异种铝合金环形构件的搅拌摩擦焊接工艺

于运录 张珊珊

摘 要：科技在不断的发展，社会在不断的进步，为实現异种铝合金环形构件的高精度装配与连接，文中设计一种卧式串联型轴向移动转径向伸缩的搅拌摩擦焊接工装。结果表明，采用此工装成功实现铝铜系/铝镁系异种铝合金环形构件的高精度装配与高质量焊接，接头内部质量达到了I级接头要求，接头的抗拉强度高于245MPa，延伸率高于16%，且所有接头均断裂在铝镁系铝合金母材一侧，说明该接头的整体性能要优于铝镁系铝合金母材性能，解决了铝铜系/铝镁系异种铝合金熔焊易出现焊接裂纹的工程难题。

关键词：异种铝合金环形构件;卧式串联型工装机构;楔盘结构;运动时序;搅拌摩擦焊

引言

在航空航天工业、交通运输制造业、能源行业、轻工装备业及核工业等领域，为了充分发挥不同金属材料的优异性能、实现轻量化、降低制造成本以及满足不同工况的需求，异种金属材料结构得到越来越多的运用。异种金属材料一般在熔点、硬度、力学性能和化学活泼性等方面差异较大，所以使用传统熔焊难以获得良好的焊接接头。固相连接技术的出现较好地解决了异种金属材料连接的难题，搅拌摩擦焊作为一种新型的固相连接技术在研究和工程中获得了很好的使用效果。与传统的熔焊相比，搅拌摩擦焊过程中热输入小，无需焊丝，符合现在节能环保的理念。此外，搅拌摩擦焊的接头部分晶粒细小，使得接头在疲劳性能、拉伸性能和弯曲性能上都表现良好。现在搅拌摩擦焊在航空航天、造船、汽车、铁路等行业有非常广泛和出色的应用。作者阅读整理了很多国内外文献，主要介绍近10年来异种金属材料搅拌摩擦对接焊的研究进展，希望可以给相关领域的研究人员提供一定的参考。

1总体结构方案设计

为达到异种材料圆筒型结构件的搅拌摩擦焊接装配要求，鉴于结构件装配操作空间的开场性要求，需将轴向移动转换为径向伸缩运动形式的内支撑机构，现采用一种基于卧式串联轴向平移转径向伸缩运动的机构构型，实现零件的搅拌摩擦焊接装配工装的机构传动要求。基于卧式串联轴向平移转径向伸缩机构的构型，为能够较好的实现搅拌摩擦焊的焊前装配，该机构主要由伺服电机驱动机构，轴向压盘机构，盘式螺旋解耦机构、径向撑紧机构和轴向支撑机构组成，其主要工作目标为，将异种材料圆筒型结构件实现对接面的对中对接，能够实现焊缝背部的径向撑紧和轴向压紧作用。原动机旋转带动整套机构的旋转运动，旋转副R1及P4实现与基体的连接支撑;手动旋转螺旋副H1，H1的旋转运动传递给旋转副R2的外层构件，H1的轴向运动传递给旋转副R2的内层构件，该内层构件通过移动副P1的导向作用实现楔盘机构平行移动，楔盘机构的平移带动P3在楔盘斜面上移动，由于P2将撑紧机构导向，因此撑紧机构将楔盘的斜面运动转化为了撑紧机构的径向伸缩运动，从而将被焊接工件径向撑紧，为更好的实现被焊工件的轴向夹紧，通过机架本体和螺旋副H2带动的轴向压紧机构的相对夹紧完成焊接件的对接夹紧。

2异种金属搅拌摩擦对接焊研究进展

2.1铝合金-钢对接

小组研究了3mm厚5052铝合金和低合金高强度钢的搅拌摩擦对接焊时，在不同工艺参数下金属间化合物（IMC）的生成情况。研究表明在其它参数不变的情况下：①搅拌头旋转速度越高，金属间化合物层越厚，在转速600r/min时最厚约为5.792μm。②焊接速度越慢，金属间化合物层越厚，在35mm/min时最厚约为3.896μm。③轴向力越大，金属间化合物层越厚，在9kN时最厚约为3.254μm。④搅拌头主轴倾斜角度为0.5°时，金属间化合物层最厚约为2.282μm。研究了6181-T4铝合金和HC260LA及DP600高强钢的搅拌摩擦焊。从图2微观结构方面看，用较软的钢（HC260LA）产生的接头界面显示出稍大的变形，并且有较多数量和较大尺寸的高强钢分离颗粒进入铝合金一侧。接头硬度分布也能观察到这种差异，高强钢一侧HC260LA比DP600显示出更大的硬度梯度，而这正是由于不同程度的热变形引起的。

