工藝參數(shù)對塑料板攪拌摩擦焊的影響

黨 杰，張 琳

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安710089)

20世紀(jì)90年代初，英國焊接研究所(TWI)開發(fā)了一種基于摩擦焊基本原理的新型固相連接技術(shù)［1－2］——攪拌摩擦焊(Friction Stir Welding，簡稱FSW)。這是一種新興的理想的綠色連接技術(shù)，不需要填充材料和保護(hù)氣體，能耗低，對環(huán)境無污染［3－5］。攪拌摩擦焊工作原理如圖1所示，攪拌頭由夾持器與特形指棒兩部分構(gòu)成。焊接時，攪拌頭高速旋轉(zhuǎn)并首先使特形指棒迅速鉆進(jìn)被焊對接板的焊縫，夾持器的圓柱體端面與工件表面緊密接觸，進(jìn)而夾持器帶著施焊特形指棒沿著焊接方向移動，由于旋轉(zhuǎn)的特形指棒與工件的摩擦作用而產(chǎn)生大量的熱作用，加上夾持器軸間與被焊板件表面輔助的摩擦熱，使得在攪拌頭特形指棒周圍的材料熔融，由于攪拌力的作用被轉(zhuǎn)移到特形指棒后側(cè)，形成焊縫［6］。

圖1 攪拌摩擦焊工作原理圖Fig.1 Working schematic of friction stir welding

如今，攪拌摩擦焊已成功用于鋁、鎂、銅及其合金等材料的連接［7］，也廣泛地應(yīng)用于航空航天、汽車、船舶等領(lǐng)域［8－12］。但是，在塑料材料焊接的研究應(yīng)用還很少。通過對聚丙烯塑料板材進(jìn)行攪拌摩擦焊焊接試驗(yàn)，得知:攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度及其對塑料板上表面的壓力等因素都會影響焊接效果。但是，只要各參數(shù)選取恰當(dāng)，焊接效果就會很好。

1 攪拌頭尺寸對焊縫成形的影響

在攪拌頭各部分尺寸參數(shù)中，最關(guān)鍵的是臺肩直徑和特形指棒的直徑。在焊接過程中，臺肩直徑會影響臺肩和被焊接材料表面摩擦發(fā)熱功率，它的增大既提高焊接溫度，又有可以防止焊縫材料的飛濺和溢出的作用，從而可以改善焊縫成形的效果。如:當(dāng)n=3000r/min，ν=25mm/min一樣時，臺肩直徑為30mm的攪拌頭比臺肩直徑為25mm的攪拌頭的焊接溫度高，材料熔合好，焊縫成形好，如圖2所示。特形指棒的直徑大小決定焊縫的尺寸，對成形焊縫影響很大，也很復(fù)雜。特形指棒直徑增大，它側(cè)面的摩擦發(fā)熱功率就會增加，從而提高焊接溫度;還會增大被焊接材料的吸收熱功率與傳熱面積，降低焊接溫度。

圖2 不同臺肩直徑形成的焊縫Fig.2 Formed weld joint by different shoulder diameter

2 焊接速度對焊縫成形的影響

攪拌摩擦焊接，在保持旋轉(zhuǎn)速度等工藝參數(shù)不變的情況下，通過改變焊接速度來研究焊接速度對焊縫成形效果的影響。試驗(yàn)結(jié)果顯示:當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度等工藝參數(shù)一定時，焊接速度對焊縫成形效果的影響很大，過快或者過慢都不能得到成形良好的焊縫。在攪拌摩擦焊接過程中，焊接熱量主要來源于攪拌頭與被焊工件之間的摩擦熱。當(dāng)攪拌頭旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速一定時，摩擦所產(chǎn)生的熱量一定，焊縫單位長度上的熱輸入量則隨著焊接速度的增大而減少，被焊材料的塑性流動性也隨著焊接速度的增大而變差。

