2425鋁合金的攪拌摩擦焊工藝研究

趙云科

（化銑）、1.6mm和2.0mm三種規格的鋁合金2024T3、2524T3板材的對接與7050型材搭接結構進行攪拌摩擦焊焊接試驗件制備，鉚接試驗，焊接和鉚接后試樣表面處理及機械性能檢測，通過進行各項工藝試驗，不斷改進工藝參數，以得出最佳焊接工藝參數指導生產。

關鍵詞：攪拌摩擦焊；2425鋁合金；接頭性能

鋁及鋁合金焊接時，很容易產生氣孔、熱裂紋等缺陷，焊接時必須注意的問題。對于熱處理型鋁合金來說，必須避免在焊接時熱影響區產生軟化，強度降低的問題。為了解決鋁及鋁合金熔化焊時出現的以上問題，研制出一種新的固相焊接方法，即攪拌摩擦焊。攪拌摩擦焊焊接工藝是借助專用的高剛性精密焊接設備， 焊接工藝參數少，機械化全自動過程控制， 避免了人為因素的影響，焊接質量穩定， 同時具有良好的靜力， 疲勞， 耐久性/損傷容限性能以及檢測維修性能。

攪拌摩擦焊接具有較低的焊接溫度和較小的熱輸入， 焊接過程中材料不熔化。焊接接頭變形小， 焊接性能優異等特點被廣泛關注. 攪拌摩擦焊可以實現各類同種或異種高強鋁合金的優質可靠連接。采用攪拌摩擦焊進行飛機高強鋁合金整體結構的連接， 可以大大提高材料的利用率。減少零件數量和結構重量。降低制造成本， 攪拌摩擦焊開辟了高強鋁合金高質量焊接的新途徑。引起了世界各國航空航天界的高度重視。

1 攪拌摩擦焊工藝研究內容

本課題主要對1.3mm（化銑）、1.6mm和2.0mm三種規格的鋁合金2024T3， 2524T3板材的對接和與7050型材搭接結構進行攪拌摩擦焊焊接試驗件制備、鉚接試驗、焊接和鉚接后試樣表面處理及機械性能檢測，通過進行各項工藝試驗，不斷改進工藝參數， 以得出最佳焊接工藝參數。

1.1 焊接專用試板的制備

試驗采用1.3mm、1.6mm、2.0mm厚的2024T3鋁合金材料， 表面包鋁層厚度為0.06mm、1.6mm、2.0mm厚的2524 T3鋁合金板料， Z型長桁7050T76511材料。

1.2 攪拌摩擦焊焊接

（1）試驗用攪拌頭的選擇。

對2024T3薄板攪拌摩擦焊對接進行優選，主要包括對攪拌頭的優選和焊接參數的優選。試驗所用的攪拌頭外形基本相似， 軸肩均為內凹型，焊接厚度≤6mm材料所用的攪拌針沒有螺紋， 而焊接厚度為2.0mm的攪拌針上帶有螺紋。除此之外， 軸肩直徑和攪拌針的形狀不同， 其中軸肩直徑主要有四種：10mm、 8mm、6mm和4mm， 攪拌針的形狀主要有普通圓頂、多邊形。

（2）焊前試樣處理。

焊前對試件各側面進行銑切加工，保證各面平直度0.1mm， 采用機械打磨法對試件焊接面和搭接面進行砂輪打磨， 去除試件表面氧化膜： 用丙酮/酒精擦洗待焊區50mm內。

（3）焊接裝夾。

焊接裝夾定位方式： 采用壓板式裝夾固定待焊件， 兩焊件接縫貼緊、對齊、壓平， 板材局部間隙控制在02mm以內，接縫底部采用墊板進行剛性支撐， 焊件兩側通過工裝夾具施加壓緊力和側向頂緊力， 使焊件定位、夾緊。

