铝合金的搅拌摩擦焊

毕业设计说明书题目：铝合金的搅拌摩擦焊

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摘要

铝及铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，铝合金具有良好的耐蚀性、较高的比强度和导热性以及在低温下能保持良好力学性能等特点，在航空航天、汽车、电工、化工、交通运输、国防等工业部门被广泛地应用。随着近年来科学技术以及工业经济的飞速发展，对铝合金焊接结构件的需求日益增多，使铝合金的焊接性研究也随之深入。铝合金的广泛应用促进了铝合金焊接技术的发展，同时焊接技术的发展又拓展了铝合金的应用领域，因此铝合金的焊接技术正成为研究的热点之一。

英国焊接研究所(The Welding Institute)发明的搅拌摩擦焊为轻金属材料的连接提供了新的方法和途径。自从搅拌摩擦焊摩擦焊发明以来搅拌摩擦焊技术得到广泛的关注和深入的研究。特别是针对铝合金材料，世界范围的研究机构学校以及大公司都对此进行了深入细致的研究和工程应用开发并且在诸多工业制领域得到了成功应用。

本文详细介绍了搅拌摩擦焊原理特点并且针对铝合金的搅拌摩擦焊特点性能以及工业应用作了详细的阐述同时对搅拌摩擦焊在中国市场的发展和应用作了简略介绍和预测。

关键词：铝及铝合金搅拌摩擦焊焊接方法焊接特点

Abstract

Aluminum and aluminum alloy is a kind of nonferrous metal structure material widely used in industry, aluminum alloy has high corrosion resistance, good strength and thermal conductivity as well as in the low temperature can keep good mechanical properties and other characteristics, in the aerospace, automotive, electrical, chemical, transportation, national defense and other industrial sectors are widely used. In recent years with the rapid development of science and technology and industrial economy, structure of the growing demand for aluminum alloy welding, so the aluminum alloy welding research also further. Aluminum alloy is widely used to promote the development of welding technology of aluminum alloy, the welding technology development and expanding the application field of aluminum alloy, so the aluminum alloy welding technology is becoming one of the hot research topics.

British Welding Research Institute (The Welding Institute) the invention of the friction stir welding for light metal materials is connected and provided a new approach to. Since the invention of the friction stir welding friction welding, friction stir widely attention and deeply research get welding technology. Especially for aluminum alloy material, worldwide research schools and large companies have conducted in-depth study and engineering application and has been successfully applied in many industrial fields.

This paper introduces the principle and the characteristics of friction welding and stirring in aluminum alloy friction stir welding properties and industrial applications are described in detail the development and application of friction stir welding in the Chinese market are briefly introduced and predicted. Keywords: Aluminium and aluminium alloy Friction stir welding Welding process Welding characteristics

目录

摘要 (1)

英文摘要 (2)

第一章铝的特点 (4)

1.铝的焊接特点 (4)

2.铝及铝合金的焊接方法 (5)

第二章搅拌摩擦焊接 (7)

1.搅拌摩擦焊接原理 (8)

2.搅拌摩擦焊接方法 (8)

3.搅拌头与搅拌摩擦焊设备 (9)

4.搅拌摩擦焊特点 (11)

第三章铝合金的搅拌摩擦焊 (14)

1.铝合金的搅拌摩擦焊接工艺 (14)

2.铝合金常用焊接规范 (19)

3.铝合金搅拌摩擦焊接接头性能 (20)

4.搅拌摩擦焊缺陷及预防方法 (22)

第四章搅拌摩擦焊的应用及前景 (25)

1.铝合金搅拌摩擦焊的应用现状 (25)

2.铝合金搅拌摩擦焊的发展趋势 (27)

第五章总结 (28)

参考文献 (29)

第一章铝的特点

1、铝的焊接特点

(1)铝在空气中及焊接时极易氧化，生成的氧化铝（Al2O3）熔点高、非常稳定，不易去除。阻碍母材的熔化和熔合，氧化膜的比重大，不易浮出表面，易生成夹渣、未熔合、未焊透等缺欠。铝材的表面氧化膜和吸附大量的水分，易使焊缝产生气孔。焊接前应采用化学或机械方法进行严格表面清理，清除其表面氧化膜。在焊接过程加强保护，防止其氧化。钨极氩弧焊时，选用交流电源，通过“阴极清理”作用，去除氧化膜。气焊时，采用去除氧化膜的焊剂。在厚板焊接时，可加大焊接热量，例如，氦弧热量大，利用氦气或氩氦混合气体保护，或者采用大规范的熔化极气体保护焊，在直流正接情况下，可不需要“阴极清理”。