如圖3所示，在其它工藝參數(shù)不變的情況下，保持旋轉(zhuǎn)速度n=3000r/min不變，先后改變焊接速度的大小，進(jìn)行焊接并比較。其中，焊接速度 ν=25mm/min時的焊縫成形最好［13］;焊接速度提高至ν=30mm/min時，焊縫表面成形變差，特形指棒處的焊縫表面下凹較大，觀察其截面，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部有隧道型缺陷。其原因主要是，聚丙烯塑料粘度較大，流動性不是很好，當(dāng)焊接速度較大時，熔融塑料還來不及填充特形指棒所留下的空隙，所以特形指棒處的焊縫表面宏觀顯示下凹較大;當(dāng)焊接速度ν=20mm/min時，焊縫的表面雖然較平整，但是，出現(xiàn)了因局部母材熔化而形成的縮孔現(xiàn)象。

圖3 n=3000r/min時，不同焊接速度形成的焊縫Fig.3 Formed weld joint by different welding speed(n=3000r/min)

3 攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度對焊縫成形的影響

攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度與焊接溫度成正比例關(guān)系，旋轉(zhuǎn)速度愈大，攪拌頭和母材的相對運(yùn)動線速度愈大，摩擦發(fā)熱功率和焊接溫度就愈高。在保持焊接速度等工藝參數(shù)不變的情況下，通過改變旋轉(zhuǎn)速度來研究旋轉(zhuǎn)速度對焊縫成形的影響。

如圖4所示，在其它工藝參數(shù)不變的情況下，設(shè)定ν=25mm/min，先后改變旋轉(zhuǎn)速度的大小，進(jìn)行焊接并比較。試驗(yàn)結(jié)果表明:其中，n=3000r/min時，材料充分熔融，焊縫成形良好，外表美觀;旋轉(zhuǎn)速度減小到n=2500r/min時，摩擦產(chǎn)熱功率太小，焊縫處材料未完全達(dá)到塑性狀態(tài)，不能形成熱塑性流動層，導(dǎo)致焊縫表面粗糙，若旋轉(zhuǎn)速度繼續(xù)減小，甚至?xí)霈F(xiàn)溝槽或所形成的焊縫不能完全閉合;當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度提高至n=3500r/min時，造成熱輸入過大，導(dǎo)致了焊縫處的材料過熱，若繼續(xù)增大，則會出現(xiàn)局部燒焦現(xiàn)象。而且，旋轉(zhuǎn)速度愈高，對攪拌頭等設(shè)備的性能要求將愈高。

圖4 ν=25mm/min時，不同旋轉(zhuǎn)速度形成的焊縫Fig.4 Formed weld joint by different rotation speed(ν=25mm/min)

4 焊接壓力對焊縫成形的影響

攪拌摩擦焊接時，只有施加一定的焊接壓力時，攪拌頭和被焊工件才能充分摩擦，從而產(chǎn)生足夠的摩擦熱。同時，焊接壓力還能限制塑性流體外溢，促使焊縫成型。當(dāng)壓力太小時，被焊塑料未完全熔融;當(dāng)壓力較小時，焊縫內(nèi)部出現(xiàn)縮松或縮孔等缺陷，焊縫表面粗糙，甚至材料外溢，如圖5a所示;但壓力過大時，接觸越緊，摩擦力將越大，攪拌頭向前移動的阻力也越大，不僅會出現(xiàn)燒糊現(xiàn)象，而且會使攪拌頭壓入母材過深，壓下帶過寬，影響接頭強(qiáng)度和外觀，如圖5b所示。總之，只有壓力適中時，才能獲得組織致密，成形良好的焊縫。

圖5 不同壓力下形成的焊縫Fig.5 Formed weld joint by different pressure

5 結(jié)論

綜上所述，影響聚丙烯塑料板攪拌摩擦焊焊縫成形的因素很多，有攪拌頭特形指棒的直徑D1，臺肩直徑D2，攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度n，焊接速度ν和臺肩壓力。除此之外，焊接時塑料板下所墊的材料及人工原因?qū)附淤|(zhì)量也有一定的影響。總之，旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度和臺肩壓力等工藝參數(shù)合理匹配時，就能得到外形美觀、內(nèi)部無缺陷的良好焊縫。

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