異種鋁合金環形構件的攪拌摩擦焊接工藝

于運錄 張珊珊

摘 要：科技在不斷的發展，社會在不斷的進步，為實現異種鋁合金環形構件的高精度裝配與連接，文中設計一種臥式串聯型軸向移動轉徑向伸縮的攪拌摩擦焊接工裝。結果表明，采用此工裝成功實現鋁銅系/鋁鎂系異種鋁合金環形構件的高精度裝配與高質量焊接，接頭內部質量達到了I級接頭要求，接頭的抗拉強度高于245MPa，延伸率高于16%，且所有接頭均斷裂在鋁鎂系鋁合金母材一側，說明該接頭的整體性能要優于鋁鎂系鋁合金母材性能，解決了鋁銅系/鋁鎂系異種鋁合金熔焊易出現焊接裂紋的工程難題。

關鍵詞：異種鋁合金環形構件;臥式串聯型工裝機構;楔盤結構;運動時序;攪拌摩擦焊

引言

在航空航天工業、交通運輸制造業、能源行業、輕工裝備業及核工業等領域，為了充分發揮不同金屬材料的優異性能、實現輕量化、降低制造成本以及滿足不同工況的需求，異種金屬材料結構得到越來越多的運用。異種金屬材料一般在熔點、硬度、力學性能和化學活潑性等方面差異較大，所以使用傳統熔焊難以獲得良好的焊接接頭。固相連接技術的出現較好地解決了異種金屬材料連接的難題，攪拌摩擦焊作為一種新型的固相連接技術在研究和工程中獲得了很好的使用效果。與傳統的熔焊相比，攪拌摩擦焊過程中熱輸入小，無需焊絲，符合現在節能環保的理念。此外，攪拌摩擦焊的接頭部分晶粒細小，使得接頭在疲勞性能、拉伸性能和彎曲性能上都表現良好。現在攪拌摩擦焊在航空航天、造船、汽車、鐵路等行業有非常廣泛和出色的應用。作者閱讀整理了很多國內外文獻，主要介紹近10年來異種金屬材料攪拌摩擦對接焊的研究進展，希望可以給相關領域的研究人員提供一定的參考。

1總體結構方案設計

為達到異種材料圓筒型結構件的攪拌摩擦焊接裝配要求，鑒于結構件裝配操作空間的開場性要求，需將軸向移動轉換為徑向伸縮運動形式的內支撐機構，現采用一種基于臥式串聯軸向平移轉徑向伸縮運動的機構構型，實現零件的攪拌摩擦焊接裝配工裝的機構傳動要求?；谂P式串聯軸向平移轉徑向伸縮機構的構型，為能夠較好的實現攪拌摩擦焊的焊前裝配，該機構主要由伺服電機驅動機構，軸向壓盤機構，盤式螺旋解耦機構、徑向撐緊機構和軸向支撐機構組成，其主要工作目標為，將異種材料圓筒型結構件實現對接面的對中對接，能夠實現焊縫背部的徑向撐緊和軸向壓緊作用。原動機旋轉帶動整套機構的旋轉運動，旋轉副R1及P4實現與基體的連接支撐;手動旋轉螺旋副H1，H1的旋轉運動傳遞給旋轉副R2的外層構件，H1的軸向運動傳遞給旋轉副R2的內層構件，該內層構件通過移動副P1的導向作用實現楔盤機構平行移動，楔盤機構的平移帶動P3在楔盤斜面上移動，由于P2將撐緊機構導向，因此撐緊機構將楔盤的斜面運動轉化為了撐緊機構的徑向伸縮運動，從而將被焊接工件徑向撐緊，為更好的實現被焊工件的軸向夾緊，通過機架本體和螺旋副H2帶動的軸向壓緊機構的相對夾緊完成焊接件的對接夾緊。

2異種金屬攪拌摩擦對接焊研究進展

2.1鋁合金-鋼對接

小組研究了3mm厚5052鋁合金和低合金高強度鋼的攪拌摩擦對接焊時，在不同工藝參數下金屬間化合物（IMC）的生成情況。研究表明在其它參數不變的情況下：①攪拌頭旋轉速度越高，金屬間化合物層越厚，在轉速600r/min時最厚約為5.792μm。②焊接速度越慢，金屬間化合物層越厚，在35mm/min時最厚約為3.896μm。③軸向力越大，金屬間化合物層越厚，在9kN時最厚約為3.254μm。④攪拌頭主軸傾斜角度為0.5°時，金屬間化合物層最厚約為2.282μm。研究了6181-T4鋁合金和HC260LA及DP600高強鋼的攪拌摩擦焊。從圖2微觀結構方面看，用較軟的鋼（HC260LA）產生的接頭界面顯示出稍大的變形，并且有較多數量和較大尺寸的高強鋼分離顆粒進入鋁合金一側。接頭硬度分布也能觀察到這種差異，高強鋼一側HC260LA比DP600顯示出更大的硬度梯度，而這正是由于不同程度的熱變形引起的。

