十二、如何進(jìn)行鋁合金角接結(jié)構(gòu)的攪拌摩擦焊？

攪拌摩擦焊多用于平板對(duì)接結(jié)構(gòu)。目前，對(duì)于0.8～75mm厚的鋁合金都可以采用攪拌摩擦焊接。但實(shí)際工程應(yīng)用中大多數(shù)工程焊接結(jié)構(gòu)是采用型材或板材以角接方式構(gòu)成的，由于攪拌摩擦焊主要是由軸肩與被焊接面摩擦產(chǎn)生熱量，因此攪拌摩擦焊在角接結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用受限制，甚至根本就不能直接進(jìn)行角接結(jié)構(gòu)的攪拌摩擦焊接。

為擴(kuò)大攪拌摩擦焊的應(yīng)用，美國(guó)Trapp等人發(fā)明了一項(xiàng)L形和T形角接焊接時(shí)的專利；日本Katsuaki等人為了解決用攪拌摩擦焊焊接工字型材料的問題，采用了輔助的三角墊塊來填充焊接部位；日本有一項(xiàng)發(fā)明專利提出了一種從角接縫內(nèi)側(cè)（夾角<180°一側(cè)）設(shè)一具有三角形斷面的工藝墊塊，填平焊接內(nèi)夾角，焊接時(shí)攪棒穿過工藝墊塊進(jìn)入焊件接縫，臺(tái)肩則與墊塊表面摩擦，從而實(shí)現(xiàn)角接攪拌摩擦焊接。在國(guó)內(nèi)，許多院校、研究機(jī)構(gòu)也開展了攪拌摩擦焊焊接不同結(jié)構(gòu)的研究。其中，中南大學(xué)采用一種新型的外側(cè)角接焊接的方法，對(duì)2519鋁合金進(jìn)行了攪拌摩擦焊角接結(jié)構(gòu)的焊接。實(shí)踐證明，此方法可以對(duì)任意角度的焊件進(jìn)行攪拌摩擦焊焊接，在工程中具有很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

利用攪拌摩擦焊焊接角焊縫一般需要在待焊接件角部外側(cè)鑲拼輔助工藝墊塊，使之在待焊部位構(gòu)成任意角度的角接焊縫，頂部形成平面結(jié)構(gòu)，以此來滿足攪拌摩擦焊工藝對(duì)焊接部位的特殊要求。該角接焊接法能從封閉或半封閉角接構(gòu)件外側(cè)焊接，工作原理如圖1-20所示。

圖1-20中，假如待焊的焊件1、5的角接半角為α，則實(shí)際焊接的夾角就為2α。焊接后，把待焊工件1和5焊接起來，然后將形成平面結(jié)構(gòu)的工藝輔助墊塊2、4加工成角度為β的坡口，并使α+β=90°。

焊接中，采用輔助墊塊的主要作用是通過角度的拼接，形成攪拌摩擦焊所需的臺(tái)肩摩擦平面，把成角度的攪拌摩擦焊轉(zhuǎn)化為平板對(duì)接焊，通過攪拌頭3與墊塊2、4組成的表面摩擦，把產(chǎn)生的熱傳遞給實(shí)際待焊件。攪拌頭3通過與墊塊2、4組成的平面摩擦產(chǎn)生熱量傳遞到焊接板上，使焊接板在一定的區(qū)域金屬塑化達(dá)到可以攪拌的狀況，然后在其攪棒的攪拌作用下完成攪拌摩擦焊。焊完后去除工藝墊塊2和4，即可得到攪拌摩擦焊角接頭。

以22mm厚的2519高強(qiáng)度鋁合金為例，采取以上方法進(jìn)行攪拌摩擦焊。2519鋁合金的主要成分及力學(xué)性能見表1-6與表1-7。焊接時(shí)的焊接角度采用120°，如圖1-21所示，焊縫深約為25mm。攪拌頭參數(shù)為軸肩35mm，攪拌針直徑12mm，底部直徑調(diào)整變化，長(zhǎng)度23mm，夾具采用自制專用角接焊接夾具。焊接中在不同形狀攪拌針與旋轉(zhuǎn)頻率和進(jìn)給量之間進(jìn)行組合匹配。

