铝合金搅拌磨擦焊焊接的方法及缺陷分析

朱万明董伟胡秋富

摘要：主要讲述搅拌摩擦焊的原理和特点，现阶段在生产实际中的应用，论述了铝合金焊搅拌摩擦焊原理、特点、设备及焊接中出现的常见焊接缺陷的类型和原因，总结了影响缺陷产生的因素。

关键词：搅拌摩擦焊；铝合金；工艺参数；焊接缺陷

引言

铝合金焊搅拌摩擦焊接法的开发随着铝合金在高铁、城市轨道客车、汽车、高速艇航空航天等方面应用日益扩大，如何对铝合金进行高效率、高质量的焊接，低成本生产、低人员投入。生产过程中对环境绿色低碳排放。就成为突出的课题。

在国外搅拌摩擦焊接技术的发展已是十分成熟，理论体系也较为系统。但目前的搅拌摩擦焊的研究和应用主要还是铝合金、钢材等高熔点材料。

由于搅拌摩擦焊接技术本身的技术优越特点，加之其独特性与不可替代性，都将会是未来焊接技术发展必然方向之一。

一、搅拌摩擦焊的原理

搅拌摩擦焊是一种在机械力和摩擦热作用下的固相连接方法。搅拌摩擦焊过程中，一个柱形带特殊轴肩和针凸的搅拌头旋转着缓慢插入被焊接工件，搅拌头和被焊接材料之间的摩擦剪切阻力产生了摩擦热，使搅拌头邻近区域的材料热塑化（焊接温度一般不会达到和超过被焊接材料的熔点），当搅拌头旋转着向前移动时，热塑化的金属材料从搅拌头的前沿向后沿转移，并且在搅拌头轴肩与工件表层摩擦产热和锻压共同作用下，形成致密固相连接接头。

二、搅拌摩擦焊的特点

搅拌摩擦焊具有适合于自动化和机器人操作的诸多优点。对于有色金属材料（如铝、铜、镁、锌等）的连接。在焊接方法、接头力学性能和生产效率上具有其他焊接方法无可比拟的优越性，它是一种高效、节能、环保型的新型连接技术。

搅拌摩擦焊对材料的适应性很强，几乎可以焊接所有类型的铝合金材料，由于搅拌摩擦焊接过程较低的焊接温度和较小的热输入，一般搅拌摩擦焊接头具有变形小、接头性能优异等特点；可以焊接目前熔焊“不能焊接”和所谓“难焊”的金属材料；搅拌摩擦焊对于镁合金、锌合金、铜合金、铅合金以及铝基复合材料等材料的板状对接或搭接的连接也是优先选择的焊接方法；

1.焊接效率高

对于铝合金车辆地板焊缝，当壁厚1.5mm时，可以实现4-6mm/min的焊接速度，当壁厚2-2.5mm时，可以实现3-5mm/min的焊接速度。综合速度比MIG焊接快一倍。焊接超薄壁结构，壁厚1mm时，据国外资料介绍，焊接速度可达到6000mm/min，这是MIG焊接无法想象的。对于厚板结构，搅拌摩擦焊接速度和MIG焊相差不大，但MIG焊焊接层数多，一次成功概率小，综合焊接速度搅拌摩擦焊是MIG焊的5倍以上，这在铝合金车辆车钩座产品的生产实践中已经得到验证

2、焊缝与母材基本持平，打磨工作量小

3、焊缝静强度、耐疲劳性能、抗冲击性能获得提高尤其薄壁结构性能改善更好。

4、焊缝中不存在气孔、疏松，焊缝气密与水密性高。

5、焊接作业清洁，对环境、人员没有危害，能耗低。

搅拌摩擦焊过程类似机加工过程，没有焊接烟尘的产生和金属颜色的变化，而MIG焊接过程将伴随大量危害健康的烟尘产生，弧光对人的辐射作用也不可能完全避免，而搅拌摩擦焊接能量转换率高，属于低能耗、环保型焊接方法，是国际推广应用的方向。

