十二、如何进行铝合金角接结构的搅拌摩擦焊？

搅拌摩擦焊多用于平板对接结构。目前，对于0.8～75mm厚的铝合金都可以采用搅拌摩擦焊接。但实际工程应用中大多数工程焊接结构是采用型材或板材以角接方式构成的，由于搅拌摩擦焊主要是由轴肩与被焊接面摩擦产生热量，因此搅拌摩擦焊在角接结构中的应用受限制，甚至根本就不能直接进行角接结构的搅拌摩擦焊接。

为扩大搅拌摩擦焊的应用，美国Trapp等人发明了一项L形和T形角接焊接时的专利；日本Katsuaki等人为了解决用搅拌摩擦焊焊接工字型材料的问题，采用了辅助的三角垫块来填充焊接部位；日本有一项发明专利提出了一种从角接缝内侧（夹角<180°一侧）设一具有三角形断面的工艺垫块，填平焊接内夹角，焊接时搅棒穿过工艺垫块进入焊件接缝，台肩则与垫块表面摩擦，从而实现角接搅拌摩擦焊接。在国内，许多院校、研究机构也开展了搅拌摩擦焊焊接不同结构的研究。其中，中南大学采用一种新型的外侧角接焊接的方法，对2519铝合金进行了搅拌摩擦焊角接结构的焊接。实践证明，此方法可以对任意角度的焊件进行搅拌摩擦焊焊接，在工程中具有很高的实际应用价值。

利用搅拌摩擦焊焊接角焊缝一般需要在待焊接件角部外侧镶拼辅助工艺垫块，使之在待焊部位构成任意角度的角接焊缝，顶部形成平面结构，以此来满足搅拌摩擦焊工艺对焊接部位的特殊要求。该角接焊接法能从封闭或半封闭角接构件外侧焊接，工作原理如图1-20所示。

图1-20中，假如待焊的焊件1、5的角接半角为α，则实际焊接的夹角就为2α。焊接后，把待焊工件1和5焊接起来，然后将形成平面结构的工艺辅助垫块2、4加工成角度为β的坡口，并使α+β=90°。

焊接中，采用辅助垫块的主要作用是通过角度的拼接，形成搅拌摩擦焊所需的台肩摩擦平面，把成角度的搅拌摩擦焊转化为平板对接焊，通过搅拌头3与垫块2、4组成的表面摩擦，把产生的热传递给实际待焊件。搅拌头3通过与垫块2、4组成的平面摩擦产生热量传递到焊接板上，使焊接板在一定的区域金属塑化达到可以搅拌的状况，然后在其搅棒的搅拌作用下完成搅拌摩擦焊。焊完后去除工艺垫块2和4，即可得到搅拌摩擦焊角接头。

以22mm厚的2519高强度铝合金为例，采取以上方法进行搅拌摩擦焊。2519铝合金的主要成分及力学性能见表1-6与表1-7。焊接时的焊接角度采用120°，如图1-21所示，焊缝深约为25mm。搅拌头参数为轴肩35mm，搅拌针直径12mm，底部直径调整变化，长度23mm，夹具采用自制专用角接焊接夹具。焊接中在不同形状搅拌针与旋转频率和进给量之间进行组合匹配。

在焊接过程中，不同的搅拌摩擦焊工艺参数得到的焊接接头质量有很大差异，尤其是在厚板焊接时工艺参数的影响尤为明显。在工艺参数中，影响搅拌摩擦焊接头质量的主要参数有轴肩直径大小、搅拌针形状、旋转频率及焊接速度。实践证明，搅拌头参数为轴肩35mm、搅拌针直径12mm、底部直径3.5mm、长度23mm、旋转频率为30～40r/s、焊接速度在90～120mm/min的范围内都可以获得良好的接头外观。

焊接过程中，不同形状的搅拌针对能否获得良好的焊缝质量至关重要。搅拌针底部直径过小时，如果焊接工艺不当，靠近搅拌针底部因为搅拌针直径过细经常会发生剪切断裂；搅拌针底部直径过大或者旋转频率过低时，焊缝区域材料流动不充分，所受阻力过大，搅拌针会被从靠近轴肩的地方剪断。

经反复试验证实，焊接时底部采用直径3.5mm的搅拌针焊接效果比较好。由于是厚板角接焊缝的焊接，所以当旋转频率低于20r/s时，焊接时温度过低，轴肩温度低于220℃，材料黏度过大，流动不充分，所受阻力较大，底部容易出现空洞，同时搅拌针也容易断裂。

搅拌摩擦焊角接焊接2519高强铝合金的宏观组织如图1-22所示。从图1-22中可以看到，试样截面搅拌摩擦焊接区与母材区的明显交界，呈现“U”字形特征，焊缝中宏观组织的光泽存在明暗差异，存在以焊缝中心大致对称较明显的界线，这是由焊缝中组织的构成、形貌、走向等的变化引起的，据此可将焊缝分为三个区：焊核区（WNZ）、热力影响区（TMAZ）和热影响区（HAZ）。

图1-23～图1-26分别是某研究单位给出的母材区、焊核区、热力影响区、热影响区四个区的金相微观组织。焊核区位于焊缝的中间部位，底部形状大小与搅拌头实际尺寸比较接近，上部靠近轴肩部分由于受轴肩和搅拌针的机械搅拌以及剧烈摩擦产生的局部高温，组织发生了动态再结晶，变成了比母材组织更为细小的等轴晶组织，如图1-24所示。

焊接后，2519铝合金接头的硬度分布如图1-27所示。图中，A区为焊核区，B区为热力影响区与热影响区，C区为母材区。由图1-27可见，2519铝合金搅拌摩擦焊接头接头的断面硬度呈U形分布，从热影响区到焊核区硬度值都出现不同程度的降低，焊核区力学性能下降最大，硬度下降了大约40％。产生这种现象的主要原因是由于焊核区距离搅拌头较近，焊核区硬度下降与焊接过程中受搅拌头高速旋转的搅拌作用有关。即焊接时，由于搅拌头在焊核区高速旋转的搅拌作用比较强烈，因此焊核区的局部温度比较高，基材组织完全被破坏，高温下此区的组织发生了完全的动态再结晶，因此该区的组织细小、硬度下降最多。

采取以上措施进行角接结构的焊接结果表明，采用外侧加辅助垫块的方法进行角接辅助焊接，能够变角接结构为平焊位置的焊接，能有效的对角接结构进行搅拌摩擦焊焊接。在焊接过程中，选择合理的焊接工艺和搅拌针形状决定着焊接的成败和接头的性能。一般情况下，旋转频率在30～40rad/s、焊接速度在90～120mm/min范围内都可以获得良好的角焊缝的搅拌摩擦焊接接头。