【文章內(nèi)容簡介】 交通工具制造領域有很大的應用潛力。隨著世界各國對汽車排放的要求越來越高，實現(xiàn)汽車輕量化以提高燃油效率，降低污染水平是汽車制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢。因此，鎂合金在汽車制造業(yè)尤其具有吸引力。一、攪拌摩擦焊的特點攪拌摩擦焊技術的優(yōu)點[1617]攪拌摩擦焊接時，高速旋轉的摩擦頭（由軸肩和攪拌針組成）在軸向壓力的作用下與工件緊密接觸，通過摩擦產(chǎn)生熱量使焊接區(qū)的金屬發(fā)生軟化，在攪拌針機械攪拌的作用下金屬發(fā)生流動，同時攪拌頭沿著焊接方向移動，從而實現(xiàn)工件的連接。與傳統(tǒng)的熔焊和釬焊相比，攪拌摩擦焊的加工溫度低，不發(fā)生金屬熔化，是一種固態(tài)連接技術。攪拌摩擦焊具有以下技術優(yōu)點：1）、焊接接頭質(zhì)量高，不易產(chǎn)生缺陷。焊縫是在塑性狀態(tài)下受擠壓完成的，屬于固相連接，避免了熔焊時熔池凝固過程中產(chǎn)生裂紋、氣孔等缺陷。2）、不受軸類零件的限制，可進行平板的對接和搭接，可焊接直焊縫、角焊縫及環(huán)焊縫，可進行大型框架結構及大型筒體制造、大型平板對接等。3）、便于機械化、自動化操作，質(zhì)量比較穩(wěn)定，重復性高。4）、焊接成本較低，不用填充材料，也不用保護氣體。厚焊接件邊緣不用加工坡口。焊接鋁材工件不用去除氧化膜，只需去除油污即可。對接時允許留一定間隙，不苛求裝配精度。5）、焊件有剛性固定，且固相焊接時加熱溫度較低，故焊件不易變形。這點對較薄鋁合金結構的焊接極為有利，這是熔焊方法難以做到的。6）、安全、無污染、無熔化、無飛濺、無煙塵、無輻射、無噪聲、沒有嚴重的電磁干擾及有害物質(zhì)的產(chǎn)生，是一種環(huán)保型連接方法。攪拌摩擦焊接技術的缺點1）、不同的結構需要不同的工裝夾具，設備的靈活性差。2）、如不采用專門的攪拌頭，焊接結束后攪拌頭退出時在焊縫末端會產(chǎn)生凹坑，需要用其他焊接方法補焊。3）、目前焊接速度不高。4）、焊縫背面需要有墊板，在封閉結構中墊板的取出比較困難。二、攪拌摩擦焊的現(xiàn)狀及發(fā)展從材料角度看，TWI最初研究了攪拌摩擦焊在鋁合金中的應用[1819]。攪拌摩擦焊已成功焊接T2000系列(AlCu),5000系列(AIMg), 6000系列(AlMgSi), 7000系列(AIZn), 8000系列(AlLi)等鋁合金。TWI在1997年完成了使鋁合金的攪拌摩擦焊進入工業(yè)應用階段的初步研究工作。英國劍橋焊接研究所，還研究了攪拌摩擦焊在鈦合金中的應用。TWI對Ti6Al4V等的研究結果表明，采用攪拌摩擦焊技術焊接鈦合金可以得到高質(zhì)量的鈦合金焊縫，且焊接速度快、成本低、效益好、操作簡單。TWI也對攪拌摩擦焊在鋅材料中的應用進行了研究。研究結果表明，攪拌摩擦焊能夠用于焊接比較薄的鋅板(一種被認為難以進行熔化焊的材料)。TWI還于1998年11月開始研究攪拌摩擦焊,在厚達lOmm以上的鋼及不銹鋼中的應用。低碳鋼攪拌摩擦焊的研究結果表明，對于黑色金屬也是能夠采用攪拌摩擦焊的。