓量的大小對焊接質(zhì)量有重

12、要的影響。圖4攪拌頭軸肩不同下壓量時的焊縫宏觀形貌試驗過程中，在保持旋轉(zhuǎn)速度和焊接速度不變的情況下，通過改變攪拌頭軸肩下壓量，觀 察焊接壓力對攪拌摩擦焊焊縫成型的影響，結(jié)果表明，對于一定結(jié)構(gòu)尺寸的攪拌焊頭，存在一 個合適的焊接壓力范圍與其相對應(yīng)。當(dāng)轉(zhuǎn)速為1200r/min,焊速為40mm/min時,軸肩下壓量在0150.2mm之間時,可獲得表面成型良好的焊縫。當(dāng)下壓量低于0.15mm時，焊縫內(nèi)部組織疏松或出現(xiàn)孔洞、隧道型缺陷，在焊縫表面出現(xiàn)溝槽，甚至肩部對焊接區(qū)起不到封閉作用而使焊縫. 金屬流外溢。如圖4a所示,焊縫左邊部分軸肩下壓量為0.12mm,此時焊接壓力不夠，在焊縫表 面出現(xiàn)溝槽；焊縫

13、右邊部分軸肩下壓量為0.15mm溝槽現(xiàn)象消失，焊縫成型良好。圖4b是軸肩 下壓量為0.19mm時的焊縫，焊縫表面成形良好沒有飛邊產(chǎn)生。圖4c、圖4d是下壓量分別為0.2mm和0.25mm時，焊縫表面產(chǎn)生飛邊。下壓量為 0.2mm時，只在后退面上產(chǎn)生少量的飛邊； 當(dāng)下壓量繼續(xù)增加到0.25mm時，在前進(jìn)面和后退面上都有飛邊產(chǎn)生，而且特別明顯。增加軸肩的下壓量即增加了攪拌頭對試樣表面的壓力，使攪拌頭和焊件之間獲得足夠摩 擦熱,提高了焊縫組織的致密度，使焊縫成型得到改善。但壓力過大，會造成摩擦力增大，攪拌 頭向前移動的阻力增大，且易造成焊縫凹陷，焊縫表面出現(xiàn)飛邊、毛刺。因此，下壓量的選擇對焊縫飛邊的

14、產(chǎn)生有著重要的影響，在攪拌頭轉(zhuǎn)速和焊速一定的情況下，選擇合適的下壓量是得到成形良好焊縫的關(guān)鍵因素。圖4e、圖4f是下壓量為0.15mm時,成形良好的焊縫正面和反面圖。根據(jù)以上試驗結(jié)果，當(dāng)轉(zhuǎn)速為12001500r/min、焊速為3060mm/min軸肩下壓量為0.150.2mm時,可以得到表面成形良好、剖開后沒有孔洞和隧道的焊縫。 y T7Si jKO. 1 2. m-mb )：1mmj-h, _2 aliddf*tO.25 insie ) 卜 jFK jHrO | S mnt *- iT7 ifefFA ih jRO. 1 S Emm #I*圉 斗 授扌半頭卒曲啟喬冋下壓呈曰寸白勺*早舒董宏觀

15、開土貌結(jié)論：1. 鎂合金攪拌摩擦焊焊接接頭的成形質(zhì)量影響最大的因素是攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度、焊接速 度和軸肩的下壓量。2. 攪拌頭轉(zhuǎn)速過快或者焊接速度過慢時，單位長度焊縫上的熱輸入量過多，會使焊接區(qū)溫 度接近母材的熔化溫度而出現(xiàn)局部過熱甚至熔化現(xiàn)象；反之，當(dāng)攪拌頭轉(zhuǎn)速不夠或者焊接速度 過快時,焊接區(qū)獲得的熱量較少，材料達(dá)不到塑性流變狀態(tài)并且不能充分流動，以致形成隧道 型缺陷或在表面出現(xiàn)溝槽。3. 當(dāng)軸肩下壓量過低時，焊縫內(nèi)部組織疏松或出現(xiàn)孔洞、隧道型缺陷，在焊縫表面出現(xiàn)溝 槽,甚至肩部對焊接區(qū)起不到封閉作用而使焊縫金屬流外溢 ；下壓量過大，會造成摩擦力增大： 攪拌焊頭向前移動的阻力增大，易使焊縫凹陷