（2）铝的热导率和比热容均约为碳素钢和低合金钢的两倍多。铝的热导率则是奥氏体不锈钢的十几倍。在焊接过程中，大量的热量能被迅速传导到基体金属内部，因而焊接铝时，能量除消耗于熔化金属熔池外，还要有更多的热量无谓消耗于金属其他部位，这种无用能量的消耗要比钢的焊接更为显著，为了获得高质量的焊接接头，应当尽量采用能量集中、功率大的能源，有时也可采用预热等工艺措施。

（3）铝的线膨胀系数约为碳素钢和低合金钢的两倍。铝凝固时的体积收缩率较大，焊件的变形和应力较大，因此，需采取预防焊接变形的措施。铝焊接熔池凝固时容易产生缩孔、缩松、热裂纹及较

高的内应力。生产中可采用调整焊丝成分与焊接工艺的措施防止热裂纹的产生。在耐蚀性允许的情况下，可采用铝硅合金焊丝焊接除铝镁合金之外的铝合金。在铝硅合金中含硅0.5％时热裂倾向较大，随着硅含量增加，合金结晶温度范围变小，流动性显著提高，收缩率下降，热裂倾向也相应减小。根据生产经验，当含硅5％～6％时可不产生热裂，因而采用SAlSi条(硅含量4．5％～6％)焊丝会有更好的抗裂性。

（4）铝对光、热的反射能力较强，固、液转态时，没有明显的色泽变化，焊接操作时判断难。高温铝强度很低，支撑熔池困难，容易焊穿。

（5）铝在液态能溶解大量的氢，固态几乎不溶解氢。在焊接熔池凝固和快速冷却的过程中，氢来不及溢出，极易形成氢气孔。弧柱气氛中的水分、焊接材料及母材表面氧化膜吸附的水分，都是焊缝中氢气的重要来源。因此，对氢的来源要严格控制，以防止气孔的形成。

（6）母材基体金属如为变形强化或固溶时效强化时，焊接热会使热影响区的强度下降。

（7）铝为面心立方晶格，没有同素异构体，加热与冷却过程中没有相变，焊缝晶粒易粗大，不能通过相变来细化晶粒。

2、铝及铝合金的焊接方法

铝合金的焊接方法很多，各种方法有其不同的应用场合。除了传统的熔焊、电阻焊、气焊方法外，其他一些焊接方法（如等离子弧焊、电子束焊、真空扩散焊等）也可以容易地将铝合金焊接在一起。

根据铝及铝合金的牌号、焊件厚度、产品结构以及对焊接性的要求等选择。

（1）气焊氧－乙炔气焊火焰的热功率低，热量较分散，因此焊件变形大、生产率低。用气焊焊接较厚的铝焊件时需预热，焊后的焊缝金属不但晶粒粗大、组织疏松，而且容易产生氧化铝夹杂、气孔及裂缝等缺陷。这种方法只用于厚度范围在0.5～10 ㎜的不重要铝结构件和铸件的焊补上。

（2）钨极氩弧焊这种方法是在氩气保护下施焊，热量比较集中，电弧燃烧稳定，焊缝金属致密，焊接接头的强度和塑性高，在工业中获得起来越广泛的应用。钨极氩弧焊用于铝合金是一种较完善的焊接方法，但钨极氩弧焊设备较复杂，不宜在室外露天条件下操作。

（3）熔化极氩弧焊自动、半自动熔化极氩弧焊的电弧功率大，热量集中，热量影响区小，生产效率比手工钨极氩弧焊可提高2～3 倍。可以焊接厚度在50 ㎜以下的纯铝及铝合金板。例如，焊接厚度30 ㎜的铝板不必预热，只焊接正、反两层就可获得表面光滑、质量优良的焊缝。半自动熔化极氩弧焊适用于定位焊缝、断续的短焊缝及结构形状不规则的焊件，用半自动氩弧焊焊炬可方便灵活地进行焊接，但半自动焊的焊丝直径较细，焊缝的气孔敏感性较大。

（4）脉冲氩弧焊钨极脉冲氩弧焊用这种方法可明显改善小电流焊接过程的稳定性，便于通过调节各种工艺参数来控制电弧功率和焊缝成形。焊件变形小、热影响区小，特别适用于薄板、全位置焊接等场合以及对热敏感性强的锻铝、硬铝、超硬铝等的焊接。

