汽車鋁合金板材攪拌摩擦焊工藝研究

吳耀宏

摘 要：本文通過對汽車鋁合金板材的攪拌摩擦焊工藝進行研究，對這種攪拌摩擦焊工藝進行了介紹，了解了這種攪拌摩擦焊的工藝。說明了攪拌摩擦焊在汽車鋁合金板材焊接中的優勢，接著對攪拌摩擦焊在汽車鋁合金的具體應用進行了相關說明，主要列舉了汽車的5754鋁合金板材，6061鋁合金板材，7075鋁合金板材的攪拌摩擦焊接工藝。

關鍵詞：汽車鋁合金;攪拌摩擦焊工藝

攪拌摩擦焊接技術的應用符合當前綠色可持續環保理念，它在應用中不需要添加焊絲，成本非常的低，對于汽車行業的發展有積極的作用。隨著當前全球范圍內汽車工業的迅速發展，鋁合金的密度低，剛強度好，抗沖擊性能好，同時還能夠進行回收這一系列的優點，讓鋁合金板材被廣泛的應用于汽車車門車廂，底板支撐架等構件產品的制造過程中。攪拌摩擦焊作為一種非液態的綠色環保焊接技術，在汽車焊接過程中起著重要的作用。

1 攪拌摩擦焊工藝簡介

攪拌摩擦焊是英國焊接所在二十世紀末發明的一種新型固相連技術，它被廣泛地應用于鋁合金的焊接中。攪拌摩擦焊技術與傳統的摩擦焊技術存在一定的聯系，也有很大的差異，攪拌摩擦焊也是和常規摩擦焊一樣，它們之間最大的相同點就是熱源相同，因為兩者都是利用摩擦熱和塑性變形熱。而兩者之間的差異性在于，攪拌摩擦焊技術是利用圓柱體或者帶螺旋紋圓柱體的攪拌針，深入到接縫處，通過焊頭高速旋轉，在旋轉的過程中利用旋轉產生的摩擦熱，讓連接部位的材料發熱軟化進行粘連，完成焊接工作。如圖1所示，根據箭頭所指示的方向和旋轉的位置，在焊接過程中，焊頭會高速的旋轉。在這個過程中，焊頭頂端位置會深入到焊接物體中進行摩擦攪拌運動。然后隨著焊頭移動高度塑形變形的材料沉積，形成焊縫。在這樣的過程中，攪拌頭的劇烈摩擦會讓金屬材料塑性軟化，被焊接的材料始終保持熱塑化的固體狀態。在攪拌摩擦焊中，最重要的就是攪拌頭。因此對攪拌頭的制作工藝也有一定的要求，尤其是它的制作材料，這個攪拌頭是由一種非常特別的高溫金屬和其他材料合成的，它的焊頭比要求焊接深度要淺一些。值得一提的是，這種方式焊接之后不會留下焊接孔，攪拌摩擦焊接由于攪拌摩擦過程中熱輸入相對熔焊的過程小，接頭部位就不存在金屬的熔化，它是作為一種固態的焊接形式[2]。

2 攪拌摩擦焊在汽車鋁合金板材焊接中的優勢

鋁合金材料由于具有較好的塑性和加工性能，因此被廣泛的應用于車體結構和發動機零部件的設計中。而在汽車結構中，利用攪拌摩擦焊具有極大的積極性。汽車制造作為一項規模化的工制造工業，它需要對零部件進行高質量大規模的生產，利用攪拌摩擦焊對汽車零件接頭進行焊接的時候，能夠大于普通焊接技術標準[3]。攪拌摩擦焊的焊接接頭的針對性強，所以在對汽車進行焊接的過程中，汽車鋁合金板材不容易變形，在工作過程中，能夠在綠色無污染的環境中一次性完成大規模的焊接工作，因此工作人員在對汽車鋁合金板材進行焊接的過程中，就不必擔心煙塵污染和輻射等問題，它在汽車設計方面具有極高的作用。

因為鋁合金攪拌摩擦焊零件具有較好的拉伸強度和成形性能，所以它非常易于汽車的制造和加工，能夠保持零件尺寸的穩定性。也可以實現汽車異種材料之間的連接，減少汽車結構的總體質量，在制造成本上，在制作成本上僅僅投入一臺攪拌摩擦焊設備的價格，就能夠生產出多種品牌，多種類型的汽車零件，有效地減少了汽車的制造成本。在利用攪拌摩擦焊工作的過程中，不需要采取多余的輔助工具，這樣能夠降低工具的使用費用，利用攪拌摩擦焊能夠保障汽車產品的生產效率，加快汽車的研發生產[4]。

3 攪拌摩擦焊在汽車鋁合金板材焊接中的運用

本文在分析攪拌摩擦焊在汽車鋁合金板材焊接中的運用中，通過5754鋁合金板，6061鋁合金板以及7075鋁合金板所使用的攪拌摩擦焊接方法進行說明。

3.1 汽車用5754鋁合金板的攪拌摩擦焊接

結合攪拌摩擦焊接工藝對汽車5754鋁合金板進行焊接過程研究，發現隨著焊接速度的逐漸提高[5]。5754鋁合金板對攪拌摩擦焊接對接接頭的抗拉強度和伸長率都是先提高，然后再逐漸降低，當焊接速度達到300毫米每分鐘時，焊接強度系數達到最大值0.98。繼續增加焊接速度達到400毫米每分鐘，接頭的性能就會降低。隨著5754鋁合金拌攪拌摩擦焊工藝研究會發現攪拌摩擦焊接中攪拌針的長度增加，上下板材之間接觸面積就會逐漸拉大。在旋轉速度為800r/min條件下，當焊接速度由100毫米每分鐘提高到400毫米每分鐘，抗拉強度和伸長率都是先提高而后降低。在焊接速度為300毫米每分鐘時，5754鋁合金FSW接頭的強度系數達到最大值，伸長率為24%，這主要是因為隨著焊接速度的提高，不同焊接速度的5754鋁合金攪拌摩擦焊接接頭的焊核區晶粒尺寸和亞晶界比例差異較小導致的。

