铝合金薄板FSW焊接变形及工艺对策

因焊接 面温度 高于周边 而产生 的形 变量也较 大 ，于是 冷却 后焊接 区域就产 生一个偏 心拉应力 ，该力可使 焊接 口发 生 偏转而造成焊件纵 向挠 曲。 失稳变形 的根本 原 因主要 是远离焊缝 区域失稳 的临界 应力 不足以抵抗残余压应力 ，从而导致焊件 的变形 。
错 边变形则 是 因为两边 的焊接板不在 同一水平 面而普
样一拉 一压 导致 焊件严重变形 。 挠 曲变 形 主要 是 由接 头及 其 附 近 区域 的金 属 受热 膨 胀 ，受到 附近延板长度 、宽度 和厚度方 向较低温度 的阻碍 并产 生挤压 ，导致焊 接板 纵 向塑性 变应力 的分布不 均匀 。 由于焊接过程 中焊缝 中央的温度 明显 高于 焊件周边 ，这样
将对它们做统一的分析 。
有实验初 步显示 ，通 过手动 喷水 的方法 可以从一定程 度 上减轻热致 变形 ，但 变形依然存 在。 因此本 文认为很可
能是热和力的同时作用而导致焊件的变形 。
方法或 设备减少 这些变形 的发生 ， 成 了更 多工 程机构关键
的问题 。
下 面将具体介 绍存在 的 四种诱发 机制 ，前 两种是热致 变形诱 发机 制 ，是搅 拌摩 擦焊变形 的主要原因 ： （ １ ） 接头 中间与 四周产生温度差导致残余应力 。焊接 头 中间温度高 ，向四周 降低 ，受热膨 胀 ，产生非 均匀 的应 变 场。焊接完成 后 ，焊接 区及其 附近区域受残余 拉应力 的 影 响 ，由于残余 压应力在厚 度上不均 匀的分布 ，造成焊件 挠 曲变形 。而远 离焊接 区的区域则受 残余 压应力作 用 ，使 焊件无法控制而失稳变形 。
固作用 ， 一 般不会 随着拉伸 而使 之变形 。焊接后 又 由于冷 却 作用 ， 焊 接 口及其 附近 区域 发生收缩 ，抵消之前 的拉伸 量 ，但仍 略微 向里 收缩 。在焊 接 口及其 附近 区域 ，由于外
界 对焊件产 生 的变形 而产生 的残 留应力 以纵 向拉应 力表现
出来 ，在远 离焊接 口区域 ，则表 现 出纵 向残 留压应 力 ，这
（ ２）接头两边的温度不相 同而致变形 。搅拌摩擦焊焊
２ 铝 合金薄板焊接变形的变形机理探 究
２ ． １ 焊接变形的根本原因 在Ｆ Ｓ Ｗ焊 接过程 中 ，由于焊 接 的热度 和焊 接后 的冷却 作 用 ，先后 使 薄板 等 焊件 产生 热 胀冷 缩效 应 。焊 接 阶段 被 焊部位 附近 区域 受热 向两侧延 伸 ，而远离 的部位 由于 紧
通 的搅拌摩 擦焊工艺 又恰对此 有严格要求 ，于是焊 件就发
生 的错边变形 。这种 变形形式 一般 在焊接初 期 出现 ，往往
变形的表象。其本质是残余应力 ，诱发机制是根源 ， 要想
中图分类 号 ：ＴＧ ４ ０ ７ 文献标 识码 ：Ａ 文章编 号 ：１ ０ ０ ９ — ２ ３ ７ ４（ ２ ０ １ ３）１ ５ — ０ ０ ７ ３ — ０ ２
１ 铝合金薄板 焊接变形的常见形式
根 据铝合金 薄板搅拌 摩擦焊 的初步实 验 ，主要 出现 以
下三种变形形式 ：挠曲变形 、失稳变形和错边变形 。
接 时 ，焊头高速旋 转 ，导致 接 口两边 由于时 间先后差 异 ， 温度也 不相对称 ，焊头前进 侧高于返 回侧 ，膨胀不 同 ，焊 件冷却后 ，收缩量也不 同，从而导致失稳变形 的发生 。
（ ３ ）焊接 力导致 弹塑 性形 变 。使 用普 通 的搅拌摩 擦 焊焊接 时 ，焊头 的转动带动周 边金属 的流动 ，形成一 个环 形流变 场。焊接 口两侧方 向相反 ，变形方 向也相反 ，前进 侧纵 向拉 伸 ，返 回侧则 向后挤压 ，而焊接 产生的塑像 流变
抵消焊件本 身 的弹性 变形后 ， 仍 保 留着一个 变形 的痕 迹。 于是 当焊接 完成后 ，可 以看到焊 件有 明显 的部分弹塑性形 变， 加 剧了失稳变形造成的影响 。 （ ４ ） 金属流变阻力和焊接牵 引力 同时作用导致变形 。 焊 接时 ，纵 向产 生焊接牵 引力 ，导致 金属材料 出于纵 向拉 伸状 态 ，同时产 生塑性变形 。焊接完 成后 ，牵 引力消失 ， 焊缝 中间下压 ，两端 略微 向外拉伸 。 不管是 挠 曲变形 、失稳变形 还是错边 变形 ，都 是焊接
是导致焊接无法继续而返工 的主要 因素 。
２ ＿ ２ 焊接变形 的诱发机制 以上三种 变形虽然 原因各不相 同 ，生活 中往往非单 独 出现 ，且很 难 区别 开 ，由于诱发 机制也近相 似 ，因此本 文
在 铝合金薄 板 中，挠 曲变形 和失 稳变形往 往伴 随着发 生 。挠 曲变形 一 般是 向两侧 延伸 ；发生 失稳 变 形 的薄 板 其大小 和稳定性 都会与 正常 的产生差 异 ；焊 接后两边 板材 不在 同一水平 面上 ，发生错 边 ，一旦 对 口错边 或焊接后错 边 ，都 将造成不 必要 的人力 物力损失 。因此 ，研究 出新 的
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（ 总 第 ２ ５ ８ 期）
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（ Ｃｕ ｍｕBiblioteka ｌ ａ ｔ ｉ ｖ ｅ ｔ ｙ ＮＯ． ２ ５ ８）
铝 合金薄板Ｆ Ｓ Ｗ 焊接 变形及 工艺 对策
毕应利
（ 北 方工业 学校 ，辽 宁 盘锦 １ ２ ４ ０ ２ １ ）
摘要 ：目前普通的搅拌摩擦焊工艺已经改善 了之前薄板烧穿和接头强度不足等缺点，但仍然可以使金属薄板 焊接变形。文章通过分析铝合金薄板Ｆ Ｓ Ｗ的焊接过程造成变形的机理 ，从本质上找 出原 因，提 出相 关的工艺 对策，如随焊水冷、超声波搅拌等 ，有效地避免焊接 变形带来的损失。 关键 词 ：铝合金 薄板 ；焊接 变形 ；随焊水冷