（5）电阻点焊可用来焊接厚度在4 ㎜以下的铝合金薄板。对于质量要求较高的产品可采用直流冲击波点焊、缝焊机焊接。焊接时需要用较复杂的设备，焊接电流大、生产率较高，特别适用于大批量生产的零、部件。

（6）搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊是一种可用于各种合金板焊接的固态连接技术。与传统熔焊方法相比，搅拌摩擦焊无飞溅、无烟尘，不需要添加焊丝和保护气体，接头无气孔、裂纹。与普通摩擦相比，它不受轴类零件的限制，可焊接直焊缝。这种焊接方法还有一系列其它优点，如接头的力学性能好、节能、无污染、焊前准备要求低等。由于铝及铝合金熔点低，更适于采用搅拌摩擦焊[1]。

第二章搅拌摩擦焊

1.搅拌摩擦焊原理

搅拌摩擦焊（简称FSW）是利用一种非耗损的特殊形状的搅拌头旋转着插入被焊零件，然后沿着被焊零件的待焊界面向前移动，通过搅拌头对材料的搅拌摩擦，使待焊材料加热至热塑性状态，在搅拌头高速旋转的带动下，处于塑性状态的材料环绕搅拌头由前向后转移，同时结合搅拌头对焊缝金属的挤压作用在热机联合作用下材料扩散连接形成致密的金属间固相连接。

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。

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2-1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。

图2-1 搅拌摩擦焊接过程示意图

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。

3.搅拌头与搅拌摩擦焊接设备

3.1 搅拌头的构成

搅拌头是搅拌摩擦焊接设备最重要的组成部分之一，是搅拌摩擦

焊接技术的核心。它与被焊工件相互作用，事先焊接材料的连接。搅拌头主要由搅拌针，轴肩和夹持区等部分组成，搅拌针位于搅拌头的顶部，形状各异，轴肩位于搅拌针和搅拌头柱状部分过度区，与被焊工件作用，实现焊接材料的连接。如图

图2-2 典型的搅拌头构成

3.2 搅拌头材料的选择

理想的搅拌头制造材料应当具有较长的使用寿命。搅拌头的材料选择标准应该考虑一下几个方面：强度，耐磨性，断裂韧性，蠕变和蠕变疲劳，热疲劳特性，稳定均匀的微观组织结构，可加工性能，抗氧化性，与工件不适反应，热传导性，热膨胀性。搅拌头的材料的选择要综合考虑，其实质就是要一合理的成本制作加工出各种合适焊接要求，具有复杂形状的搅拌头，并保证搅拌头不易被氧化，具有良好的热稳定性等高温性能，还要满足一定的使用寿命要求。

3.3 搅拌摩擦焊接设备

常见的搅拌摩擦焊接设备结构主要有立式，卧式，龙门式和悬臂式 搅拌针

搅拌头轴肩

搅拌头夹持区

图2-3 搅拌摩擦焊焊接设备

4. 搅拌摩擦焊的特点

1） 能保持母材的冶金性能，焊接接头力学性能好

铝合金具有密度低、强度比高 、刚度比高等优点 ，但是铝合金熔点较低、导热系数大、比热容大、线膨胀系数大，在采用熔化焊进行焊接时，易产生裂纹、气孔、变形等焊接缺陷。同时，由于焊接温度较高，其性能会降低，因而限制了铝合金的广泛应用。由于搅拌摩擦焊是一种固相焊接方法，在焊接铝合金时不会产生与熔化焊有关的焊接缺陷，也不会降低焊接接头的性能，而且，焊缝金属的晶粒结构

比母材金属的更细小，焊缝金属的强度超过热影响区金属的强度，没有焊缝金属蒸发产生的合金元属损失，不改变合金的成分，因此接头的力学性能好。

2）焊后变形小、残余应力小

由于搅拌摩擦焊的焊接温度较低，焊接后结构的变形量和残余应力比熔化焊小得多。同时，由于不存在熔焊过程中接头部位大范围的热塑性变形过程，焊后接头的内应力小、变形小，基本可实现板件的低应力低变形焊接。

3）焊接成本低、效率高

搅拌摩擦焊操作方便，能量利用效率高。并且在焊前和焊接过程中对环境的污染小，焊前工件无须进行严格的表面清理准备，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。还可以在有磁场的条件下进行焊接，并适合自动化焊接。4）适用范围广

