材料性能对铝合金搅拌摩擦焊焊缝成形的影响

蔡 云

（永城职业学院，河南 永城 476600）

1 搅拌摩擦焊的原理与发展应用

（1）二十世纪九十年代初，英国学者首次提出了搅拌摩擦焊的概念，焊接过程中首先将圆柱形的搅拌针插到产品内部的焊接连接处，而后使焊头进行高速旋转，将焊头和焊接工件材料直接接触并相互摩擦。利用摩擦让零件焊接处的材料温度大幅度升高而达到软化状态，与此同时通过摩擦材料实现搅拌摩擦而达到焊接目的。摩擦焊的焊接热源是由摩擦产生的热量以及塑性变形产生的热量提供，焊接过程中通过零件接触面发生的相对运动和两个端面之间摩擦所释放的热能，将端部温度提高，从而实现热塑性的形态，接下来进行顶锻，从而完成焊接。

（2）搅拌摩擦焊的焊接手段是利用高性能、无消耗的材料来“搅拌”需要焊接的零件材料，研发出的焊接接头具有结构紧凑和机械性能高效的优点。相对于传统的焊接方法来说，搅拌摩擦焊在焊接焊缝处的结构能力以及工业生产中的操作方法中都具有重大突破。现阶段，搅拌摩擦焊能够有效的对镁、铝、铜、铝铜钛的合金以及刚等多种金属进行焊接，自搅拌摩擦焊被提出以来它在航空运输、航天研究、交通铁路以及汽车生产研发、电子电力等各个行业占据重要地位。如今，搅拌摩擦焊已经成为继激光焊技术之后最备受关注的先进工业焊接技术，引起了各个国家研究人员的高度关注。为了促进焊接技术的进步，我国的一些高校以及工业制造企业为搅拌摩擦焊领域的研究做出了重大贡献。

2 搅拌摩擦焊的焊接特点

（1）搅拌摩擦焊在焊接时热输入较小，并且接头部位也不存在金属的熔化现象，属于固态的焊接，在焊接过程中可以保持原材料的属性，可以焊接金属基复合材料、快速凝固材料等多种材料，也可进行平焊、立焊、仰焊和俯焊等多种位置的焊接，可完成对接、角接和搭接等多种形式的焊接，也可实现厚度变化的结构和多层材料的连接。

（2）在焊接过程中，由于焊接接头受热区域的显微结构组织抗高温能力强、结构变化小，因此焊接完成后的残余应力也相应的降低，因此搅拌摩擦焊焊接的工件不会发生明显变形。搅拌摩擦焊应用于焊接连接时，改善了焊接处的力学结构，不会出现形如熔焊接头处的铸造组织缺陷，提高了接头的抗疲劳能力、弯曲强度以及拉伸能力等力学性能。相对于原始熔焊手段，搅拌摩擦焊的使用范围大幅提升，在一些长焊缝、大截面以及不同位置的焊接条件下都能一次性完成，减少了工艺流程，降低了制造成本。焊接模式的改变，让搅拌摩擦焊在生产作业中更容易达到机械化、自动化，并且焊接设备简单、能耗降低、功效增加，对于工作场地的要求不高。在焊接过程中，搅拌摩擦焊不用额外的焊丝，铝合金产品的焊接过程中不用在焊接前去除氧化膜，也不需要提供保护气体，大幅降低了成本。普通的熔焊无法对一些热裂纹敏感的工件进行焊接，然而搅拌摩擦焊不会有这种顾虑，完全适合异种材料的焊接，此外焊接过程具有很高的安全性，而且无烟尘、无辐射、无飞溅、噪音小，不会造成环境污染。

（3）当然搅拌摩擦焊也带有一些不足之处：焊接的对接产品一定要刚性固定，反面需要加底板，对板材进行单道焊接时，焊接速度比较慢，搅拌头的磨损消耗过快。并且在一些特殊条件下，如航空航天制作产品中要考虑腐蚀性能、残余应力和变形时，产品性能需达到一定的强度水平才可以应用的实际生产。