在焊接過程中，不同的攪拌摩擦焊工藝參數(shù)得到的焊接接頭質(zhì)量有很大差異，尤其是在厚板焊接時(shí)工藝參數(shù)的影響尤為明顯。在工藝參數(shù)中，影響攪拌摩擦焊接頭質(zhì)量的主要參數(shù)有軸肩直徑大小、攪拌針形狀、旋轉(zhuǎn)頻率及焊接速度。實(shí)踐證明，攪拌頭參數(shù)為軸肩35mm、攪拌針直徑12mm、底部直徑3.5mm、長(zhǎng)度23mm、旋轉(zhuǎn)頻率為30～40r/s、焊接速度在90～120mm/min的范圍內(nèi)都可以獲得良好的接頭外觀。

焊接過程中，不同形狀的攪拌針對(duì)能否獲得良好的焊縫質(zhì)量至關(guān)重要。攪拌針底部直徑過小時(shí)，如果焊接工藝不當(dāng)，靠近攪拌針底部因?yàn)閿嚢栳樦睆竭^細(xì)經(jīng)常會(huì)發(fā)生剪切斷裂；攪拌針底部直徑過大或者旋轉(zhuǎn)頻率過低時(shí)，焊縫區(qū)域材料流動(dòng)不充分，所受阻力過大，攪拌針會(huì)被從靠近軸肩的地方剪斷。

經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)證實(shí)，焊接時(shí)底部采用直徑3.5mm的攪拌針焊接效果比較好。由于是厚板角接焊縫的焊接，所以當(dāng)旋轉(zhuǎn)頻率低于20r/s時(shí)，焊接時(shí)溫度過低，軸肩溫度低于220℃，材料黏度過大，流動(dòng)不充分，所受阻力較大，底部容易出現(xiàn)空洞，同時(shí)攪拌針也容易斷裂。

攪拌摩擦焊角接焊接2519高強(qiáng)鋁合金的宏觀組織如圖1-22所示。從圖1-22中可以看到，試樣截面攪拌摩擦焊接區(qū)與母材區(qū)的明顯交界，呈現(xiàn)“U”字形特征，焊縫中宏觀組織的光澤存在明暗差異，存在以焊縫中心大致對(duì)稱較明顯的界線，這是由焊縫中組織的構(gòu)成、形貌、走向等的變化引起的，據(jù)此可將焊縫分為三個(gè)區(qū)：焊核區(qū)（WNZ）、熱力影響區(qū)（TMAZ）和熱影響區(qū)（HAZ）。

圖1-23～圖1-26分別是某研究單位給出的母材區(qū)、焊核區(qū)、熱力影響區(qū)、熱影響區(qū)四個(gè)區(qū)的金相微觀組織。焊核區(qū)位于焊縫的中間部位，底部形狀大小與攪拌頭實(shí)際尺寸比較接近，上部靠近軸肩部分由于受軸肩和攪拌針的機(jī)械攪拌以及劇烈摩擦產(chǎn)生的局部高溫，組織發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，變成了比母材組織更為細(xì)小的等軸晶組織，如圖1-24所示。

焊接后，2519鋁合金接頭的硬度分布如圖1-27所示。圖中，A區(qū)為焊核區(qū)，B區(qū)為熱力影響區(qū)與熱影響區(qū)，C區(qū)為母材區(qū)。由圖1-27可見，2519鋁合金攪拌摩擦焊接頭接頭的斷面硬度呈U形分布，從熱影響區(qū)到焊核區(qū)硬度值都出現(xiàn)不同程度的降低，焊核區(qū)力學(xué)性能下降最大，硬度下降了大約40％。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是由于焊核區(qū)距離攪拌頭較近，焊核區(qū)硬度下降與焊接過程中受攪拌頭高速旋轉(zhuǎn)的攪拌作用有關(guān)。即焊接時(shí)，由于攪拌頭在焊核區(qū)高速旋轉(zhuǎn)的攪拌作用比較強(qiáng)烈，因此焊核區(qū)的局部溫度比較高，基材組織完全被破壞，高溫下此區(qū)的組織發(fā)生了完全的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，因此該區(qū)的組織細(xì)小、硬度下降最多。

采取以上措施進(jìn)行角接結(jié)構(gòu)的焊接結(jié)果表明，采用外側(cè)加輔助墊塊的方法進(jìn)行角接輔助焊接，能夠變角接結(jié)構(gòu)為平焊位置的焊接，能有效的對(duì)角接結(jié)構(gòu)進(jìn)行攪拌摩擦焊焊接。在焊接過程中，選擇合理的焊接工藝和攪拌針形狀決定著焊接的成敗和接頭的性能。一般情況下，旋轉(zhuǎn)頻率在30～40rad/s、焊接速度在90～120mm/min范圍內(nèi)都可以獲得良好的角焊縫的攪拌摩擦焊接接頭。