由于搅拌摩擦焊没有熔化焊所形成的裂纹，如液化裂纹或结晶裂纹，因此，可以焊接热裂纹敏感的材料；通过对挤压型材进行焊接，可制成大型结构，如船板、框架、平台等；搅拌摩擦焊能实现不同材料的焊接，如铝和银的连接。搅拌摩擦焊可实现各种位置的焊接，并可实现多种形式的焊接接头，如对接、角接、搭接接头，甚至厚度变化的结构和多层材料的连接。

搅拌摩擦焊由于其焊接原理的限制，存在一些缺陷，主要是：

①被焊接工件必须在垫板上牢固夹紧，以防止被焊穿及在焊接过程

中工件松动；

②搅拌针退出会在焊缝末段留下一个小孔，在大多数情况下，只能

用其它焊接方法填充；

③焊接工件没有足够的强度和刚度，或通过夹具不能提高焊缝区的

刚度或强度的承载能力，则不适合采用搅拌摩擦焊[1]。

第三章铝合金的搅拌摩擦焊

1. 铝合金搅拌摩擦焊接工艺

焊接工艺参数是影响接头性能的最重要因素之一。搅拌摩擦焊过程中，在搅拌头确定的情况下，影响接头性能的工艺参数只要有搅拌头旋转速度，搅拌头行进速度，焊接压力，焊接线能量，焊接扭矩和焊接能量等参数

1.1 搅拌头的材料尺寸与形状

搅拌摩擦焊中所使用的搅拌头主要由两部分组成：轴肩和搅拌针。搅拌头是搅拌摩擦焊接过程中的关键，最优搅拌头是搅拌摩擦焊获得高质量接头的前提。搅拌头主要由轴肩和搅拌针两部分构成，其几何形貌和尺寸不仅决定着焊接过程的热输入方式，还影响焊接过程中搅拌头附近塑性软化材料的流动形式，对于给定板厚的材料来说，焊接质量和效率主要取决于搅拌头的形貌和几何设计。因而设计合理的搅拌头是提高焊接质量、获得高性能接头的前提和关键。目前过内外所研究出的搅拌头形式主要有：柱形搅拌针、锥形螺纹搅拌针和三槽锥形螺纹搅拌针、偏心圆搅拌针和偏心圆螺纹搅拌、非对称搅拌针、外开螺纹搅拌针、用于搭接的两级搅拌针、可伸缩式搅拌针等[4]。从国外某些文献上采用的搅拌针的形状是标准英制螺纹，但很多文献上提到的是特殊结构的搅拌针，但出于保密的原因，迄今为止未见详细报道。搅拌针的材料通常采用合金工具钢。搅拌头轴肩的直径通常是

搅拌针直径的3倍左右，轴肩直径过小，摩擦热不足以塑化材料，轴肩直径过大，可能使轴肩下面的被焊材料达到或超过熔点，不利于焊接强度的提高，并且会引起焊缝表面的不平整[5]。

试验结果表明，搅拌针的直径为焊件厚度的0.9～1.1倍时，焊缝质量较好。搅拌针的直径过大时，焊接区断面面积增大，热影响区变宽，同时搅拌针向前移动时阻力增大；搅拌针的尺寸过小时，焊接区热塑性金属的流动性差；搅拌针向前移动时所产生的侧向挤压力减小，不利于形成致密的焊缝组织。搅拌针的长度与焊缝的背面成形有关。搅拌针过短，背面焊不透；搅拌针过长，则背面易过热，导致成形较差。搅拌针长度的选取与其直径有关。当搅拌针的直径较大时，其长度可以略短。如图各种搅拌头：

图3-1 各种搅拌头

1.2 搅拌头旋转速度

搅拌头转速是影响摩擦搅拌焊热源的主要因素之一，由此可知，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，会使搅拌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。

1.3焊接速度

在搅拌摩擦焊过程中，焊接速度是影响焊缝成型的重要因素。当焊接速度过小时，搅拌头所产生的热量使焊接温度过高，焊核区金属温度将接近金属熔点，会使金属因过热而出现疏松，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搅拌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。

同时，搅拌摩擦焊焊接速度与焊缝受力也有关。搅拌头与被焊金属之间的作用力在搅拌头转速一定的情况下随着焊速的提高而增大。

1.4 焊缝受力

搅拌摩擦焊与普通电弧焊的焊缝受力有很多不同之处。普通电弧焊焊缝受力主要来自电弧力，磁场力以及熔池自身的重力，而搅拌摩

擦焊其焊缝受力主要是垂直与焊接方向的轴向力，焊接进给阻力及焊缝夹持部分与轴肩部分不同心度产生的偏心搅动力，如图 3-2 所示。搅拌头与工件有倾角，焊缝所受到的轴向力并不垂直与焊缝表面，由于搅拌头倾角较小，本文忽略搅拌头倾角的因素，把焊缝所受轴向力看作是垂直与焊缝表面的。可见搅拌摩擦焊焊件与焊机受力都比普通弧焊要高的多。

