搅拌摩擦焊实验报告

搅拌摩擦焊实验报告

1. 实验目的

(1) 了解搅拌摩擦焊的基本原理；

(2) 了解搅拌摩擦焊的设备及其工艺流程；

(3) 初步了解焊接工艺参数对搅拌摩擦焊焊缝成形的影响。

2. 实验概述

搅拌摩擦焊方法与常规摩擦焊一样。搅拌摩擦焊也是利用摩擦热与塑性变形热作为焊接热源。不同之处在于搅拌摩擦焊焊接过程是由一个圆柱体或其他形状（如带螺纹圆柱体）的搅拌针(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。

在焊接过程中，搅拌针在旋转的同时伸入工件的接缝中，旋转搅拌头（主要是轴肩）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逐渐沉积在搅拌头的背后，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。搅拌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。针对匙孔问题，已有伸缩式搅拌头研发成功，焊后不会留下焊接匙孔。

焊接过程中也不需要其它焊接消耗材料，如焊条、焊丝、焊剂及保护气体等。唯一消耗的是焊接搅拌头。

同时，由于搅拌摩擦焊接时的温度相对较低，因此焊接后结构的残余应力或变形也较熔化焊小得多。特别是Al合金薄板熔化焊接时，结构的平面外变形是非常明显的，无论是采用无变形焊接技术还是焊后冷、热校形技术，都是很麻烦

的，而且增加了结构的制造成本。

搅拌摩擦焊主要是用在熔化温度较低的有色金属，如Al、cu等合金。这和搅拌头的材料选择及搅拌头的工作寿命有关。当然，这也和有色金属熔化焊接相对困难有关，迫使人们在有色金属焊接时寻找非熔化的焊接方法。对于延性好、容易发生塑性变形的黑色材料，经辅助加热或利用其超塑性，也有可能实现搅拌摩擦焊，但这就要看熔化焊和搅拌摩擦焊哪个技术经济指标更合理来决定。

搅拌摩擦焊在有色金属的连接中已获得成功的应用，但由于焊接方法特点的限制，仅限于结构简单的构件，如平直的结构或圆筒形结构的焊接，而且在焊接过程中工件要有良好的支撑或村垫。原则上，搅拌摩擦焊可进行多种位置焊接，如平焊，立焊，仰焊和俯焊；可完成多种形式的焊接接头，如对接、角接和搭接接头，甚至厚度变化的结构和多层材料的连接，也可进行异种金属材料的焊接。

另外，搅拌摩擦焊作为一种固相焊接方法，焊接前及焊接过程中对环境的污染小。焊前工件无需严格的表面清理准备要求，焊接过程中的摩擦和搅拌可以去除焊件表面的氧化膜，焊接过程中也无烟尘和飞溅．同时噪声低。由于搅拌摩擦焊仅仅是靠焊头旋转并移动，逐步实现整条焊缝的焊接，所以比熔化焊甚至常规摩擦焊更节省能源。

由于搅拌摩擦焊过程中热输入相对于熔焊过程较小，接头部位不存在金属的熔化，是一种固态焊接过程，在合金中保持母材的冶金性能，可以焊接金属基复合材料、快速凝固材料等采用熔焊会有不良反应的材料。其主要优点如下：

(1)焊接接头热影响区显微组织变化小．残余应力比较低，焊接工件不易变形；

(2)能一次完成较长焊缝、大截面、不同位置的焊接．接头高：

(3)操作过程方便实现机械化、自动化，设备简单，能耗低，功效高，对作业环境要求低：

(4)无需添加焊丝，焊铝合金时不需焊前除氧化膜，不需要保护气体，成本低；

(5)可焊热裂纹敏感的材料，适合异种材料焊接：

(6)焊接过程安全、无污染、无烟尘、无辐射等。

搅拌摩擦焊也存在一定的缺点：焊接工件必须刚性固定，反面应有底板；焊接结束搅拌探头提出工件时，焊缝端头形成一个键孔，并且难以对焊缝进行修补：工具设计、过程参数和机械性能数据只在有限的合金范围内可得：在某种情况下，如特殊领域中要考虑腐蚀性能、残余应力和变形时，性能需进一步提高才可实际应用；对板材进行单道连接时，焊速不是很高：搅拌头的磨损消耗太快等。

3. 实验内容

(1) 了解搅拌摩擦焊的基本原理与工艺过程；

(2) 改变工艺参数（搅拌头转速、焊接速度等）进行搅拌摩擦焊实验，材料为铝合金板材；

(3) 对实验后焊缝外表形貌与焊接的工艺参数（搅拌头转速、焊接速度等）的关系进行分析。

4. 实验步骤与注意事项

(1) 理解实验原理：

焊接开始, 当搅拌头的特形指棒全部挤入板件时, 由于摩擦热, 特形指棒周围的金属迅速被加热,并形成了很薄的热塑性金属层, 为了分析方便, 取焊接时特形指棒的任一横截来进行分析。当搅拌头沿着焊件的接缝向前运动时, 在搅拌头的后边就形成了空腔, 由于背面垫板和正面轴肩的密封作用, 在搅拌头转动摩擦力的作用下, 搅拌头前边不断形成的热塑性金属挤压流动, 转移到了搅拌头的后边, 填满了后边的空腔, 空腔的产生与填满几乎同时发生。实际上, 搅拌摩擦焊是一个空腔不断产生、并将空腔填满的一个连续过程, 由于搅拌头的高速旋转,空腔的产生与空腔填满在瞬间完成。这样焊缝区的金属被挤压、摩擦加热, 发生了塑性变形、金属挤压流动转移、扩散和再结晶,就形成了搅拌摩擦焊的焊缝[1]。

(2) 领取待焊板材，用砂纸去除待焊部位的氧化膜，并用无水乙醇清洗；

(3) 装卡板材，用压板、螺栓将两块待焊板材固定在卡具底座上，保证焊接过程中它们不会发生移动；

(4) 通过对刀，使搅拌针与待焊板材的表面恰好接触；

(5) 在机床的数控操作系统中设置焊接参数（搅拌头旋转速度、焊接速度和下压量），参数设置好之后可以进行焊接；

(6) 观察焊缝的外观，分析焊接参数对于焊缝成形的影响。