16、，焊縫表面出現(xiàn)飛濺。四攪拌摩擦焊的特點與傳統(tǒng)摩擦焊及其他焊接方法相比，攪拌摩擦焊有以下優(yōu)點：1.焊接接頭質(zhì)量高，不易產(chǎn)生缺陷。焊縫是在塑性狀態(tài)下受擠壓完成的，屬于固相焊接, 因而其接頭不會產(chǎn)生與凝固冶金有關(guān)的一些如裂紋、氣孔以及合金元素的燒損等焊接缺陷和 脆化現(xiàn)象，適于焊接鋁、銅、鉛、鈦、鋅、鎂等有色金屬及其合金以及鋼鐵材料、復(fù)合材料 等，也可用于異種材料的連接。2不受軸類零件的限制，可進(jìn)行平板的對接和搭接，可焊接直焊縫、角焊縫及環(huán)焊縫， 可進(jìn)行大型框架結(jié)構(gòu)及大型筒體制造、大型平板對接等，擴大了應(yīng)用范圍。3易于實現(xiàn)機械化、自動化，質(zhì)量比較穩(wěn)定，重復(fù)性高。攪拌摩擦焊工藝參數(shù)少，焊接 設(shè)備簡單，容

17、易實現(xiàn)自動化，從而使焊接操作十分簡便，焊機運行和焊接質(zhì)量的可靠性大大4 焊接成本較低，效率高。無須填充材料、保護(hù)氣體，焊前無須對焊件表面預(yù)處理，焊 接過程中無須施加保護(hù)措施。厚焊接件邊緣不用加工坡口。焊接鋁材工件不用去氧化膜，只 需去除油污即可。對接時允許留一定間隙，不苛求裝配精度。5焊接變形小，焊件尺寸精度較高。由于攪拌摩擦焊為固相焊接，其加熱過程具有能量 密度高、熱輸入速度快等特點，因而焊接變形小，焊后殘余應(yīng)力小。在保證焊接設(shè)備具有足 夠大的剛度、焊件裝配定位精確以及嚴(yán)格控制焊接參數(shù)的條件下，焊件的尺寸精度高。6綠色焊接。焊接過程中無弧光輻射、煙塵和飛濺，噪音低，因而攪拌摩擦焊是一種高 質(zhì)

18、量、低成本的“綠色焊接方法”。同時，攪拌摩擦焊也存在一些不足，主要表現(xiàn)在：1 焊接工具的設(shè)計、過程參數(shù)及力學(xué)性能只對較小范圍、一定厚度的合金適用。2 攪拌焊頭的磨損相對較高。3目前焊接速度不高。4需要特定的夾具，設(shè)備的靈活性差。五攪拌摩擦焊的應(yīng)用1.在航天領(lǐng)域，攪拌摩擦焊已經(jīng)成功應(yīng)用在火箭和航天飛機助推燃料筒體的縱向?qū)雍?縫和環(huán)向搭接接頭的焊接，如圖 2-33所示。用ESAB公司生產(chǎn)的稱為SuperStir的攪拌摩擦 焊機焊接了直徑2.4m、板厚22.2mm型號為2014-T6鋁合金S火箭燃料筒的縱縫，與 MIG 焊相比，攪拌摩擦焊缺陷率很低，MIG焊焊縫長832cm出現(xiàn)一個缺陷，而攪拌摩擦焊焊縫長 7620cm出現(xiàn)一個缺陷，相當(dāng) MIG焊的1/10。最近在S W火箭中攪拌摩擦焊焊接的1200m長 焊縫中無任何缺陷出現(xiàn)。圖2-33攪拌摩擦焊焊接的運載火箭低溫燃料筒2. 在電子工業(yè)方面，攪拌摩擦焊已用于大型鋁合金散熱片的焊接，大型寬幅鋁合金散熱 片是高速列車、城軌等軌道車輛的重要部件。銅的熔點和熱傳導(dǎo)率比鋁高，銅及銅合金采用一般熔焊方法也是極困難的。在歐洲用攪拌摩擦焊制作了大