工艺参数对塑料板搅拌摩擦焊的影响

党 杰，张 琳

(西安航空职业技术学院，陕西西安710089)

20世纪90年代初，英国焊接研究所(TWI)开发了一种基于摩擦焊基本原理的新型固相连接技术［1－2］——搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding，简称FSW)。这是一种新兴的理想的绿色连接技术，不需要填充材料和保护气体，能耗低，对环境无污染［3－5］。搅拌摩擦焊工作原理如图1所示，搅拌头由夹持器与特形指棒两部分构成。焊接时，搅拌头高速旋转并首先使特形指棒迅速钻进被焊对接板的焊缝，夹持器的圆柱体端面与工件表面紧密接触，进而夹持器带着施焊特形指棒沿着焊接方向移动，由于旋转的特形指棒与工件的摩擦作用而产生大量的热作用，加上夹持器轴间与被焊板件表面辅助的摩擦热，使得在搅拌头特形指棒周围的材料熔融，由于搅拌力的作用被转移到特形指棒后侧，形成焊缝［6］。

图1 搅拌摩擦焊工作原理图Fig.1 Working schematic of friction stir welding

如今，搅拌摩擦焊已成功用于铝、镁、铜及其合金等材料的连接［7］，也广泛地应用于航空航天、汽车、船舶等领域［8－12］。但是，在塑料材料焊接的研究应用还很少。通过对聚丙烯塑料板材进行搅拌摩擦焊焊接试验，得知:搅拌头旋转速度、焊接速度及其对塑料板上表面的压力等因素都会影响焊接效果。但是，只要各参数选取恰当，焊接效果就会很好。

1 搅拌头尺寸对焊缝成形的影响

在搅拌头各部分尺寸参数中，最关键的是台肩直径和特形指棒的直径。在焊接过程中，台肩直径会影响台肩和被焊接材料表面摩擦发热功率，它的增大既提高焊接温度，又有可以防止焊缝材料的飞溅和溢出的作用，从而可以改善焊缝成形的效果。如:当n=3000r/min，ν=25mm/min一样时，台肩直径为30mm的搅拌头比台肩直径为25mm的搅拌头的焊接温度高，材料熔合好，焊缝成形好，如图2所示。特形指棒的直径大小决定焊缝的尺寸，对成形焊缝影响很大，也很复杂。特形指棒直径增大，它侧面的摩擦发热功率就会增加，从而提高焊接温度;还会增大被焊接材料的吸收热功率与传热面积，降低焊接温度。

图2 不同台肩直径形成的焊缝Fig.2 Formed weld joint by different shoulder diameter

2 焊接速度对焊缝成形的影响

搅拌摩擦焊接，在保持旋转速度等工艺参数不变的情况下，通过改变焊接速度来研究焊接速度对焊缝成形效果的影响。试验结果显示:当旋转速度等工艺参数一定时，焊接速度对焊缝成形效果的影响很大，过快或者过慢都不能得到成形良好的焊缝。在搅拌摩擦焊接过程中，焊接热量主要来源于搅拌头与被焊工件之间的摩擦热。当搅拌头旋转转速一定时，摩擦所产生的热量一定，焊缝单位长度上的热输入量则随着焊接速度的增大而减少，被焊材料的塑性流动性也随着焊接速度的增大而变差。

如图3所示，在其它工艺参数不变的情况下，保持旋转速度n=3000r/min不变，先后改变焊接速度的大小，进行焊接并比较。其中，焊接速度 ν=25mm/min时的焊缝成形最好［13］;焊接速度提高至ν=30mm/min时，焊缝表面成形变差，特形指棒处的焊缝表面下凹较大，观察其截面，发现内部有隧道型缺陷。其原因主要是，聚丙烯塑料粘度较大，流动性不是很好，当焊接速度较大时，熔融塑料还来不及填充特形指棒所留下的空隙，所以特形指棒处的焊缝表面宏观显示下凹较大;当焊接速度ν=20mm/min时，焊缝的表面虽然较平整，但是，出现了因局部母材熔化而形成的缩孔现象。

图3 n=3000r/min时，不同焊接速度形成的焊缝Fig.3 Formed weld joint by different welding speed(n=3000r/min)

3 搅拌头旋转速度对焊缝成形的影响

搅拌头的旋转速度与焊接温度成正比例关系，旋转速度愈大，搅拌头和母材的相对运动线速度愈大，摩擦发热功率和焊接温度就愈高。在保持焊接速度等工艺参数不变的情况下，通过改变旋转速度来研究旋转速度对焊缝成形的影响。

如图4所示，在其它工艺参数不变的情况下，设定ν=25mm/min，先后改变旋转速度的大小，进行焊接并比较。试验结果表明:其中，n=3000r/min时，材料充分熔融，焊缝成形良好，外表美观;旋转速度减小到n=2500r/min时，摩擦产热功率太小，焊缝处材料未完全达到塑性状态，不能形成热塑性流动层，导致焊缝表面粗糙，若旋转速度继续减小，甚至会出现沟槽或所形成的焊缝不能完全闭合;当旋转速度提高至n=3500r/min时，造成热输入过大，导致了焊缝处的材料过热，若继续增大，则会出现局部烧焦现象。而且，旋转速度愈高，对搅拌头等设备的性能要求将愈高。

图4 ν=25mm/min时，不同旋转速度形成的焊缝Fig.4 Formed weld joint by different rotation speed(ν=25mm/min)

4 焊接压力对焊缝成形的影响

搅拌摩擦焊接时，只有施加一定的焊接压力时，搅拌头和被焊工件才能充分摩擦，从而产生足够的摩擦热。同时，焊接压力还能限制塑性流体外溢，促使焊缝成型。当压力太小时，被焊塑料未完全熔融;当压力较小时，焊缝内部出现缩松或缩孔等缺陷，焊缝表面粗糙，甚至材料外溢，如图5a所示;但压力过大时，接触越紧，摩擦力将越大，搅拌头向前移动的阻力也越大，不仅会出现烧糊现象，而且会使搅拌头压入母材过深，压下带过宽，影响接头强度和外观，如图5b所示。总之，只有压力适中时，才能获得组织致密，成形良好的焊缝。

图5 不同压力下形成的焊缝Fig.5 Formed weld joint by different pressure

5 结论

综上所述，影响聚丙烯塑料板搅拌摩擦焊焊缝成形的因素很多，有搅拌头特形指棒的直径D1，台肩直径D2，搅拌头旋转速度n，焊接速度ν和台肩压力。除此之外，焊接时塑料板下所垫的材料及人工原因对焊接质量也有一定的影响。总之，旋转速度、焊接速度和台肩压力等工艺参数合理匹配时，就能得到外形美观、内部无缺陷的良好焊缝。

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