铝合金薄板FSW焊接变形及工艺对策

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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fsw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

中图分类号：TG407 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）15-0073-02

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。

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。

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FSW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。

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。

（2）接头两边的温度不相同而致变形。搅拌摩擦焊焊接时，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，都是焊接变形的表象。其本质是残余应力，诱发机制是根源，要想彻底控制焊件的变形，应从根源入手，抑制诱发机制。

3 铝合金薄板FSW焊接变形的工艺对策

3.1 错边变形的工艺对策

大量初步试验表明，目前普通的摩擦搅拌焊工艺对FSW进行焊接试验时，常常无可避免地出现错边变形，而错边变形往往使整个焊接过程难以继续进行。错边变形属于人为失误，为了有效避免因为错边变形而影响到整个焊接过程，我们利用在焊接过程中，在焊缝口的前端装一个可以与搅拌头同步前进并能随动滚压的装置，其工作原理是在焊接过程中，在气压装置的控制下，整个随动滚压装置在焊件表面自由升起和压下。当压轮向下压时，两边焊板受到一个相等的下压力，通过这个下压力，两个焊件可以始终保持同一水平，从而避免了错边变形。

3.2 挠曲变形和失稳变形的工艺对策

从诱变机制的分析，我们知道控制挠曲变形和失稳变形，必须从根源出发，即扼制引起焊接变形的四种诱发机制。通过避免焊件非对称温度场和减小焊接阻力来避免焊件的变形。

随焊水冷装置利用在摩擦搅拌焊接过程中以喷水来降温的目的，对温度场有效的控制，起到至关重要的作用。随焊水冷装置的工作机理大致如下：在FSW焊接过程，随焊水冷装置可以在焊接表面喷射水雾从而对焊缝局部进行暂时性的降温，既降低了焊接头整体温度水平，又减小高温区与低温区的温度悬差，尽可能提高焊接头温度场的对称性，于是便有效地控制了引起失稳变形、挠曲变形的热致变形诱发机制。

对焊接工艺的力度适当控制也可以减小焊接阻力，改变焊接流变区的温度。用搅拌摩擦焊焊接时，如果搅拌头转速过快，焊接流变区域温度就会因力做功而升高，从而流变阻力就下降，热致变形占主导地位，焊接缝及其附近区域金属就会受到影响；如果转速过低，焊接口温度降低，焊接区域流变阻力增大，力致变形占主导地位，焊件就会受力而变形。因此，适中掌控搅拌头的转速是影响焊件变形的重要因素，控制好温度和流变阻力，使热致变形和力致变形的综合变形达到最小，才能有效控制焊接

变形。

4 结语

针对目前普通的搅拌摩擦焊焊接存在的变形问题，本文分析了焊件残余应力的存在形式和对焊接变形的影响以及焊接变形的影响因素和基本规律，并对挠曲等几种常见变形的形成机理与诱发机制进行较全面的探讨，通过根源提出一系列相应的工艺对策，如随冷装置、随动滚压装

置等。

参考文献

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作者简介：毕应利（1971—），男，辽宁盘锦人，北方工业学校高级讲师，高级工程师，研究方向：焊接质量控制、焊接工艺及设备、焊接专业建设。