鋁合金薄板FSW焊接變形及工藝對策
技術交流
作者：畢應利
摘要：目前普通的攪拌摩擦焊工藝已經改善了之前薄板燒穿和接頭強度不足等缺點，但仍然可以使金屬薄板焊接變形。文章通過分析鋁合金薄板FSW的焊接過程造成變形的機理，從本質上找出原因，提出相關的工藝對策，如隨焊水冷、超聲波攪拌等，有效地避免焊接變形帶來的損失。
關鍵詞：鋁合金薄板；焊接變形；隨焊水冷
中圖分類號：TG407 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）15-0073-02
1 鋁合金薄板焊接變形的常見形式
根據鋁合金薄板攪拌摩擦焊的初步實驗，主要出現以下三種變形形式：撓曲變形、失穩變形和錯邊變形。
在鋁合金薄板中，撓曲變形和失穩變形往往伴隨著發生。撓曲變形一般是向兩側延伸；發生失穩變形的薄板其大小和穩定性都會與正常的產生差異；焊接後兩邊板材不在同一水平麵上，發生錯邊，一旦對口錯邊或焊接後錯邊，都將造成不必要的人力物力損失。因此，研究出新的方法或設備減少這些變形的發生，成了更多工程機構關鍵的問題。
2 鋁合金薄板焊接變形的變形機理探究
2.1 焊接變形的根本原因
在FSW焊接過程中，由於焊接的熱度和焊接後的冷卻作用，先後使薄板等焊件產生熱脹冷縮效應。焊接階段被焊部位附近區域受熱向兩側延伸，而遠離的部位由於緊固作用，一般不會隨著拉伸而使之變形。焊接後又由於冷卻作用，焊接口及其附近區域發生收縮，抵消之前的拉伸量，但仍略微向裏收縮。在焊接口及其附近區域，由於外界對焊件產生的變形而產生的殘留應力以縱向拉應力表現出來，在遠離焊接口區域，則表現出縱向殘留壓應力，這樣一拉一壓導致焊件嚴重變形。
撓曲變形主要是由接頭及其附近區域的金屬受熱膨脹，受到附近延板長度、寬度和厚度方向較低溫度的阻礙並產生擠壓，導致焊接板縱向塑性變應力的分布不均勻。由於焊接過程中焊縫中央的溫度明顯高於焊件周邊，這樣因焊接麵溫度高於周邊而產生的形變量也較大，於是冷卻後焊接區域就產生一個偏心拉應力，該力可使焊接口發生偏轉而造成焊件縱向撓曲。
失穩變形的根本原因主要是遠離焊縫區域失穩的臨界應力不足以抵抗殘餘壓應力，從而導致焊件的變形。
錯邊變形則是因為兩邊的焊接板不在同一水平麵而普通的攪拌摩擦焊工藝又恰對此有嚴格要求，於是焊件就發生的錯邊變形。這種變形形式一般在焊接初期出現，往往是導致焊接無法繼續而返工的主要因素。
2.2 焊接變形的誘發機製
以上三種變形雖然原因各不相同，生活中往往非單獨出現，且很難區別開，由於誘發機製也近相似，因此本文將對它們做統一的分析。
有實驗初步顯示，通過手動噴水的方法可以從一定程度上減輕熱致變形，但變形依然存在。因此本文認為很可能是熱和力的同時作用而導致焊件的變形。
下麵將具體介紹存在的四種誘發機製，前兩種是熱致變形誘發機製，是攪拌摩擦焊變形的主要原因：
（1）接頭中間與四周產生溫度差導致殘餘應力。焊接頭中間溫度高，向四周降低，受熱膨脹，產生非均勻的應變場。焊接完成後，焊接區及其附近區域受殘餘拉應力的影響，由於殘餘壓應力在厚度上不均勻的分布，造成焊件撓曲變形。而遠離焊接區的區域則受殘餘壓應力作用，使焊件無法控製而失穩變形。
（2）接頭兩邊的溫度不相同而致變形。攪拌摩擦焊焊接時，焊頭高速旋轉，導致接口兩邊由於時間先後差異，溫度也不相對稱，焊頭前進側高於返回側，膨脹不同，焊件冷卻後，收縮量也不同，從而導致失穩變形的發生。
（3）焊接力導致彈塑性形變。使用普通的攪拌摩擦焊焊接時，焊頭的轉動帶動周邊金屬的流動，形成一個環形流變場。焊接口兩側方向相反，變形方向也相反，前進側縱向拉伸，返回側則向後擠壓，而焊接產生的塑像流變抵消焊件本身的彈性變形後，仍保留著一個變形的痕跡。於是當焊接完成後，可以看到焊件有明顯的部分彈塑性形變，加劇了失穩變形造成的影響。