三、搅拌摩擦焊的设备

目前正在实际生产中使用的两款设备。中国航天重型搅拌摩擦焊和赛福斯特中型搅拌摩擦焊

四、搅拌摩擦焊的工艺参数

五、搅拌摩擦焊的缺陷

1、飞边

飞边缺陷出现在焊缝表面，通常是由于焊接压力过大而导致较多的塑性材料从轴肩两侧挤出，冷却后形成的一种缺陷；

2、沟槽

沟槽缺陷是搅拌头在对接板表面机械搅动后未形成连接的一种严重缺陷，通常位于前进侧焊缝表面，沟槽缺陷的产生主要是由于焊接过程中压力过小，导致热输入严重不足，发生塑性变形的材料大量减少，而且材料流动性能降低，造成焊缝前进侧的塑化材料从后退侧绕流以后不能回填到前进侧，从而在前进侧焊缝表面附近形成孔洞。

3、未焊合

未焊合是指在焊缝底部未形成连接或不完全连接而出现的“裂纹状”缺陷，焊接压力过小时容易形成根部未焊合，未焊合的产生实际上是由于搅拌针长度不足而造成的。

4、孔洞

孔洞缺陷的形成主要是由于焊接过程中热输入不够，达到塑性化状态的材料不足，材料流动不充分而导致在焊缝内部形成材料未完全闭合的现象。

六、产生缺陷的因素

搅拌摩擦焊是一个复杂的工艺过程，很多因素能对搅拌摩擦焊接头性能造成影响，

1、搅拌头的影响搅拌摩擦焊焊核区成形仅受搅拌针搅动部分塑性材料流动的影响，轴肩尺寸过小会导致塑性材料流动不足而在焊缝上部形成沟槽，较大的倾斜角度会增强流动从而减小沟槽出现的可能。

搅拌头与被焊工件表面之间的接触状态对焊缝的成形也有较大的影响。当下压量不足时，表面热塑性金属“上浮”，溢出焊接表面，焊缝底部在冷却后会由于金属的“上浮”而形成孔洞。当下压量过大时，轴肩与焊件表面摩擦力增大，摩擦热将使轴肩发生“粘头”现象，使焊缝表面出现飞边、毛刺等缺陷。

2、搅拌头旋转速度旋转转速是影响摩擦搅拌焊热源的主要因素之一。当搅拌头的旋转速度较低时，摩擦热不够，不足以形成热塑性流动层，其结果是不能实现固相连接，在焊缝中形成了孔洞。随着转速的提高，摩擦热源增大，热塑性流动层由上而下逐渐增大，使得焊缝中的孔洞逐渐减小，当转速上升到一定值时，孔洞消失，形成致密的焊缝。但转速过高时，会使焊针周围以及轴肩下面的材料温度达到或超过熔点，无法形成固相连接。

3、焊接速度当焊接速度过小时，搅拌焊头所产生的热量使焊接温度过高，焊合区金属温度将接近金属熔点，会使金属因过热而出现疏松，产生液化裂纹，同时，焊缝表面将凹凸不平。当焊接速度过大时，搅拌摩擦焊所产生的热量不足以使焊头周围的金属达到塑化状态，不能形成好的焊缝，在内部会出现孔洞。

4、其他因素工件对接口存在厚度差，表面会形成错口，焊接后造成飞边缺陷，错口越大，飞边越多。对接板如存在间隙也会造成焊接缺陷，间隙越大越不利于热量向焊核区扩散，导致热影响区温度升高，晶粒尺寸变大。

5、小结我们已经利用搅拌摩擦焊焊接质量高，退火强度小的特点，焊接MIG焊接难以完成的重要厚板焊缝。利用搅拌摩擦焊焊接薄板焊缝速度快、表面成型好的优势。利用搅拌摩擦焊焊接质量不受位置制约的特点，发展铝合金车体总组成横缝自动焊。在铝合金在轨道车辆焊接未来发展上，利用好搅拌摩擦焊接工艺。

参考文献：

[1]刘小文，鄢君辉，杜随更.LY12搅拌摩擦焊技术.焊接学报，2001，224（）：55～57