2425铝合金的搅拌摩擦焊工艺研究

赵云科

（化铣）、1.6mm和2.0mm三种规格的铝合金2024T3、2524T3板材的对接与7050型材搭接结构进行搅拌摩擦焊焊接试验件制备，铆接试验，焊接和铆接后试样表面处理及机械性能检测，通过进行各项工艺试验，不断改进工艺参数，以得出最佳焊接工艺参数指导生产。

关键词：搅拌摩擦焊；2425铝合金；接头性能

铝及铝合金焊接时，很容易产生气孔、热裂纹等缺陷，焊接时必须注意的问题。对于热处理型铝合金来说，必须避免在焊接时热影响区产生软化，强度降低的问题。为了解决铝及铝合金熔化焊时出现的以上问题，研制出一种新的固相焊接方法，即搅拌摩擦焊。搅拌摩擦焊焊接工艺是借助专用的高刚性精密焊接设备， 焊接工艺参数少，机械化全自動过程控制， 避免了人为因素的影响，焊接质量稳定， 同时具有良好的静力， 疲劳， 耐久性/损伤容限性能以及检测维修性能。

搅拌摩擦焊接具有较低的焊接温度和较小的热输入， 焊接过程中材料不熔化。焊接接头变形小， 焊接性能优异等特点被广泛关注. 搅拌摩擦焊可以实现各类同种或异种高强铝合金的优质可靠连接。采用搅拌摩擦焊进行飞机高强铝合金整体结构的连接， 可以大大提高材料的利用率。减少零件数量和结构重量。降低制造成本， 搅拌摩擦焊开辟了高强铝合金高质量焊接的新途径。引起了世界各国航空航天界的高度重视。

1 搅拌摩擦焊工艺研究内容

本课题主要对1.3mm（化铣）、1.6mm和2.0mm三种规格的铝合金2024T3， 2524T3板材的对接和与7050型材搭接结构进行搅拌摩擦焊焊接试验件制备、铆接试验、焊接和铆接后试样表面处理及机械性能检测，通过进行各项工艺试验，不断改进工艺参数， 以得出最佳焊接工艺参数。

1.1 焊接专用试板的制备

试验采用1.3mm、1.6mm、2.0mm厚的2024T3铝合金材料， 表面包铝层厚度为0.06mm、1.6mm、2.0mm厚的2524 T3铝合金板料， Z型长桁7050T76511材料。

1.2 搅拌摩擦焊焊接

（1）试验用搅拌头的选择。

对2024T3薄板搅拌摩擦焊对接进行优选，主要包括对搅拌头的优选和焊接参数的优选。试验所用的搅拌头外形基本相似， 轴肩均为内凹型，焊接厚度≤6mm材料所用的搅拌针没有螺纹， 而焊接厚度为2.0mm的搅拌针上带有螺纹。除此之外， 轴肩直径和搅拌针的形状不同， 其中轴肩直径主要有四种：10mm、 8mm、6mm和4mm， 搅拌针的形状主要有普通圆顶、多边形。

（2）焊前试样处理。

焊前对试件各侧面进行铣切加工，保证各面平直度0.1mm， 采用机械打磨法对试件焊接面和搭接面进行砂轮打磨， 去除试件表面氧化膜： 用丙酮/酒精擦洗待焊区50mm内。

（3）焊接装夹。

焊接装夹定位方式： 采用压板式装夹固定待焊件， 两焊件接缝贴紧、对齐、压平， 板材局部间隙控制在02mm以内，接缝底部采用垫板进行刚性支撑， 焊件两侧通过工装夹具施加压紧力和侧向顶紧力， 使焊件定位、夹紧。

在焊接试件安装过程中， 检查搅拌头接缝对中情况， 并调整对中偏差， 对薄板试验， 选择对中偏差在全长范围内应小于0.45mm。焊接工艺参数的初步确定及焊接过程： 搅拌摩擦焊工艺参数主要有搅拌头的倾角、搅拌头的旋转速度、搅拌头的插入深度、焊接速度、焊接压力等。

（4）1.3mm化铣2024T3搅拌摩擦焊接参数优化及接头性能。

针对该材料， 主要使用了三种搅拌头在不同参数下进行搅拌摩擦焊接并对接头进行力学性能检测，从而优选出搅拌头和焊接参数。

由于1.3mm厚的2024 T3试板较薄，试验中所用的搅拌头轴肩直径都较小（4mm、6mm）， 因此在选择焊接参数时，转速较高，主要目的在于通过减小轴肩尺寸来降低对接接头的软化作用，通过选择高转速以保证焊接过程中需要的热量，同时增加对材料的搅拌作用，使晶粒更细化。

（5）焊接参数优化结论

a）根部弱连接缺陷是焊接过程中焊缝底部的一层金属没有形成可靠连接， 它和搅拌针长度， 压入量和焊缝的热输入有关。该缺陷使焊缝的拉伸性能下降，同时背弯弯曲角度很小。

b）使用相同的搅拌头， 当焊接参数不变时， 随着压入量的增加， 焊核逐渐下移， 焊接深度增加， 焊缝底部有一层金属未形成连接， 造成未焊透缺陷， 逐渐到成型部分可靠连接，最后形成完全连接。

c）在焊接参数和压入量不变的情况下。随着搅拌针长度的增加，根部弱连接缺陷减小， 焊缝的拉伸性能逐渐提高。

d）在搅拌头、压入量与焊接速度相同的情况下， 增加焊接旋转速度， 焊缝的热输入增加， 焊缝底层金属受热达到塑性状态，流动性增强。 在搅拌针的带动下， 卷入焊缝中， 形成可靠的连接， 根部弱连接缺陷消失， 但转速不能过高， 否则焊缝上下两部分由于受热不均匀会出现分层，导致焊缝性能下降。

2 结论

（1）焊缝表面目视检查。

所有FSW焊接试件经目视检查， 焊缝表面颜色光亮， 基本没有变色， 没有出现过热， 污染或裂纹之类的有害缺陷。

（2）X光检测。

采用工业X射线探伤机， 对所有试件进行了X光检测，检查结果表明： 搅拌摩擦焊焊缝基本不存在常规熔焊气孔， 内部裂纹等缺陷， 可明显改善铝合金接头的疲劳性能。本次试验件经X光检测后符合标准。

（3）扩展应用。

经过本次试验， 1.3mm、1.6mm、2.0mm厚的2024T3铝合金材料使用搅拌摩擦焊焊接， 性能稳定， 焊缝强度达到设计要求，为新材料、新工艺的发展做好工艺基础。

3 结语

搅拌摩擦焊技术在世界各国突然兴起，得到广泛的关注和深入的研究，并向生产适用化发展，特别是针对铝合金材料，在诸多制造工业领域得到了成功应用。搅拌摩擦焊由于它是一种固相连接，所以与其他焊接方法相比具有很多的优越性。搅拌摩擦焊是一种高效、节能的连接方法。

对于铝合金材料的搅拌摩擦焊，焊接过程不需要填充焊丝和惰性气体保护；焊前不需要开坡口和对材料表面作特殊的处理。搅拌摩擦焊是一种安全的焊接方法，与熔焊方法相比，搅拌摩擦焊过程没有飞溅、烟尘、以及弧光的红外线或紫外线等有害辐射对人体的危害等。

随着搅拌摩擦焊技术的研究和发展，搅拌摩擦焊在应用领域的限制得到很好解决。

参考文献：

[1]栾国红.飞机制造中的搅拌摩擦焊技术及其发展.北京航空制造工程研究所.