4mm 1050 搅拌摩擦焊焊接工艺 (5)

4mm1050搅拌摩擦焊焊接工艺

摩擦焊是利用工件端面相互运动、相互摩擦所产生的热，使端部达到热塑性状态，然后迅速顶锻，完成焊接的一种方法。摩擦焊可以方便地连接同种或异种材料，包括金属、部分金属基复合材料、陶瓷及塑料。摩擦焊方法在制造业中已应用40多年了，由于其生产率高、质量好获得了广泛的工程应用，但焊接的对象主要是回转形零件，虽然也有其它形式的摩擦焊技术出现，以克服被焊工件几何形状的限制或提高生产率，如相位摩擦焊、径向摩擦焊、线性摩擦焊等，但实际应用很少。最近还出现了摩擦堆焊，在工件上形成特殊性能的表面层。

搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding）是英国焊接研究所TWI（The Welding Institute）提出的专利焊接技术。搅拌摩擦焊除了具有普通摩擦焊技术的优点外，还可以进行多种接头形式和不同焊接位置的连接。挪威已建立了世界上第一个搅拌摩擦焊商业设备，可焊接厚3～15mm、尺寸6×16m2的A1船板；1998年美国波音公司的空间和防御实验室引进了搅拌摩擦焊技术，用于焊接某些火箭部件；麦道公司也把这种技术用于制造Delta运载火箭的推进剂贮箱。本文主要介绍搅拌摩擦焊的方法、过程、特点以及焊接质量。

一、 母材技术状况：

1、1050铝合金为纯铝中添加少量铜元素形成，具有极佳的成形加工特性高耐腐蚀性能，良好的焊接性和导电性。广泛应用于对强度要求不高的产品，如化工仪器、薄板加工件，深拉或旋压凹形器皿、焊接零件、热交换器、钟表面及盘面，铭牌、厨具、装饰品、反光器具等。

二、焊接材料选择及技术材状况：

1、选用300mm×100mm×4mm的试件。

2、表面处理特性：硬度均匀，适合复杂冲压成型，折弯，拉伸，整型不易破裂。材料纯正，适合要求及稳定的阳极氧化表面处理。 3、1050纯铝力学性能：

抗拉强度σ（Mpa）95～125 条件屈服强度σ0.2（Mpa）≥75

注：管材室温力学性能

4、1050纯铝热处理工艺

完全退火：加热390～430℃，随材料有效厚度不同，保温时间30～120min,空气或水冷。

快速退火：加热350～370℃，随材料有效厚度不同，保温时间30～120min，空气或水冷。

淬火和时效：淬火500～510℃，空冷：人工时效95℃～105℃，3h,空冷自然时效室温120h。

三、 焊前准备：

1、 由于选用的试件是300mm×100mm×4mm属于薄板焊接，采用搅拌摩擦焊，可以不开坡口。 2、 采用平位置对接接头。 3、 工件尺寸：300mm×100mm×4mm

4、 由于1050材料属于铝铜合金的焊接，采用搅拌摩擦焊接铜铝合金时，避免了熔焊方法的诸多缺陷和不足，焊缝外观均匀光滑，无缺陷，焊接操作简单，焊前只需用丙酮等有机溶剂去除接合面油脂，无需开坡口去除氧化膜，焊后无需去除余高，提高了生产效率，焊接过程能耗小，无需填充材料，焊接成本低。

四、焊接设备与工具：

1、 采用LM系列的FSW-3LM-010型搅拌摩擦焊机。该设备是北京赛福特技

术有限公司开发的用于小型材焊接的搅拌摩擦设备。 2、 主要技术参数：

控制系统：贝加莱可编程计算机

X向行程：6300mm Z向行程：300mm 焊接顶锻力：130KN 主轴电机功率：15KN 工作台：6300×800mm 最大焊接厚度：70mm 闭环控制系统： 恒扭钜控制（液压）

五、焊接确定：

1、 考虑到铜铝合金焊接时，由于铜的熔点高，且导热性能优异，熔焊时母

材金属很难熔化，填充金属与母材难以实现很好的熔合，易产生未焊透缺陷：焊后晶粒严重，外形严重，外观成形差，残余应力大；接头的热裂纹倾向较快。所以气孔也是铜及其合金熔焊时的缺陷之一。总之采用熔焊不仅能耗大，且工艺要求非常苛刻，不易得到综合性能优异的焊缝。 采用搅拌摩擦焊避免了熔焊方法的诸多缺陷和不足，焊缝外观均匀光滑，无缺陷，相对与熔焊变形较小。

2、 与常规摩擦焊一样，搅拌摩擦焊也是利用摩擦热作为焊接热源。不同之处在于，搅拌摩擦焊焊接过程是由一个圆柱体形状的焊头（welding pin）伸入工件的接缝处，通过焊头的高速旋转，使其与焊接工件材料摩擦，从而使连接部位的材料温度升高软化，同时对材料进行搅拌摩擦来完成焊接的。焊接过程如图1所示。在焊接过程中，工件要刚性固定在背垫上，焊头边高速旋转，边沿工件的接缝与工件相对移动。焊头的突出段伸进材料内部进行摩擦和搅拌，焊头的肩部与工件表面摩擦生热，并用于防止塑性状态材料的溢出，同时可以起到清除表面氧化膜的作用。

图 1搅拌摩擦焊接过程示意图

六、焊接工艺参数确定：

铝合金搅拌摩擦焊的焊接参数 材料 1050 2024-T6 2195

板厚/mm 5 6.5 5.8 转速/(r/min) 560～1840 400～1200 200～250 焊接速度/（mm/min） 155 60 1.59 搅拌摩擦焊焊接参数主要包括焊接速度（搅拌焊头沿焊缝方向的行进速度），搅拌焊头转速，焊接压力，搅拌焊头结构参数，搅拌焊头插入速度和保持时间等。 1、焊接速度：

接头强度与焊接速度的关系并非简单的线性比例关系，而是呈曲线变化。当焊接速度小于160mm/min时，接头强度随焊接速度的提高而增大。 2、搅拌焊头旋转速度：

若焊接速度保持一定，既当焊接速度为定值时，若搅拌焊头的旋转速度较低时，焊接热输入较低，搅拌焊头前方不能形成足够的热塑性材料填充搅拌针后方所形成的空腔，焊缝内易形成孔洞，沟槽等缺陷，从而弱化接头强度。 3、焊接压力

焊接压力除了影响搅拌摩擦生热以外，还对搅拌后的塑性金属起到压紧的作用。试验表明，当焊接压力不足时，表面热塑性金属“上浮”，溢出焊缝表面，焊缝内部由于缺少金属填充而形成孔洞。在焊接过程中，焊头在旋转的同时伸入工件的接缝中，旋转焊头与工件之间的摩擦热，使焊头前面的材料发生强烈塑性变形，然后随着焊头的移动，高度塑性变形的材料流向焊头的背后，从而形成搅拌摩擦焊焊缝。

搅拌摩擦焊对设备的要求并不高，最基本的要求是焊头的旋转运动和工件的相对运动，即使一台铣床也可简单地达到小型平板对接焊的要求。但焊接设备及夹具的刚性是极端重要的。焊头一般采用工具钢制成，焊头的长度一般比要求焊接的深度稍短。

应该指出，搅拌摩擦焊缝结束时在终端留下个匙孔。通常这个匙孔可以切除掉，也可以用其它焊接方法封焊住。

七、操作要点及其安全注意事项：