搅拌摩擦焊的原理与应用

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1　前言
　　摩擦焊是利用工件端面相互运动、相互摩擦所产生的热，使端部达到热塑性状态，然后迅速顶锻，完成焊接的一种方法。摩擦焊可以方便地连接同种或异种材料，包括金属、部分金属基复合材料、陶瓷及塑料。摩擦焊方法在制造业中已应用40多年了，由于其生产率高、质量好获得了广泛的工程应用，但焊接的对象主要是回转形零件，虽然也有其它形式的摩擦焊技术出现，以克服被焊工件几何形状的限制或提高生产率，如相位摩擦焊、径向摩擦焊、线性摩擦焊等，但实际应用很少。最近还出现了摩擦堆焊，在工件上形成特殊性能的表面层。
　　搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding)是英国焊接研究所TWI(The Welding Institute)提出的专利焊接技术^［1,2］。搅拌摩擦焊除了具有普通摩擦焊技术的优点外，还可以进行多种接头形式和不同焊接位置的连接。挪威已建立了世界上第一个搅拌摩擦焊商业设备，可焊接厚3～15mm、尺寸6×16m²的A1船板；1998年美国波音公司的空间和防御实验室引进了搅拌摩擦焊技术，用于焊接某些火箭部件；麦道公司也把这种技术用于制造Delta运载火箭的推进剂贮箱。本文主要介绍搅拌摩擦焊的方法、过程、特点以及焊接质量。

2　搅拌摩擦焊方法
　　与常规摩擦焊一样，搅拌摩擦焊也是利用摩擦热作为焊接热源。不同之处在于，搅拌摩擦焊焊接过程是由一个圆柱体形状的焊头(welding pin)伸入工件的接缝处，通过焊头的高速旋转，使其与焊接工件材料摩擦，从而使连接部位的材料温度升高软化，同时对材料进行搅拌摩擦来完成焊接的。焊接过程如图1所示。在焊接过程中，工件要刚性固定在背垫上，焊头边高速旋转，边沿工件的接缝与工件相对移动。焊头的突出段伸进材料内部进行摩擦和搅拌，焊头的肩部与工件表面摩擦生热，并用于防止塑性状态材料的溢出，同时可以起到清除表面氧化膜的作用。

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图1　搅拌摩擦焊接过程示意图

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　　在焊接过程中，焊头在旋转的同时伸入工件的接缝中，旋转焊头与工件之间的摩擦热，使焊头前面的材料发生强烈塑性变形，然后随着焊头的移动，高度塑性变形的材料流向焊头的背后，从而形成搅拌摩擦焊焊缝。
　　搅拌摩擦焊对设备的要求并不高，最基本的要求是焊头的旋转运动和工件的相对运动，即使一台铣床也可简单地达到小型平板对接焊的要求。但焊接设备及夹具的刚性是极端重要的。焊头一般采用工具钢制成，焊头的长度一般比要求焊接的深度稍短。
　　应该指出，搅拌摩擦焊缝结束时在终端留下个匙孔。通常这个匙孔可以切除掉，也可以用其它焊接方法封焊住。

3　搅拌摩擦的特点
　　搅拌摩擦焊的提出与A1合金的焊接有很大关系。A1合金广泛应用在飞机、航天器、船舶、高速火车等制造领域。特别是高强度A1合金，在采用传统的熔化焊接方法时，即使采用很好的变极性焊接设备，也仍然容易产生焊接裂纹等焊接缺陷。搅拌摩擦焊是固相焊接。以6016－T6高强度A1合金为便，该合金的熔化温度约为582℃，而焊缝中心的最高温度仅450℃左右，所以搅拌摩擦焊时不会产生与金属熔化有关的焊接缺陷。
　　而且焊接过程中也不需要其它焊接消耗材料，如焊条、焊丝、焊剂及保护气体等。唯一消耗的是焊接搅拌头。通常在A1合金焊接时，一个工具钢搅拌头可焊到800m长的焊缝。
　　同时，由于搅拌摩擦焊接时的温度相对较低，因此焊接后结构的残余应力或变形也较熔化焊小得多。特别是A1合金薄板熔化焊接时，结构的平面外变形是非常明显的，无论是采用无变形焊接技术还是焊后冷、热校形技术，都是很麻烦的，而且增加了结构的制造成本。
　　目前搅拌摩擦焊主要是用在熔化温度较低的有色金属，如A1、Cu等合金。这和搅拌头的材料选择及搅拌头的工作寿命有关。当然，这也和有色金属熔化焊接相对困难有关，迫使人们在有色金属焊接时寻找非熔化的焊接方法。对于延性好、容易发生塑性变形的黑色材料，经辅助加热或利用其超塑性，也有可能实现搅拌摩擦焊，但这就要看熔化焊和搅拌摩擦焊哪个技术经济指标更合理来决定。
　　搅拌摩擦焊在有色金属的连接中已获得成功的应用，但由于焊接方法特点的限制，目前仅限于结构简单的构件，如平直的结构或圆筒形结构的焊接，而且在焊接过程中工件要有良好的支撑或衬垫。原则上，搅拌摩擦焊可进行多种位置焊接，如平焊，立焊，仰焊和俯焊；可完成多种形式的焊接接头，如对接、角接和搭接接头，甚至厚度变化的结构和多层材料的连接，也可进行异种金属材料的焊接。
　　另外，搅拌摩擦焊作为一种固相焊接方法，焊接前及焊接过程中对环境的污染小。焊前工件无需严格的表面清理准备要求，焊接过程中的摩擦和搅拌可以去除焊件表面的氧化膜，焊接过程中也无烟尘和飞溅，同时噪声低。
　　由于搅拌摩擦焊仅仅是靠焊头旋转并移动，逐步实现整条焊缝的焊接，所以比熔化焊甚至常规摩擦焊更节省能源。

