攪拌摩擦焊在水下裝備殼體成型中的工藝研究

胡 光，柴 斐

（1.海軍裝備部；2.山西汾西重工有限責(zé)任公司， 山西 太原 030027）

引言

攪拌摩擦焊接是由英國焊接研究所在1991年申請獲得世界專利的新型固相焊接技術(shù)[1-3]。這項革命性的連接技術(shù)由于在制造成本、連接質(zhì)量等方面具有諸多優(yōu)越性,自發(fā)明以來就受到世界各國的密切關(guān)注和研究。

隨著水下裝備向高速、大深度、智能化方向的發(fā)展，產(chǎn)品的性能要求不斷提升。殼體材料從黑色金屬擴展到鋁、鎂、鈦等有色金屬以及復(fù)合材料，但隨著殼體加工要求越來越高，加工難度也越來越大。焊接作為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的連接技術(shù)，在殼體成型中有著不可替代的作用。傳統(tǒng)的殼體焊接以熔焊技術(shù)為主，無論從焊接質(zhì)量還是焊接效率都同裝備發(fā)展的要求有一定的差距。目前，攪拌摩擦焊在國內(nèi)航空航天領(lǐng)域應(yīng)用較多，因此進行攪拌摩擦焊焊接工藝研究對水下裝備殼體成型有重要的意義。

1 攪拌摩擦焊的原理

攪拌摩擦焊接是利用高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭(由軸肩、攪拌針和加持部位組成)作為焊接工具，焊接過程的開始階段將高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭以一定的速度插入工件的接縫中，當(dāng)插入到設(shè)定的下插深度并停留一定時間后，攪拌頭沿焊接方向旋轉(zhuǎn)運動。軸肩與工件表面摩擦產(chǎn)生的熱量和攪拌針攪拌產(chǎn)生的熱量使焊縫材料溫度升高，接頭金屬充分塑性軟化，軟化的金屬隨著攪拌頭的運動實現(xiàn)轉(zhuǎn)移，形成連續(xù)的塑性流，塑性流中的金屬和塑性流接觸的部分金屬由于軟化程度的不同，將產(chǎn)生不同程度的塑性變形。攪拌頭將產(chǎn)生塑性變形的材料填充攪拌頭后方的空腔并在攪拌頭軸肩與攪拌針的攪拌及擠壓作用下實現(xiàn)材料的連接。

2 水下裝備殼體傳統(tǒng)焊接工藝及缺點

鎢極氬弧焊是水下裝備殼體縱焊縫焊接的傳統(tǒng)方法。在用該焊接方式焊接鋁鎂等輕質(zhì)合金時有一些不足和缺陷：一是焊縫的熔深淺，熔敷速度小，生產(chǎn)效率較低；二是鋁鎂等合金的線膨脹系數(shù)大，容易產(chǎn)生焊接裂紋和變形等缺陷；三是焊接接頭的質(zhì)量對焊接參數(shù)敏感，容易出現(xiàn)母材不熔化、未焊透、未焊合以及燒穿等情況；四是鎢極氬弧焊焊接的焊縫區(qū)組織為典型的鑄造急冷組織，熱影響區(qū)是典型的過熱組織，兩種不同組織的結(jié)合造成焊縫成為整個殼體結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)。

3 攪拌摩擦焊的優(yōu)點

攪拌摩擦焊熱輸入相對熔化焊接較小，其提供的熱量沒有達到材料的熔點，因此可以避免熔化焊接的一系列缺點。攪拌摩擦焊具有以下優(yōu)點[2-3]：

1）影響焊接過程的控制參數(shù)較少，易于實現(xiàn)自動化焊接，從而提高焊接效率。

2）焊前只需要用酸清洗材料表面的油污，焊接過程中不需要添加焊接材料，焊后不需要清渣。

3）焊接過程中不會產(chǎn)生噪音、煙塵、飛濺和弧光。

4）焊接殘余應(yīng)力小，基本沒有變形、無收縮，接頭力學(xué)性能優(yōu)良，焊接后的金屬沒有色澤的變化。

王訓(xùn)快[4]等利用X射線衍射法對比了鋁合金鎢極氬弧焊和攪拌摩擦焊焊接接頭表面的殘余應(yīng)力分布，研究結(jié)果表明鎢極氬弧焊接頭橫向和縱向的殘余應(yīng)力值變化較大。在熱影響區(qū)攪拌摩擦焊接頭殘余應(yīng)力比鎢極氬弧焊約低分布15%～25%。V.Walter等對比了兩種焊縫氣孔率、裂紋缺陷和力學(xué)性能，研究結(jié)果表明鎢極氬弧焊焊縫可以避免裂紋的產(chǎn)生，但是不能避免氣孔的產(chǎn)生。攪拌摩擦焊焊縫內(nèi)部沒有氣孔和裂紋，攪拌摩擦焊的抗拉強度能夠達到母材的抗拉強度，鎢極氬弧焊抗拉強度能夠達到母材強度的70%～80%。