TWI采用攪拌摩擦焊已經(jīng)成功地焊接了25mm厚的碳鋼板以及l(fā)m長、12mm厚的含鉻12%的低碳鋼的雙邊對接焊縫，獲得了滿意的綜合力學性能。用攪拌摩擦焊焊接比較薄的鋼板時不需要用焊接材料，不需要進行板材邊緣預整加工，這對工業(yè)化生產(chǎn)時降低成本和提高生產(chǎn)效率具有重大意義。國內(nèi)北京航空工藝研究所于1998年開始進行攪拌摩擦焊的探索性研究。南昌航空工業(yè)學院己用現(xiàn)有設備焊接了鋁合金對接接頭、丁字接頭，取得了較好效果。最近兩年，六二五所也己從工藝及設備方面進行研究。此外，隨著攪拌摩擦焊應用的日益廣泛，曲面零件的攪拌摩擦焊也是重要的研究課題之一。攪拌摩擦焊工藝是自激光焊接問世以來最引人注目的焊接方法，它的出現(xiàn)將使鋁合金等有色金屬的連接技術發(fā)生重大變革。目前，用攪拌摩擦焊方法焊接鋁合金取得了很好的效果，現(xiàn)在英、美等國正進行鋅、銅、欽、低碳鋼、復合材料等的攪拌摩擦焊接。EWI(美國愛迪生焊接學會)甚至指出攪拌摩擦焊有希望焊接鎳合金。為了充分發(fā)揮攪拌摩擦焊的優(yōu)點，提高焊接速度，提高焊接質(zhì)量，有必要進行高速攪拌摩擦焊的研究三、攪拌摩擦焊焊接參數(shù)對接頭成形的影響 攪拌摩擦焊參數(shù)主要包括：焊接速度、旋轉速度、攪拌頭傾角、軸肩壓力[20]。（一） 焊接速度圖110 焊接速度對攪拌摩擦焊鎂合金接頭強度的影響由圖110可見，接頭強度隨著焊接速度的提高并非單調(diào)變化，而是存在峰值。當焊接速度小于160mm/min時,接頭強度隨著焊接速度的提高而增大，等于160mm/min時達到381MPa的最大值。從焊接熱輸入可知，當旋轉速度為定值，焊接速度較底時，攪拌頭與焊件界面的整體摩擦熱輸入較高。如果焊接速度過高，使塑性軟化材料，填充攪拌針行走所形成的空腔的能力變?nèi)?，軟化材料填充空腔的能力不足，焊縫內(nèi)易形成一條狹長且平行于焊接方向的疏松的缺陷，嚴重時焊縫表面形成一條狹長且平行于焊接方向的隧道溝，導致接頭強度大幅度降低。焊接速度等于120mm/min時，焊核區(qū)與熱機械影響區(qū)界面形成較大的空洞缺陷，接頭強度僅為336MPa.(二)旋轉頭轉速 圖111 旋轉速度對攪拌摩擦焊接鎂合金接頭強度的影響保持焊接速度一定，改變攪拌頭旋轉速度進行試驗，結果表明旋轉速度較底時，不能形成良好的焊縫，攪拌頭的后邊有一條焊溝槽。隨著旋轉速度的增加，溝槽的寬度減小，當旋轉速度提高到一定數(shù)值時，焊縫外觀良好，內(nèi)部的孔洞也減小，旋轉速度提高到一定數(shù)值時，焊縫外觀良好，內(nèi)部的孔洞逐漸消失。在合適的旋轉速度下焊接接頭才能獲得最佳強度。攪拌頭旋轉速度是通過改變焊接熱輸入和軟化材料流動來影響接頭微觀結構，進而影響接頭的強度。當焊接速度為定值、旋轉速度較底，焊接熱輸入較底，攪拌頭前方不能形成足夠的軟化材料填充攪拌頭后方的空腔，焊縫內(nèi)易形成孔洞缺陷，從而弱化接頭的強度，轉速提高，焊接峰值溫度增加，因而在一定范圍內(nèi)提高旋轉速度，熱輸入增加，有利于提高軟化材料填充空腔的能力，避免接頭內(nèi)缺陷的形成，接頭內(nèi)無缺陷。