铝合金的搅拌摩擦焊接

YL21铝合金搅拌摩擦焊接头组织及性能研究

张 磊 李从卿 佟建华 郭 晓 娟 康

北京航空制造研究所 14 20

举

摘 要： 采用搅拌摩擦焊对2m厚的L1Y2铝合金薄板进行了对接试验，对焊接接头力学性能和各个区域 的微

观组织进行了分析。结果表明：搅拌摩擦焊焊核区组织为细小均匀的等轴晶，焊核区偏向于前进侧一 边有白色弯曲条带物质出现;热机影响区晶粒沿流线方向被拉长，前进侧比后退侧变化明显；热影响区晶 粒明显变大，晶粒大小约为5u0m～10mu。通过拉伸强度、弯曲强度和显微硬度的测试，发现焊缝后退侧 容易发生断裂，弯曲时易出现裂纹，同时是焊缝后退侧是显微硬度最低部位所在。 关键词：搅拌摩擦焊；L1Y2铝合金；显微组织；力学性能

LYl2铝合金搅拌摩擦焊接头组织及性能研究

CB2651—89、GB2653—89制取焊缝拉伸、弯曲试样，分别在zwIcKl00KN电子万能材料试验机、 zlooKN电子万能试验机上进行拉伸、弯曲试验以测试接头的力学性能；根据GB／T4340．I—1999相 关标准，采用HxD—l000维氏显微硬度仪在载荷2009，保持时间15s的测试条件下对母材及焊缝不 同区域处的显微硬度进行测试分析。

2试验结果及讨论

2．1焊缝接

搅拌摩擦焊接技术——焊接技术2

搅拌摩擦焊接(FSW)是英国焊接研究所发明 的一种新的连接工艺，其实质是通过高速旋转 的搅拌头与被焊材料间生成的摩擦热而实现的

一种固相连接，该工艺具有连接温度低、焊后残余应力小、接头性能高等一系列特点。

搅拌摩擦焊接原理示意图

焊接工具包括三部分：工具体(shrank)、轴

肩(shoulder)和搅拌头(probe/pin)。 焊接时，工具体带动轴肩和搅拌头一起高速旋 转，通过向工具体施加压力，使搅拌头进入母 材中，搅拌头的表面与母材摩擦产生热量，并 在其周围形成螺旋状的塑性流体，通过搅拌头 和母材做相对运动，产生连续塑性流体，从搅 拌头的前部向后方移动，随着工件的移动，后 面的冷却形成焊缝，从而连接两块板材。 由于最高温度不会超过母材熔点的80%,故搅 拌摩擦焊接不存在熔焊的焊接缺陷。焊后接头 的厚度一般比母材薄3~6%。

搅拌摩擦焊接工艺特点：

搅拌摩擦焊接的温度相对较低，可以得到高质

量的接头； 焊接过程中不需要其它焊接材料。唯一消耗的 是搅拌头。 焊前工件无需严格的表面清理准备要求，焊接 过程中无烟尘和飞溅，噪声低； 搅拌摩擦焊仅仅是靠焊接工具旋转并移动，逐 步实现整条焊缝的焊接，更节省

关于用氩弧焊焊接铝合金的操作方法

1要选用交流氩弧焊机，它有阴极破碎功能。

2选用合适的电流

3注意观察熔池温度，母材未融化焊丝就会滚来滚去。

4焊丝要直接加入熔池中

5焊丝端要一直在氩气的保护中

焊接铝合金要注意印记破碎作用即钨极氩弧焊采用直流反接时，焊件是阴极。氩的正离子流向焊件，撞击金属溶池表面，将铝、镁等金属表面致密难熔的氧化膜击碎并去除，使焊接顺利进行。这种现象称为“阴极破碎”。因为铝的导热性比较高，容易塌陷，而且氧化膜的熔点比母材高的多。但是这样热量低故一般用交流氩弧焊。

焊接常遇到哪些铝合金？怎样焊接？

铝及铝合全的焊接特点：

1．铝和氧的亲和力很大，因此在铝及铝合金表面总有一层难熔的氧化铝薄膜（熔点2050℃)。在焊接过程中容易造成夹渣，而且氧化膜还吸附了较多的水分，焊接时会促使焊缝生成气孔。

2．铝的导热系数和比热比铁大一倍多，这就要求在焊接时，使用大功率或能量集中的焊接热源，有时还要预热。另外铝的线膨胀系数比铁将近大一倍，因此铝件的焊接变形大，如工艺措施不当，还容易产生裂纹。

3．铝及铝合金由固态转变为液态时，没有显著的颜色变化。因此，当焊接时要求掌握好加热温度，以防焊接时会引起金属的塌陷或下漏。

当采用气焊、碳弧焊或氩弧焊焊接纯铝、铝锰、铝镁及

汽车与铝合金及其焊接技术的研究

江苏理工学院

摘要：铝及其合金在汽车工业的应用中具有轻量化、节能减排、改善环境、提高汽车乎稳性和安全性等特点。铝及其合金熔化焊存在焊缝易产生气孔，焊接接头易软化等缺陷。讨论了激光焊、激光一电弧复合焊、双光束激光焊、搅拌摩擦焊在汽车用铝及其合金焊接的应用和特点。