3 材料性能对搅拌摩擦焊的影响

利用搅拌摩擦焊的方法进行焊接时，影响搅拌摩擦焊焊缝成形的主要条件是焊缝塑性金属流动行为。但是，焊缝塑性金属在流动时具有复杂性并且难以观察，它被焊接工艺参数、搅拌头几何形状以及被焊接材料性能等多种条件的制约。下文主要在材料性能方面对搅拌摩擦焊焊缝成形的影响进行研究：

（1）不同材料对焊接结晶及金属流动性的影响。在相同的焊接工艺参数和搅拌头几何形状的条件下对AA7075以及AA5083展开搅拌摩擦焊的研究中发现，这两种不同材料的金属在进行搅拌摩擦焊后，焊接处重新结晶的细晶粒不仅尺寸大小发生改变，同时自身的结构特点也产生了巨大的差异。此研究表明，如果焊接材料自身的性能不同，会导致焊接结晶在尺寸以及自身结构上存在差异；同时，将两种不同金属焊接在一起时，它们无法在焊缝搅拌区域将材料进行均匀混合，并且塑形金属流动不能保持均匀的分布在焊缝两侧。有的地方只存在一种金属，然而有的地方却存在两种甚至两种以上的金属混合交替分布的现象。

（2）不同材料对焊接混合性及力学性能的影响。通过对各种不同的的铝合金实施搅拌摩擦焊研究得出结果，焊缝的成形受到不同焊接材料的放置位置影响。将两种不同材料构成的铝合金分别放置在前进边，除此之外，都使用比较高的焊接摩擦速度进行焊接。通过对两次不同放置位置的焊接结果进行对比，发现由于选择放置在前进边的材料性能不同，导致两次焊接的焊缝中金属的混合程度具有较大的差异；并且放置在前进边的材料不同时，搅拌头对焊机工件产生的轴向压力也有明显的不同。焊接焊缝中金属的混合均匀程度和焊接过程中搅拌头提供的轴向压力对焊缝的力学性能具有重大的影响。

（3）同种材料不同热处理对搅拌焊的影响。在对使用了不同热处理方法处理过的相同铝合金的搅拌焊接研究中，也针对不同的材料性能对与铝合金的搅拌焊焊缝的成形影响进行分析。研究表明，焊接工件强度和硬度不高的焊接材料对接过程中焊核的表面积和宽度都要比硬度和强度高的同种材料大，而且将这两种由于不同热处理导致性能差异的材料进行焊接对接时发现，焊核朝返回侧具有明显的偏移趋势，同时返回边的焊核高度比前进边的焊核高度大。这种实验现象在搅拌摩擦焊中被称为“软性约束体”。导致“软性约束体”现象产生的原因主要是因为放置在前进边的材料强度和硬度较低的情况下，软性约束体对前进边材料焊缝两侧的焊接塑性金属的约束能力要比对返回侧的约束能力更大［3］。在研究分析过程中还发现，如果在焊接前对被焊接的工具材料进行预热，在焊接过程中也能够有效的改善焊缝金属的塑化能力，让塑化金属在焊接时向焊缝两侧的流动更加充足，使焊核的面积和宽度增加，提高了焊接结构的可靠性。

通过不同合金的材料性能及同种合金材料不同热处理下的材料性能对搅拌摩擦焊的研究，发现焊缝塑性金属的流动行为以及结晶结构受到材料性能的影响十分重大：材料不同还是热处理方式不同导致的材料性能的差异，使焊缝塑化金属所受到周围材料的应力束缚不同，从而对塑性金属的流动和焊缝的成形产生影响，同时材料性能的差异也导致焊接结晶的大小和自身结构发生变化，这些因素直接影响了铝合金焊接产品的质量能力。

4 结语

随着时代的不断进步，铝制品行业在保持稳定发展的同时，也需要根据材料的性能做出新的改善。材料性能研究者、铝合金产品生产者一定要不断更新生产理念，在保障焊接工艺安全可靠的基础上，利用新材料、新技术、新结构解决工业合金制造中遇到的问题。在充分了解我国铝合金产品生产现状的基础上，不断实践、不断实验、研究分析，根据材料性能特点用优化的合金搅拌摩擦焊代替现有的焊接方法，一定可以提高合金制品的质量水平，为我国工业合金产品制造业的进步奠定基础。