（三）攪拌頭傾角[21]攪拌頭是攪拌摩擦焊的核心，設計合理的攪拌頭是提高焊接質(zhì)量、獲得高性能接頭的前提和關鍵。攪拌頭主要由軸肩和攪拌針兩部分構成，其幾何形貌和尺寸不僅決定著焊接過程的熱輸入，還影響焊接過程中攪拌頭附近塑性軟化材料的流動形式。軸肩的作用一是：防止塑性軟化材料溢出，二是：提供焊接熱源。高速旋轉的軸肩和工件表面之間的相互摩擦能夠產(chǎn)生大量熱，當焊接薄板時，這是主要的產(chǎn)熱方式，對于厚板攪拌摩擦焊，軸肩與工件之間的摩擦不能提供足夠的熱量，此時更多的熱量由高速旋轉的攪拌針和工件之間相互摩擦產(chǎn)生。除了提供焊接熱量外，攪拌針可以保證焊縫區(qū)的材料在焊接過程中得到充分攪拌，還可以控制攪拌針周圍塑性材料的流動方向。人們已研制出各種形式的攪拌針，以適應各種狀態(tài)，主要有以下幾種：1）、柱形光頭攪拌針 在攪拌摩擦焊工藝應用的初期，柱形光頭攪拌針應用較為廣泛，但在焊接過程中，攪拌針周圍的軟化材料受到指向焊縫根部的力較弱，軟化材料的流動性差，導致焊后接頭性能較差，而且攪拌針容易斷裂。2)、錐形螺紋攪拌針和三槽錐形螺紋攪拌針在保證攪拌針的性能不受影響的前提下，應使攪拌針頂端直徑盡量小，這樣可以使平截頭體形式的攪拌針比圓柱形攪拌針更容易穿越塑化的材料。因此錐形螺紋攪拌針(Whorl)（如圖112）和三槽錐形螺紋攪拌針(MxTriflute)（如圖113）都被設計成平。 圖112 錐形螺紋攪拌針 圖113 三槽錐形螺紋攪拌針其中Whorl形式的攪拌針可以減少60%的轉移體積，MxTriflute形式的攪拌針可以減少70%的轉移體積。減少攪拌針體積和改變其設計形式都可以顯著改善焊縫的機械性能。Whorl形式的攪拌針上面有螺脊，螺脊之間的間隔大于螺脊本身的寬度，可以保證塑化材料有較好的流動性。若在螺脊上加上凹槽，則可以進一步提高塑化材料的流動性。當焊接不同的材料時，螺脊的傾角是不同的，通過改變傾角可以控制材料向下運動的幅度。MxTriflute形式的攪拌針錐面上開有三個螺旋形的槽，也是為了減小攪拌針的體積，增加塑化材料的流動性，同時可以攪碎附著于焊件表面的氧化物[2223]。 攪拌摩擦焊接時，一般都使攪拌頭向后傾斜，以此對焊縫施加壓力。所謂攪拌頭傾角是指攪拌頭與焊接工件法線的夾角，它表示向后傾斜的程度，對于鎂合金在n=800r/min,v=160mm/min的條件下，攪拌頭傾角對焊接力學性能的影響如圖114。仰角θ=1176。時。；當1176?！堞取?176。時，接頭強度隨仰角增大而迅速上升；當2176?！堞取?176。時，接頭強度隨著仰角增大而呈緩慢上升趨勢，并于θ=5176。達到411Mpa最大值；當θ≥5176。時，接頭強度隨著仰角增大而降低?？估瓘姸?MPa28030032034036038040042012345攪拌頭傾角(度)圖114 攪拌頭傾角對攪拌摩擦焊接鎂合金接頭強度的影響 傾角主要是通過改變接頭致密性、軟化材料填充能力、熱循環(huán)和殘余應力來影響接頭的性能。如果傾角較底，由于軸肩壓力不夠，軸肩下方軟化材料填充空腔的能力較弱，焊核區(qū)/熱機械影響區(qū)界面處易形成孔洞缺陷，導接頭強度較底。