关键词：铝合金；汽车；激光焊；复合焊；搅拌摩擦焊

1 前言

减轻汽车重量以降低能耗、减少污染、提高燃油效率!这是解决汽车节能和环保问题的最有效的措施，实现汽车轻量化的方法主要有修改结构设计、缩小汽车规格和采用新型材料。其中采用轻型的结构材料是最有潜力的一种方法。其中采用铝合金材料代替钢材在汽车上的应用是重要措施之一。研究表明，采用铝合金材料适当减轻汽车的质量可以把油耗降低37％，悬挂装置的负荷降低18％，振动强度降低5％，大约60％的汽车用铝合金都是利用回收材料制成，并且汽车上的铝合金90％都可以回收再利用。美国资深汽车工程师曾预测：未来，轿车上的每一个零件都有可能用铝合金来生产，10～15年后会有越来越多的铝合金用于汽车，而且铝合金制品完全可能比塑料还轻。目前国内外汽车制造业已经开始大量使用铝金如图1所示。

图1铝合金在汽车上的使用量

由于铝

汽车与铝合金及其焊接技术的研究

江苏理工学院

摘要：铝及其合金在汽车工业的应用中具有轻量化、节能减排、改善环境、提高汽车乎稳性和安全性等特点。铝及其合金熔化焊存在焊缝易产生气孔，焊接接头易软化等缺陷。讨论了激光焊、激光一电弧复合焊、双光束激光焊、搅拌摩擦焊在汽车用铝及其合金焊接的应用和特点。

关键词：铝合金；汽车；激光焊；复合焊；搅拌摩擦焊

1 前言

减轻汽车重量以降低能耗、减少污染、提高燃油效率!这是解决汽车节能和环保问题的最有效的措施，实现汽车轻量化的方法主要有修改结构设计、缩小汽车规格和采用新型材料。其中采用轻型的结构材料是最有潜力的一种方法。其中采用铝合金材料代替钢材在汽车上的应用是重要措施之一。研究表明，采用铝合金材料适当减轻汽车的质量可以把油耗降低37％，悬挂装置的负荷降低18％，振动强度降低5％，大约60％的汽车用铝合金都是利用回收材料制成，并且汽车上的铝合金90％都可以回收再利用。美国资深汽车工程师曾预测：未来，轿车上的每一个零件都有可能用铝合金来生产，10～15年后会有越来越多的铝合金用于汽车，而且铝合金制品完全可能比塑料还轻。目前国内外汽车制造业已经开始大量使用铝金如图1所示。

图1铝合金在汽车上的使用量

由于铝

南昌航空大学学士学位论文

铝合金搅拌摩擦焊焊缝受力与焊缝成型的关系

1 引言

1.1搅拌摩擦焊国内外发现现状与水平

搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding，简称FSW)最初是针对焊接性差的铝合金开发的一种新型固相焊接工艺，由英国焊接研究所(The Welding Institute)于1991年开发的专利技术。搅拌摩擦焊自发明以来很快就受到制造工业的密切关注和支持，并且于1996年在制造工业领域得到了成功应用。搅拌摩擦焊是利用一种特殊的低耗损的搅拌头旋转着压入被焊零件的表面，搅拌头与被焊零件的摩擦使被焊材料热塑化，当搅拌头沿着焊接界面向前移动时，热塑化的材料由前向后转移，在热-机联合作用下连接形成致密的固相连接接头。TWI、NASA(National Aeronautics and Space Administration)、Boeing、ESAB等大型研究机构和企业都在进行与该工艺相关的研究工作[1,2]。FSW已成功应用于实际生产。搅拌摩擦焊技术一出现，就得到航空界的青睐。英国焊接研究所申报了此项专利后，瑞典ESAB公司按许可证制造了专用焊接设备-Su-perstire搅拌摩擦焊机，并已获得实际应用[3]。美国著名的宇航公

上海承久金属制品有限公司

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6063-6061铝合金焊接采用两种焊接方式：

1.氩弧焊（交流）焊接；

2.气保焊焊接。

焊接方法：

焊接铝及铝合金方法很多，但是铝及铝合金对各种焊接效果不同，各种焊接方法有其各自的应用场合及优势存在。气焊和焊条电弧焊方法，设备简单、操作便捷。气焊可用于对焊接质量要求不高的铝薄板及铸件的补焊。焊条电弧焊可用于铝合金铸件的补焊。惰性气体保护焊（TIG或MIG）方法是应用最广泛的铝及铝合金焊接方法。铝及铝合金薄板可采用钨极交流氩弧焊或钨极脉冲氩弧焊。铝及铝合金厚板可采用钨极氦弧焊、氩氦混合钨极气体保护焊、熔化极气体保护焊、脉冲熔化极气体保护焊。熔化极气体保护焊、脉冲熔化极气体保护焊应用越来越广泛（氩气或氩/氦混合气）。