图3-2 搅拌摩擦焊焊缝受力分析

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，目前在搅拌摩擦焊中轴向力是搅拌针及轴肩与工件接触而形成的。当轴向压力不足时，表面热塑性金属“上浮”，溢出焊接表面，焊缝在冷却后会由于金属的“上浮”而形成孔洞。当轴向压力过大时，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[3]。

对于焊缝进给力对焊接接头的影响，国内也有这方面的研究。试验中所使用的是自行研制的搅拌摩擦焊机。焊接过程中，搅拌头在水平方向上保持静止不动，由工作台相对搅拌头向焊接反方向运动来完成焊接过程。通过在焊接过程中对驱动水平工作台运动的电机的工作

电流和工作电压进行测量，来计算焊接时搅拌针与被焊金属之间的作用力。根据υF P =可以分别计算出电机在空载下和焊接过程中负载下的输入功率。这部分能量要经过电机、减速器以及丝杠，最终传递到工作台。在能量的传递过程中，各级传递机构都要损耗掉一部分能量。由于这些损耗无法精确测量，因此先测得空载时电机的输入功率P k ，再测得电机负载时的功率P f ,那么电机对工作台的输出功率为：

F K P P P =-

根据υF P =，可以求得力F ：

υυ/)(/K F P P P F -==

式中：υ为水平工作台的运动速度即焊接速度。

通过计算可以得到如下结论：当搅拌头旋转速度相同时，电机的输入功率随着焊接速度的增大而增大，从而使力F 随之增大；而当焊接速度不变时，电机的功率和F 则随着旋转速度的增大而减小，这是当搅拌头旋转速度相同时，焊接速度越大，搅拌头在被焊板材同一位置停留的时间就越短，搅拌头与板材摩擦产生很少的热量，金属不能达到一个较好的软化状态。在这种情况下，焊接过程中金属对搅拌针的阻力较大，从而导致工作台相对运动所需要的力也比较大。反之，当焊接速度相同时，旋转速度越大，搅拌头在同一位置产生的热量就越多，金属可以达到一个较好的软化状态，工作台相对运动所需的力也就比较小。

在搅拌摩擦焊中，搅拌针与被焊板材之间的作用力通过产热和塑性金属流动两个方面影响着整个焊接过程。搅拌针与被焊金属之间的

作用力在焊速一定的情况下随着搅拌头转速的提高而减小，在搅拌头转速一定的情况下随着焊速的增大而增大 [6]。

同样，对于搅拌摩擦焊焊缝所受的轴向力，国内也有相关的研究。采用基于固体力学的有限元方法研究搅拌摩擦焊接过程中，不同过程参数情况下焊缝的受力情况。研究发现，搅拌摩擦焊接过程中焊缝上应力的最大值发生在焊缝前进方向上焊缝与焊缝中心线接触点的附近，且vonMises应力的最大值随焊缝平移速度的增加而增加。搅拌头前方焊缝的接触压力较大，后方接触压力较小，后退侧的接触力较前进侧大。搅拌头的不停旋转决定搅拌头受到交变载荷作用，导致疲劳成为搅拌头破坏的原因之一。焊缝中心线附近的等效塑性应变和结构纹理呈现洋葱状结构。

随着搅拌摩擦焊接技术的日益发展，越来越多的研究机构与企业投身与研究搅拌摩擦焊焊机的设计与制造方面。由于设计焊机经常会涉及到机器受力的问题，如果不知道焊接时焊机的具体受力情况，很难进行选材与设计，焊机强度和刚度设计指标低会影响机床使用寿命，甚至不能用于生产，反之，浪费材料，能源，经济效益差。因此，测量焊缝受力的情况也是设计搅拌摩擦焊机的一个很重要的环节。同样，搅拌摩擦焊焊缝受力是影响焊缝成型的一个重要因素，对焊缝受力进行精确测量，并研究其与焊缝成型的关系，是提高搅拌摩擦焊焊接质量的一个重要手段。国内外对搅拌摩擦焊焊缝受力的研究，目前大多数都是通过数值模拟的方法，很少在实际过程中采集数据，本课题是设计测力装置直接采集搅拌摩擦焊接过程中的实际数据，比较切合实际生产状况，对提高焊缝质量有很大的实际意义。

2. 铝合金常用焊接规范