3.2 汽車用6061鋁合金板的攪拌摩擦焊接

利用微攪拌摩擦焊設備對6061鋁合金板進行焊接的過程中。通過研究發現，將攪拌摩擦焊接參數設置在轉速為20000r/min，焊接速度為300mm/min，能夠達到最優化的焊接狀態。對于6061鋁合金板而言，要采取微攪拌焊接方法與。傳統的攪拌摩擦焊接相比，微攪拌摩擦焊接所要焊接的工件尺寸較薄，焊接過程中散熱程度很快，熱影響區的經歷受到焊接熱輸入的影響時間不會讓該區域的晶粒完全長大。因此在利用微攪拌摩擦焊接的過程中，能夠發現焊接時的晶粒變化不明顯。因此在使用微攪拌摩擦焊接6061鋁合金板的時候，和6057相比，它們的焊接參數有一定的差異性[6]。

3.3 汽車用7075鋁合金板的攪拌摩擦焊接

通過對7075鋁合金進行攪拌摩擦焊接時，這是焊接所采取的主要是攪拌摩擦點焊。這種點焊方式是在線性攪拌摩擦焊接基礎上開創的一種創新焊接技術。在焊接過程中7075鋁合金攪拌摩擦點焊最優數值是轉速為1500r/min，停留時間為六秒時，這時塑形區域的組織晶粒最細密。利用攪拌摩擦點焊的方法對7075鋁合金板進行焊接。在焊接過程中，會發現接頭處的宏觀缺陷和微觀缺陷。當壓入量較大時，塑性金屬沿軸間溢出，形成飛邊，這時就能看到明顯的缺陷，這樣的缺陷在焊接完成后，可以對接頭進行打磨消除。還會產生一些微觀缺陷，微觀的缺陷主要是由鉤狀缺陷，若連接缺陷鉤狀缺陷，主要是與攪拌頭的形狀外觀和焊接工藝數值有密切關系，而弱連接缺陷形成的原因主要是在焊接前沒有處理好殘留到氧化膜，對上下板連接造成了一定的影響。所以在進行焊接時要避免宏觀缺陷和微觀缺陷，就需要對汽車材料和攪拌頭形狀以及焊接工藝數值進行有效實驗，確定出最合適的數值完成相關的操作。因此利用攪拌摩擦點焊的方法對7075鋁合金鈑金焊接的過程中，要意識到晶體尺寸較小時，相應的強度也較高，晶體尺寸較大時，相應的強度較小[7]。

4 結束語

總結全文，攪拌摩擦焊作為綠色環保的焊接技術，符合當前綠色環保可持續的發展理念，同時由于它自身的特點，在汽車鋁合金板焊接過程中具有先天的優勢。由于鋁合金板材自身的較好塑形和加工性能，它在汽車制造中被廣泛應用，而利用攪拌摩擦焊能夠一次性完成大規模的焊接。在焊接過程中符合可持續發展理念安全無污染。同時焊接過后的汽車和傳統焊接方式相比，它的焊接接口處質量更好，同時攪拌利用摩擦焊能夠減少制造成本，保障汽車生產效率，加快汽車研發。汽車鋁合金板材利用攪拌摩擦焊接工藝的過程中，由于板材的變化，攪拌摩擦焊接技術也要設定不同的數值，針對5754鋁合金板，6061鋁合金板以及7075鋁合金板在使用攪拌摩擦焊接，都要有一定的變化。這樣才能夠更好的適合汽車輕量化的發展，讓攪拌摩擦焊技術更好的應用于汽車行業。

參考文獻：

[1]宛銅.汽車鈑金的攪拌摩擦焊接組織與性能分析[J].汽車電器，2020（04）：79-80.

[2]張玲，李英龍.鎂合金及鎂基復合材料攪拌摩擦焊研究進展[J].熱加工工藝，2020，49（07）：6-11.

[3]苗臣懷，曹麗杰，殷凱，王楠楠.鋁合金-鋼攪拌摩擦焊溫度場數值研究[J].輕工機械，2019，37（06）：82-87.

[4]李紅，劉旭升，張宜生，Jacek Senkara，李光瀛，馬鳴圖.新能源電動汽車異種材料連接技術的挑戰、趨勢和進展[J].材料導報，2019，33（23）：3853-3861+3881.

[5]高崇，劉貞山，李書磊，趙丕植.汽車用5754鋁合金板材攪拌摩擦焊工藝研究[J].焊接技術，2019，48（08）：62-65+6.

[6]彭俊，王巍.旋轉速度對汽車用5052鋁合金板材高速攪拌摩擦焊接接頭組織及性能的影響[J].輕合金加工技術，2017，45（03）：51-55.