2AL2铝合金搅拌摩擦焊研究

    姜贤峰

    摘 要：搅拌摩擦焊是一种由英国焊接研究所研发的固相新型焊接方式。低的焊接温度、小的热输入量、接头强度较高以及在搅拌摩擦焊接过程中金属材料不发生变化，这些优点使得搅拌摩擦焊比其他的传统熔化焊更易于推广。从搅拌摩擦焊在焊接过程中的搅拌头和焊接工艺方面出发，研究搅拌摩擦焊的成型规律。

    关键词：铝合金；焊接；加工工艺

    中图分类号：TG453.9 文献标识码：A

    doi：10.14031/j.cnki.njwx.2019.03.011

    1 选题背景和意义

    铝合金拥有密度小，良好的塑性和加工性能，良好的耐低温性能，表面性能好，弹性系数小等优点，因此铝合金广泛应用于汽车、飞机、机械制造等诸多领域。

    常规的焊接方式，如手工电弧焊、埋弧自动焊和气体保护焊等，在焊接过程中焊缝容易产生表面氧化、气孔和裂纹等不良缺陷，长期困扰着金属之间的连接。在这样的情况下， 搅拌摩擦焊由此产生， 它的问世解决了在焊接中产生的多種弊端。搅拌摩擦焊是一种由英国的焊接研究所研发的固相新型焊接方式。它的焊接方法是利用高速旋转的搅拌头与材料接触发生摩擦，进而产生大量热量，促使材料发生融熔，从而实现焊接的一种方法。焊接时有利地消除了裂纹、气孔、辐射等不利因素，同时也实现了焊接的普及， 消除了焊接对人工技术和经验的高要求，因此，这项技术一经问世， 就收到了各方的青睐。

    本文将采用厚度2.5 mm的2AL2铝合金薄板，从搅拌摩擦焊在焊接过程中的搅拌头和焊接工艺几个方面入手分析，研究搅拌摩擦焊的成型规律。

    2 搅拌头的设计

    在搅拌摩擦焊加工过程中，把高速旋转的搅拌头看作是焊接的工具，搅拌头对焊缝区域进行挤压、融熔、成型。所以在搅拌头材料的选择上，要求具有较强的耐磨损性、耐高温性、良好的力学性能，在多次挤压后能够保持较小的磨损。

    搅拌头功能的特殊性也决定其形状与众不同，分为轴肩和搅拌针。轴肩设计为搅拌针直径的3倍大小，尾部用于刀柄的夹持。搅拌针的长度稍短于所加工的工件尺寸，搅拌针与轴肩连接处设计成一个7°左右的斜面，有利于高速搅拌针在下压力作用下，与工件接触部分软化组织的流动，有利于焊缝区域组织的再结晶。

    3 机床的选择和工件的装夹

    本次实验应用的是普通立式铣床。工件的装夹和压板位置的安装是实验能否成功的一个关键环节。在焊接过程中，搅拌头的运动轨迹可以简化为先下压、再前移，在这一过程中工件会受到比较大的纵向和轴向的力。两块焊接件易出现分离和错位，导致搅拌头和被焊工件间无法实现焊接全过程，从而导致焊接的失败。所以，在装夹时，纵向和轴向两个方向上加上挡块和压块，避免发生分离现象。

    4 焊接参数的设定和工艺的选择

    对于搅拌摩擦焊最终材料成型的效果，影响因素主要包括搅拌头的选材和形状、焊接的进给速度、主轴转速和焊接时的下压力等。

    4.1 焊接的进给速度

    焊接的进给速度对焊接成型质量起着重要的影响，经过多次实验对比发现，在较低的焊接进给速度下，单位面积内产生的热量较多，形成的焊缝强度也较低，随着进给速度的上升，焊缝强度会得到改善。但是，如果进给速度过快，塑性变形融熔了的材料未能够填充搅拌头走过的区域，焊缝易形成一条狭长、低于其焊接平面的小沟槽，因此搅拌头移动速度不应过慢或过快，需根据不同焊接材料，参照实验对比，寻求最佳速度。

    4.2 焊接的主轴转速

    搅拌摩擦焊的主轴转速主要是在搅拌过程中调节热量的输入来影响焊缝的成型。通过搅拌头在不同转速下焊缝成型的效果对比，当主轴转速较低时，搅拌头与工件之间摩擦产生的热量较小，焊缝区域不能形成良好的塑性流动，易形成沟槽；当搅拌头的转速提高后，焊缝的不良效果会逐渐得到改善，但也不可过高，过高会产生局部熔化现象，不利于焊缝的成型。因此在选择转速时要根据不同的材料，采取适合的转速，才能得到最佳焊缝效果。

    4.3 焊接下压力

    焊接下压力是指轴肩与被焊工件之间有接触的数值，对于焊接成型的影响较大。当下压力量过小时，轴肩与工件的接触面积会相应减小，接触压力也会减小，焊接区域会呈现结构不够致密，更甚会有孔洞等缺陷。当下压力量过大时，则接触面积会增多，轴肩与焊接表面之间会产生大量的热量，这样会加速轴肩的损耗，同时也会降低成型质量，易造成表面出现飞边等不良特征的产生。

    参考文献：

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    [2] 傅志红.搅拌摩擦焊及其现状研究[J].焊接，2012（11）：6-10.

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