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(guī)格的鋁合金2024T3、2524T3板材的對(duì)接與7050型材搭接結(jié)構(gòu)進(jìn)行攪拌摩擦焊焊接試驗(yàn)件制備，鉚接試驗(yàn)，焊接和鉚接后試樣表面處理及機(jī)械性能檢測(cè)，通過(guò)進(jìn)行各項(xiàng)工藝試驗(yàn)，不斷改進(jìn)工藝參數(shù)，以得出最佳焊接工藝參數(shù)指導(dǎo)生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：攪拌摩擦焊；2425鋁合金；接頭性能

鋁及鋁合金焊接時(shí)，很容易產(chǎn)生氣孔、熱裂紋等缺陷，焊接時(shí)必須注意的問(wèn)題。對(duì)于熱處理型鋁合金來(lái)說(shuō)，必須避免在焊接時(shí)熱影響區(qū)產(chǎn)生軟化，強(qiáng)度降低的問(wèn)題。為了解決鋁及鋁合金熔化焊時(shí)出現(xiàn)的以上問(wèn)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(zhuān)用的高剛性精密焊接設(shè)備， 焊接工藝參數(shù)少，機(jī)械化全自動(dòng)過(guò)程控制， 避免了人為因素的影響，焊接質(zhì)量穩(wěn)定， 同時(shí)具有良好的靜力， 疲勞， 耐久性/損傷容限性能以及檢測(cè)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(guò)程中材料不熔化。焊接接頭變形小， 焊接性能優(yōu)異等特點(diǎn)被廣泛關(guān)注. 攪拌摩擦焊可以實(shí)現(xiàn)各類(lèi)同種或異種高強(qiáng)鋁合金的優(yōu)質(zhì)可靠連接。采用攪拌摩擦焊進(jìn)行飛機(jī)高強(qiáng)鋁合金整體結(jié)構(gòu)的連接， 可以大大提高材料的利用率。減少零件數(shù)量和結(jié)構(gòu)重量。降低制造成本， 攪拌摩擦焊開(kāi)辟了高強(qiáng)鋁合金高質(zhì)量焊接的新途徑。引起了世界各國(guó)航空航天界的高度重視。

1 攪拌摩擦焊工藝研究?jī)?nèi)容

本課題主要對(duì)1.3mm（化銑）、1.6mm和2.0mm三種規(guī)格的鋁合金2024T3， 2524T3板材的對(duì)接和與7050型材搭接結(jié)構(gòu)進(jìn)行攪拌摩擦焊焊接試驗(yàn)件制備、鉚接試驗(yàn)、焊接和鉚接后試樣表面處理及機(jī)械性能檢測(cè)，通過(guò)進(jìn)行各項(xiàng)工藝試驗(yàn)，不斷改進(jìn)工藝參數(shù)， 以得出最佳焊接工藝參數(shù)。

1.1 焊接專(zhuān)用試板的制備

試驗(yàn)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(zhǎng)桁7050T76511材料。

1.2 攪拌摩擦焊焊接

（1）試驗(yàn)用攪拌頭的選擇。

對(duì)2024T3薄板攪拌摩擦焊對(duì)接進(jìn)行優(yōu)選，主要包括對(duì)攪拌頭的優(yōu)選和焊接參數(shù)的優(yōu)選。試驗(yàn)所用的攪拌頭外形基本相似， 軸肩均為內(nèi)凹型，焊接厚度≤6mm材料所用的攪拌針沒(méi)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(duì)試件各側(cè)面進(jìn)行銑切加工，保證各面平直度0.1mm， 采用機(jī)械打磨法對(duì)試件焊接面和搭接面進(jìn)行砂輪打磨， 去除試件表面氧化膜： 用丙酮/酒精擦洗待焊區(qū)50mm內(nèi)。

（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(duì)齊、壓平， 板材局部間隙控制在02mm以?xún)?nèi)，接縫底部采用墊板進(jìn)行剛性支撐， 焊件兩側(cè)通過(guò)工裝夾具施加壓緊力和側(cè)向頂緊力， 使焊件定位、夾緊。