在焊接試件安裝過程中， 檢查攪拌頭接縫對中情況， 并調整對中偏差， 對薄板試驗， 選擇對中偏差在全長范圍內應小于0.45mm。焊接工藝參數的初步確定及焊接過程： 攪拌摩擦焊工藝參數主要有攪拌頭的傾角、攪拌頭的旋轉速度、攪拌頭的插入深度、焊接速度、焊接壓力等。

（4）1.3mm化銑2024T3攪拌摩擦焊接參數優化及接頭性能。

針對該材料， 主要使用了三種攪拌頭在不同參數下進行攪拌摩擦焊接并對接頭進行力學性能檢測，從而優選出攪拌頭和焊接參數。

由于1.3mm厚的2024 T3試板較薄，試驗中所用的攪拌頭軸肩直徑都較小（4mm、6mm）， 因此在選擇焊接參數時，轉速較高，主要目的在于通過減小軸肩尺寸來降低對接接頭的軟化作用，通過選擇高轉速以保證焊接過程中需要的熱量，同時增加對材料的攪拌作用，使晶粒更細化。

（5）焊接參數優化結論

a）根部弱連接缺陷是焊接過程中焊縫底部的一層金屬沒有形成可靠連接， 它和攪拌針長度， 壓入量和焊縫的熱輸入有關。該缺陷使焊縫的拉伸性能下降，同時背彎彎曲角度很小。

b）使用相同的攪拌頭， 當焊接參數不變時， 隨著壓入量的增加， 焊核逐漸下移， 焊接深度增加， 焊縫底部有一層金屬未形成連接， 造成未焊透缺陷， 逐漸到成型部分可靠連接，最后形成完全連接。

c）在焊接參數和壓入量不變的情況下。隨著攪拌針長度的增加，根部弱連接缺陷減小， 焊縫的拉伸性能逐漸提高。

d）在攪拌頭、壓入量與焊接速度相同的情況下， 增加焊接旋轉速度， 焊縫的熱輸入增加， 焊縫底層金屬受熱達到塑性狀態，流動性增強。 在攪拌針的帶動下， 卷入焊縫中， 形成可靠的連接， 根部弱連接缺陷消失， 但轉速不能過高， 否則焊縫上下兩部分由于受熱不均勻會出現分層，導致焊縫性能下降。

2 結論

（1）焊縫表面目視檢查。

所有FSW焊接試件經目視檢查， 焊縫表面顏色光亮， 基本沒有變色， 沒有出現過熱， 污染或裂紋之類的有害缺陷。

（2）X光檢測。

采用工業X射線探傷機， 對所有試件進行了X光檢測，檢查結果表明： 攪拌摩擦焊焊縫基本不存在常規熔焊氣孔， 內部裂紋等缺陷， 可明顯改善鋁合金接頭的疲勞性能。本次試驗件經X光檢測后符合標準。

（3）擴展應用。

經過本次試驗， 1.3mm、1.6mm、2.0mm厚的2024T3鋁合金材料使用攪拌摩擦焊焊接， 性能穩定， 焊縫強度達到設計要求，為新材料、新工藝的發展做好工藝基礎。

3 結語

攪拌摩擦焊技術在世界各國突然興起，得到廣泛的關注和深入的研究，并向生產適用化發展，特別是針對鋁合金材料，在諸多制造工業領域得到了成功應用。攪拌摩擦焊由于它是一種固相連接，所以與其他焊接方法相比具有很多的優越性。攪拌摩擦焊是一種高效、節能的連接方法。

對于鋁合金材料的攪拌摩擦焊，焊接過程不需要填充焊絲和惰性氣體保護；焊前不需要開坡口和對材料表面作特殊的處理。攪拌摩擦焊是一種安全的焊接方法，與熔焊方法相比，攪拌摩擦焊過程沒有飛濺、煙塵、以及弧光的紅外線或紫外線等有害輻射對人體的危害等。

隨著攪拌摩擦焊技術的研究和發展，攪拌摩擦焊在應用領域的限制得到很好解決。

參考文獻：

[1]欒國紅.飛機制造中的攪拌摩擦焊技術及其發展.北京航空制造工程研究所.