2.2盐雾腐蚀

6005A-T6铝合金型材的母材及搅拌摩擦焊接头酸性盐雾试验失重率随腐蚀时间的变化如图1所示：试样失重均随腐蚀的进行而逐渐增加，呈现快-慢-快-慢的规律，这是因为随着腐蚀时间的延长，由腐蚀产生的氧化物等逐渐堆积在试样的表面，这使腐蚀介质越来越难接触到铝合金表面，从而产生位阻效应，阻止了腐蚀的进一步进行，其后速率的恢复推测为内部的腐蚀及膨胀使附着在表面的大块腐蚀产物皲裂，进而重新形成了腐蚀介质接触金属表面的通道;对比母材和焊接接头，发现在前120h内，失重率的变化过程基本一致;后120h，焊接接头的失重速率最慢，推测为腐蚀产物在金属表面的覆盖趋于稳定，能够有效阻隔腐蚀介质接触到金属表面，而母材的失重速率却没有明显减缓，推测为母材的腐蚀产物依然不稳定，一直处于增厚-脱落的状态;从图中还可以看出：与搅拌摩擦焊接头相比各试验周期母材的失重率均稍高，说明焊接接头耐蚀性优于母材.

2.3铝合金-镁合金对接

通过FSW方法对12mm厚的AZ31B镁合金和5083铝合金板材进行对接试验，当5083铝合金置于前进侧，AZ31B镁合金放在后退侧时，容易得到无明显缺陷的接头。相比于铝合金，镁合金一般较软，容易塑化，塑化后的材料流入搅拌针前进后形成的空腔内;也有人认为镁合金有着更好的流动性能，所以放在后退侧可以很好地填充焊缝。Mclean观察到搅拌区域会形成薄的脆性的金属间化合物层（IMC），其物质组成主要为Al12Mg17，与离异共晶的形态一致。金属间化合物层的存在导致焊缝的延伸性很差，难以达到工程应用的要求[1]。采用“切片法”，对3mm厚AZ31镁合金和2024铝合金板材在最佳参数下获得的搅拌摩擦焊对接接头逐层切片，观察2种材料在对接后的位置和形态，并且通过二维流动情况进行三维重构。通过研究，他发现同一层面前进侧和后退侧材料流动具有不对称性;锯齿间距与进给速度和搅拌头转速的比值相关;塑化后的金属材料迁移主要发生在水平层面，在垂直方向金属并没有显著流动[2]。在研究6061-T6铝合金和AZ31镁合金搅拌摩擦对接焊时，将K型热电偶嵌入距搅拌头轴线2.5mm、母材上表面1.1mm深的20mm×2mm×2mm的沟槽内来测量FSW过程中的温度。其研究表明：①同样的工艺参数下，前进侧的温度要略高于后退侧;②同种材料焊接时的温度峰值要高于异种材料。

结语

搅拌摩擦焊在异种金属材料对接焊上表现出很大的优势，通过试验不断优化工艺参数，可以获得无明显缺陷的对接接头，接头的力学性能也明显优于传统熔焊，而且接头的残余应力水平也较低。目前异种金属搅拌摩擦焊的工艺参数主要是依靠前期大量的试验及技术人员的经验确定，效率较低。研究人员通过构建数学模型，就能通过计算机进行模拟试验。数值模拟技术可以实现对异种金属搅拌摩擦焊过程的应力场、温度场和材料流场的模拟。同时数值模拟技术还可以用在异种金属搅拌摩擦焊对接接头的动态力学性能，裂纹形成和扩展机理，摩擦磨损行为等方面，对提高接头质量有着巨大的帮助。

参考文献：

[1]邢丽，柯黎明，黄春平.铝合金与钢的搅拌摩擦焊焊缝成形及接头性能[J].焊接学报，2007，28（1）：29.

[2]王斌，朱加祥，周翠，等.5052与6061异种铝合金搅拌摩擦焊接头的组织和力学性能[J].金属热处理，2015，40（1）：59.