在焊接試件安裝過(guò)程中， 檢查攪拌頭接縫對(duì)中情況， 并調(diào)整對(duì)中偏差， 對(duì)薄板試驗(yàn)， 選擇對(duì)中偏差在全長(zhǎng)范圍內(nèi)應(yīng)小于0.45mm。焊接工藝參數(shù)的初步確定及焊接過(guò)程： 攪拌摩擦焊工藝參數(shù)主要有攪拌頭的傾角、攪拌頭的旋轉(zhuǎn)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(shù)優(yōu)化及接頭性能。

針對(duì)該材料， 主要使用了三種攪拌頭在不同參數(shù)下進(jìn)行攪拌摩擦焊接并對(duì)接頭進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)，從而優(yōu)選出攪拌頭和焊接參數(shù)。

由于1.3mm厚的2024 T3試板較薄，試驗(yàn)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(shù)時(shí)，轉(zhuǎn)速較高，主要目的在于通過(guò)減小軸肩尺寸來(lái)降低對(duì)接接頭的軟化作用，通過(guò)選擇高轉(zhuǎn)速以保證焊接過(guò)程中需要的熱量，同時(shí)增加對(duì)材料的攪拌作用，使晶粒更細(xì)化。

（5）焊接參數(shù)優(yōu)化結(jié)論

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

b）使用相同的攪拌頭， 當(dāng)焊接參數(shù)不變時(shí)， 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(shù)和壓入量不變的情況下。隨著攪拌針長(zhǎng)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(zhuǎn)速度， 焊縫的熱輸入增加， 焊縫底層金屬受熱達(dá)到塑性狀態(tài)，流動(dòng)性增強(qiáng)。 在攪拌針的帶動(dòng)下， 卷入焊縫中， 形成可靠的連接， 根部弱連接缺陷消失， 但轉(zhuǎn)速不能過(guò)高， 否則焊縫上下兩部分由于受熱不均勻會(huì)出現(xiàn)分層，導(dǎo)致焊縫性能下降。

2 結(jié)論

（1）焊縫表面目視檢查。

所有FSW焊接試件經(jīng)目視檢查， 焊縫表面顏色光亮， 基本沒(méi)有變色， 沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)熱， 污染或裂紋之類(lèi)的有害缺陷。

（2）X光檢測(cè)。

采用工業(yè)X射線探傷機(jī)， 對(duì)所有試件進(jìn)行了X光檢測(cè)，檢查結(jié)果表明： 攪拌摩擦焊焊縫基本不存在常規(guī)熔焊氣孔， 內(nèi)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(yàn)件經(jīng)X光檢測(cè)后符合標(biāo)準(zhǔn)。

（3）擴(kuò)展應(yīng)用。

經(jīng)過(guò)本次試驗(yàn)， 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(wěn)定， 焊縫強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，為新材料、新工藝的發(fā)展做好工藝基礎(chǔ)。

3 結(jié)語(yǔ)

攪拌摩擦焊技術(shù)在世界各國(guó)突然興起，得到廣泛的關(guān)注和深入的研究，并向生產(chǎn)適用化發(fā)展，特別是針對(duì)鋁合金材料，在諸多制造工業(yè)領(lǐng)域得到了成功應(yīng)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(yōu)越性。攪拌摩擦焊是一種高效、節(jié)能的連接方法。

對(duì)于鋁合金材料的攪拌摩擦焊，焊接過(guò)程不需要填充焊絲和惰性氣體保護(hù)；焊前不需要開(kāi)坡口和對(duì)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(guò)程沒(méi)有飛濺、煙塵、以及弧光的紅外線或紫外線等有害輻射對(duì)人體的危害等。

隨著攪拌摩擦焊技術(shù)的研究和發(fā)展，攪拌摩擦焊在應(yīng)用領(lǐng)域的限制得到很好解決。

參考文獻(xiàn)：

[1]欒國(guó)紅.飛機(jī)制造中的攪拌摩擦焊技術(shù)及其發(fā)展.北京航空制造工程研究所.