若傾角增大，焊接熱作用程度增大。（四）軸肩壓力 軸肩壓力除了影響攪拌摩擦產(chǎn)熱以外，還對攪拌后的塑性金屬施加壓緊力。試驗表明，軸肩壓力主要影響焊縫成形。壓緊程度偏小時，熱塑性金屬“上浮”溢出焊縫表面，焊縫內(nèi)部則由于缺少金屬填充而形成孔洞。如果壓緊程度偏大，軸肩與焊件的摩擦力增大，摩擦熱容易使軸肩平臺發(fā)生粘附現(xiàn)象，焊件兩側出現(xiàn)飛邊和毛刺，焊縫中心下凹量較大，不能形成良好的焊接接頭。 本課題的意義與主要內(nèi)容鎂合金密度小，比強度、比剛度高，還具有散熱性、屏蔽性好等特點，在航空、航天、汽車制造和交通運輸?shù)刃袠I(yè)應用前景廣闊，近年來對鎂合金的研發(fā)、運用得到非?？焖俚陌l(fā)展。在鎂合金的應用焊接的過程中，由于鎂合金熔點低、線膨脹系數(shù)和導熱系數(shù)高，對氧親合力高，導致鎂合金的焊接性差，常規(guī)的焊接方法難以獲得良好的焊接接頭。攪拌摩擦焊作為一種新型的低熔點有色金屬連接工藝，在鎂合金的焊接方面具有得天獨厚的優(yōu)勢。在對鎂合金的攪拌摩擦焊方面，鎂合金攪拌摩擦焊的最優(yōu)工藝參數(shù)的選擇范圍較窄。因此，優(yōu)化工藝參數(shù)，分析不同參數(shù)變化對組織和力學性能的影響，對于鎂合金攪拌摩擦焊縫組織與性能的研究具有重要的意義和實用價值。通過課題的研究，可進一步掌握關于焊接方面的知識；其次是培養(yǎng)自己的初步科研能力。本課題主要進行的是鎂合金攪拌摩擦焊縫組織與性能研究。課題中母材選擇的是AZ31鎂合金，因此為了成功的將AZ31鎂合金進行焊接，實驗要求選擇合適的焊接工藝參數(shù)進行焊接，進而對其焊縫進行金相分析、掃描電鏡實驗以及硬度測試。AZ31鎂合金的攪拌摩擦焊接研究焊接工藝參數(shù)對焊縫組織和力學性能的影響試樣制備掃描電鏡實驗顯微硬度實驗金相實驗工藝參數(shù)對焊接缺陷的影響工藝參數(shù)對組織的影響工藝參數(shù)對性能的影響總結，分析第二章 試驗材料及試驗方法鎂合金的成功連接是其在各種領域廣泛使用的前提。本文主要研究AZ31鎂合金攪拌摩擦焊接接頭的組織形態(tài)。試驗設備采用北京賽福斯特公司研制的龍門式數(shù)控攪拌摩擦焊機，（如圖2圖22）工作臺規(guī)格1500mmX9200mm,是中國自行研制的第一臺攪拌摩擦焊接設備，可用于直焊縫和環(huán)焊縫，具有控制精度高、焊接工藝重復性好等優(yōu)點。焊接速度和旋轉速度均可無級調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍分別為0到1330mm/min和100到3000r/min。焊接壓力的調(diào)節(jié)根據(jù)攪拌頭扎入深度進行調(diào)節(jié)。傾斜角度范圍為0176。到5176。圖21 焊接設備全貌 圖22 攪拌摩擦焊機控制面板試驗用板材100*100*10mm，材料AZ31軋制鎂合金板材成分如（表21）表21 AZ31的化學成分（質(zhì)量分數(shù)，%）AlZnMnSiFeCuNiMg余量AZ31鎂合金具有良好的強度、塑性和