焊接特点：

（1）铝极易氧化，生成的氧化铝（Al2O3）熔点高、非常稳定，不易去除。阻碍母材的熔化和熔合，氧化膜的比重大，不易浮出表面，生成夹渣、未熔合、未焊透等不良因素。铝材的表面氧化膜和吸附大量的水分，易使焊缝产生气孔。焊接前应采用化学或机械方法进行严格表面清理，清除其表面氧化膜。在焊接过程加强保护，防止其氧化

铝及铝合金的焊接

铝及铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料， 在 航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。 随着近年来科学技术以及工业经济的飞速发展，对铝合金焊接结 构件的需求日益增多，使铝合金的焊接性研究也随之深入。铝合 金的广泛应用促进了铝合金焊接技术的发展，同时焊接技术的发 展又拓展了铝合金的应用领域，因此铝合金的焊接技术正成为研 究的热点之一。

有色金属 non-ferrous metal，狭义的有色金属又称为非铁金属， 是铁、锰、铬以外的所有金属的统称。广义的有色金属还包括有色合 金。有色合金是以一种有色金属为基体（通常大于 50%） ，加入一种 或几种其他元素而构成的合金。随着科学技术的发展，有色金属的应 用日趋广泛。虽然有色金属只占金属总量的 5%左右，但有色金属在 工程应用中的重要作用确实钢铁或其他材料无法代替的。 有色金属具 有特殊的性能，比常规钢铁材料的焊接更复杂，这给焊接工作带来很 大的困难。

铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、 航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。随着近年来 科学技术以及工业经济的飞速发展， 对铝合金焊接结构件的需求日益 增多，使

铝及铝合金的等离子弧焊接常识

【字体：大 中 小】 时间：2014-08-07 09:32:00 点击次数：7次

等离子弧是以钨极作为电极，等离子弧为热源的熔焊方法。焊接铝合金时，采用直流反接或交流。铝及铝合金交流等离子弧焊接多采用矩形波交流焊接电源，用氩气作为等离子气和保护气体。对于纯铝、防锈铝，采用等离子弧焊，焊接性良好；硬铝的等离子弧焊接性尚可。

为了获得高质量的焊缝应注意以下几点。

1、焊前要加强对焊件、焊丝的清理，防止氢溶人产生气孔，还应加强对焊缝和焊丝的保护。

2、交流等离子弧焊的许用等离子气流量较小，流量稍大，等离子弧的吹力过大，铝的液态金属被向上吹起，形成凸凹不平或不连续的凸峰状焊缝。为了加强钨极的冷却效果，可以适当加大喷嘴孔径或选用多孔型喷嘴。

3、当板厚大于6MM时，要求焊前预热100－－200℃。板厚较大时用氦作等离子气或保护气，可增加熔深或提高效率。

4、需用的垫板和压板最好用导热性不好的材料制造（如不锈钢）。垫板上加工出深度LMM、宽度20～40MM的凹槽，以使待焊铝板坡口近处不与垫板接触，防止散热过快。

5、板厚不大于LOMM时，在对接的坡口上海间隔150MM点固焊一点；板厚大于L0MM时，每间隔300MM点固焊一

铝及铝合金的等离子弧焊接常识

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等离子弧是以钨极作为电极，等离子弧为热源的熔焊方法。焊接铝合金时，采用直流反接或交流。铝及铝合金交流等离子弧焊接多采用矩形波交流焊接电源，用氩气作为等离子气和保护气体。对于纯铝、防锈铝，采用等离子弧焊，焊接性良好；硬铝的等离子弧焊接性尚可。

为了获得高质量的焊缝应注意以下几点。

1、焊前要加强对焊件、焊丝的清理，防止氢溶人产生气孔，还应加强对焊缝和焊丝的保护。

2、交流等离子弧焊的许用等离子气流量较小，流量稍大，等离子弧的吹力过大，铝的液态金属被向上吹起，形成凸凹不平或不连续的凸峰状焊缝。为了加强钨极的冷却效果，可以适当加大喷嘴孔径或选用多孔型喷嘴。

3、当板厚大于6MM时，要求焊前预热100－－200℃。板厚较大时用氦作等离子气或保护气，可增加熔深或提高效率。

4、需用的垫板和压板最好用导热性不好的材料制造（如不锈钢）。垫板上加工出深度LMM、宽度20～40MM的凹槽，以使待焊铝板坡口近处不与垫板接触，防止散热过快。

5、板厚不大于LOMM时，在对接的坡口上海间隔150MM点固焊一点；板厚大于L0MM时，每间隔300MM点固焊一