4　搅拌摩擦焊工艺
　　目前，搅拌摩擦焊在铝合金的连接方面研究得最多，已成功地进行了搅拌摩擦焊接的铝合金包括2000系列(Al－Cu)、5000系列(Al－Mg)、6000系列(Al－Mg－Si)、7000系列(Al－Zn－Mg)、8000系列(Al－Li)等。
　　搅拌摩擦焊工艺参数很简单，最重要的参数是：搅拌头的尺寸、搅拌头的圆周速度以及搅拌头与工件的相对移动速度。表1是几种有色金属常用的焊接速度。一般来说，对于铝合金的焊接，焊头的旋转速度可以从几百r/min到上千r/min。焊接速度一般在1mm/s～15mm/s之间。所以搅拌摩擦焊可以很方便地实现自动控制。另外，在焊接过程中焊头要压紧工件。

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表1　有色金属常用的焊接速度

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材料	板厚(mm)	焊接速度(mm/s)	焊道数
A16082－T6	5	12.5	1
A16082－T6	6	12.5	1
A16082－T6	10	6.2	1
A14212－T6	25	2.2	1
A16082－T6	30	3.0	2
Cu 5010	0.7	8.8	1
Cu 5010	7.4	6.3	1
A14212+Cu5010	1+0.7	8.8	1

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例如，对1100和6061冷轧板进行搅拌摩擦焊，板厚6.3mm。搅拌头的直径为6.3mm,长度为5.8mm。当焊接速度为1～4mm/s，搅拌头的转速在200～2000r/min的范围改变时，形成优质焊缝的最佳转速是400r/min。在转速过高时，例如超过10000r/min,引进材料应变速率增加，可能影响焊缝的再结晶过程。 5　焊接接头性能 　　在搅拌摩擦焊接头中，除了包括常见的焊缝区(搅拌区)，热影响区和母材外，还存在一个搅拌影响区(Stir affected zone)。图2为在焊接过程中从试件背面拍摄的焊接区形貌，从搅拌区前试件接缝的走向可以明显看出搅拌影响区的存在。由图3所示的焊接接头硬度分布也能证明搅拌影响区的存在。6061－T6(A1Mg1SiCu)为冷轧时效强化铝合金，温度的升高会造成材料硬度和强度的降低，但由于搅拌的影响，使得近邻焊缝区域的材料发生变形强化，从而形成搅拌影响区。在图3中，硬度最低点至焊缝边界之间的区域即为搅拌影响区。

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图2　焊接过程中的搅拌摩擦焊接头

图3　6061－T6铝合金搅拌摩擦焊接头的硬度分布

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- u/ S% @8 L- I 　　Al 6061－T6试件的搅拌摩擦焊温度场测试表明，焊缝中心最高温度为450℃左右(铝合金母材的熔化温度约为582℃)，相应的材料屈服强度将由常温下的约280MPa下降到约20MPa,搅拌高温足以使铝合金达到塑性流变状态而形成高塑变搅拌层［3］。 　　2014A(AlCu4SiMg)、5083(AlMg4.5Mn)和6082(AlSi1MgMn)铝合金的搅拌摩擦焊接头的弯曲试验结果表明，此三种接头均可达到180度的弯曲［4］。搅拌摩擦焊焊缝没有凝固组织，焊缝金属力学性能没有显著退化。所以，拉伸试验结果表明接头最薄弱的环节不在焊缝，而是在如图3中所示的软化区。表2为6061－T6铝合金接头拉伸试验结果。 表2　6061－T6母材与焊接接头力学性能

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	屈服强度(Mpa)	抗拉强度(Mpa)	延伸率(%)
母材	343	357	20.8
焊接接头	194	206	17.2

试验发现：搅拌摩擦焊焊缝的宏观组织有明显的塑变流线，呈同心状。以7075－T6(AlZn5.6Mg2.5Cu1.6)铝合金为例，板厚6.35mm,焊接速度2.1mm/s,焊缝有再结晶，是细小等轴晶组织，直径约2～4μm，位错密度比母材低。母材中非常细小的晶内析出质点(约10nm)，在焊缝中已看不到。这是由于搅拌摩擦焊时，焊缝的温度虽然没有达到材料的熔点，但超过了偏析硬化质点的溶解温度。在搅拌影响区，严重的塑性变形使母材晶粒拉长，但在透射电镜下看不到再结晶。 6　结论 　　搅拌摩擦焊作为一种新型的摩擦焊接方法，在有色金属等材料的连接中具有广阔的应用前景。搅拌摩擦焊采用的设备简单，工艺参数少且易于控制，焊缝没有凝固组织，不会产生与材料熔化相关的缺陷，焊接应力或变形也小，而且接头性能良好，并适于多种接头结构形式。