4 試驗材料、設(shè)備及工藝參數(shù)

4.1 試驗材料

試驗材料選取厚度16 mm的鋁合金板，試板的尺寸為500 mm×150 mm×16 mm，其材料力學(xué)性能如表1所示。

4.2 攪拌摩擦焊接設(shè)備

試驗設(shè)備為瑞典生產(chǎn)的攪拌摩擦焊機，可以焊接厚度小于20 mm的鋁合金、鎂合金。表2為該設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)。攪拌頭是攪拌摩擦焊技術(shù)的心臟，攪拌頭材料的選擇和結(jié)構(gòu)將直接影響材料的塑性流動，決定著焊接質(zhì)量的好壞。攪拌頭的主要作用如下[5]：

1）加熱和軟化焊接的材料，使材料產(chǎn)生塑性流動，軸肩提供封閉的環(huán)境，防止塑性流動的金屬溢出。

2）破碎材料表面的氧化膜。

3）使達到塑性的材料從攪拌頭前進側(cè)向后推側(cè)轉(zhuǎn)移，使攪拌頭上部的材料向下部轉(zhuǎn)移。

本試驗所用的攪拌頭為三槽錐形螺紋攪拌頭，攪拌頭總長210 mm，軸肩直徑35 mm，攪拌針長度15.85 mm。

表2 主要技術(shù)參數(shù)

4.3 攪拌摩擦焊焊接工藝參數(shù)

攪拌摩擦焊的工藝參數(shù)主要是系統(tǒng)工藝參數(shù)和可調(diào)工藝參數(shù)。本試驗選定的系統(tǒng)工藝參數(shù)為攪拌頭傾角固定為2.5°、攪拌頭旋轉(zhuǎn)方向為逆時針、攪拌頭下插速度為0.2 mm/s、開始插入距離為3 mm、攪拌頭停留時間為2 s、攪拌頭回抽速度為0.2 mm/s。可調(diào)工藝參數(shù)為焊接壓力、焊接速度、旋轉(zhuǎn)速度和下插深度。表3為擦焊工藝參數(shù)及焊接質(zhì)量匯總表。

表3 擦焊工藝參數(shù)及焊接質(zhì)量匯總表

5 力學(xué)性能試驗

通過表3的分析可以看出最優(yōu)的工藝參數(shù)為焊接壓力55 kN，旋轉(zhuǎn)速度為140～150 r/min，焊接速度為5 cm/min，下插深度為16.9 mm。選擇N4和N5號試板，切取三個拉伸試件和三個彎曲試件，分別進行拉伸、彎曲試驗。力學(xué)性能的試驗要求焊縫接頭強度≥鋁合金母材的90%即強度至少應(yīng)該滿足283.5 MPa；彎曲試件從焊縫處開始彎折，要求焊縫至少彎曲25°。表4為拉伸試驗數(shù)據(jù)，下頁表5為彎曲試驗數(shù)據(jù)。從表4可以看出全部試件斷裂強度都高于鋁合金最低抗拉強度，焊縫對接接頭強度滿足要求。從表5可以看出攪拌摩擦焊實際彎曲角度沒有達到目標(biāo)彎曲角度，盡管兩組參數(shù)三個試件的實際彎曲角度有波動，但是都滿足了焊縫至少25°不開裂的要求，熔化焊的焊縫實際彎曲角度平均在15°左右就會開裂。

表4 拉伸試驗數(shù)據(jù)

表5 彎曲試驗數(shù)據(jù)

將最優(yōu)工藝參數(shù)應(yīng)用于某產(chǎn)品的殼體縱縫焊接如圖1所示。殼體焊縫表面成型良好，沒有飛邊、犁溝等表面缺陷，經(jīng)X射線檢測內(nèi)部沒有隧道型缺陷。

圖1 殼體焊接實例

6 結(jié)語

通過進行工藝試驗驗證了攪拌摩擦焊在水下裝備殼體成型中流程和方法，確認(rèn)了16 mm的鋁合金板應(yīng)用攪拌摩擦焊進行焊接的工藝參數(shù)。通過試驗可以看出攪拌摩擦焊同傳統(tǒng)熔焊相比在成本、效率和質(zhì)量等多方面都有很大優(yōu)勢。未來通過對攪拌摩擦焊工藝的摸索和研究，一定會成為行業(yè)中的主要焊接手段，也必將促進水下裝備殼體焊接質(zhì)量和加工效率的大幅提升。