2.2鹽霧腐蝕

6005A-T6鋁合金型材的母材及攪拌摩擦焊接頭酸性鹽霧試驗失重率隨腐蝕時間的變化如圖1所示：試樣失重均隨腐蝕的進行而逐漸增加，呈現快-慢-快-慢的規律，這是因為隨著腐蝕時間的延長，由腐蝕產生的氧化物等逐漸堆積在試樣的表面，這使腐蝕介質越來越難接觸到鋁合金表面，從而產生位阻效應，阻止了腐蝕的進一步進行，其后速率的恢復推測為內部的腐蝕及膨脹使附著在表面的大塊腐蝕產物皸裂，進而重新形成了腐蝕介質接觸金屬表面的通道;對比母材和焊接接頭，發現在前120h內，失重率的變化過程基本一致;后120h，焊接接頭的失重速率最慢，推測為腐蝕產物在金屬表面的覆蓋趨于穩定，能夠有效阻隔腐蝕介質接觸到金屬表面，而母材的失重速率卻沒有明顯減緩，推測為母材的腐蝕產物依然不穩定，一直處于增厚-脫落的狀態;從圖中還可以看出：與攪拌摩擦焊接頭相比各試驗周期母材的失重率均稍高，說明焊接接頭耐蝕性優于母材.

2.3鋁合金-鎂合金對接

通過FSW方法對12mm厚的AZ31B鎂合金和5083鋁合金板材進行對接試驗，當5083鋁合金置于前進側，AZ31B鎂合金放在后退側時，容易得到無明顯缺陷的接頭。相比于鋁合金，鎂合金一般較軟，容易塑化，塑化后的材料流入攪拌針前進后形成的空腔內;也有人認為鎂合金有著更好的流動性能，所以放在后退側可以很好地填充焊縫。Mclean觀察到攪拌區域會形成薄的脆性的金屬間化合物層（IMC），其物質組成主要為Al12Mg17，與離異共晶的形態一致。金屬間化合物層的存在導致焊縫的延伸性很差，難以達到工程應用的要求[1]。采用“切片法”，對3mm厚AZ31鎂合金和2024鋁合金板材在最佳參數下獲得的攪拌摩擦焊對接接頭逐層切片，觀察2種材料在對接后的位置和形態，并且通過二維流動情況進行三維重構。通過研究，他發現同一層面前進側和后退側材料流動具有不對稱性;鋸齒間距與進給速度和攪拌頭轉速的比值相關;塑化后的金屬材料遷移主要發生在水平層面，在垂直方向金屬并沒有顯著流動[2]。在研究6061-T6鋁合金和AZ31鎂合金攪拌摩擦對接焊時，將K型熱電偶嵌入距攪拌頭軸線2.5mm、母材上表面1.1mm深的20mm×2mm×2mm的溝槽內來測量FSW過程中的溫度。其研究表明：①同樣的工藝參數下，前進側的溫度要略高于后退側;②同種材料焊接時的溫度峰值要高于異種材料。

結語

攪拌摩擦焊在異種金屬材料對接焊上表現出很大的優勢，通過試驗不斷優化工藝參數，可以獲得無明顯缺陷的對接接頭，接頭的力學性能也明顯優于傳統熔焊，而且接頭的殘余應力水平也較低。目前異種金屬攪拌摩擦焊的工藝參數主要是依靠前期大量的試驗及技術人員的經驗確定，效率較低。研究人員通過構建數學模型，就能通過計算機進行模擬試驗。數值模擬技術可以實現對異種金屬攪拌摩擦焊過程的應力場、溫度場和材料流場的模擬。同時數值模擬技術還可以用在異種金屬攪拌摩擦焊對接接頭的動態力學性能，裂紋形成和擴展機理，摩擦磨損行為等方面，對提高接頭質量有著巨大的幫助。

參考文獻：

[1]邢麗，柯黎明，黃春平.鋁合金與鋼的攪拌摩擦焊焊縫成形及接頭性能[J].焊接學報，2007，28（1）：29.

[2]王斌，朱加祥，周翠，等.5052與6061異種鋁合金攪拌摩擦焊接頭的組織和力學性能[J].金屬熱處理，2015，40（1）：59.