搅拌摩擦焊实验报告
1. 实验目的
(1) 了解搅拌摩擦焊的基本原理；
(2) 了解搅拌摩擦焊的设备及其工艺流程；
(3) 初步了解焊接工艺参数对搅拌摩擦焊焊缝成形的影响。
2. 实验概述
搅拌摩擦焊方法与常规摩擦焊一样。搅拌摩擦焊也是利用摩擦热与塑性变形热作为焊接热源。不同之处在于搅拌摩擦焊焊接过程是由一个圆柱体或其他形状（如带螺纹圆柱体）的搅拌针(welding pin)伸入工件的接缝处，通过焊头的高速旋转，使其与焊接工件材料摩擦，从而使连接部位的材料温度升高软化。同时对材料进行搅拌摩擦来完成焊接的。焊接过程如图所示。在焊接过程中工件要刚性固定在背垫上，焊头边高速旋转，边沿工件的接缝与工件相对移动。焊头的突出段伸进材料内部进行摩擦和搅拌，焊头的肩部与工件表面摩擦生热，并用于防止塑性状态材料的溢出，同时可以起到清除表面氧化膜的作用。
在焊接过程中，搅拌针在旋转的同时伸入工件的接缝中，旋转搅拌头（主要是轴肩）与工件之间的摩擦热，使焊头前面的材料发生强烈塑性变形，然后随着焊头的移动，高度塑性变形的材料逐渐沉积在搅拌头的背后，从而形成搅拌摩擦焊焊缝。搅拌摩擦焊对设备的要求并不高，最基本的要求是焊头的旋转运动和工件的相对运动，即使一台铣床也可简单地达到小型平板对接焊的要求。但焊接设备及夹具的刚性是极端重要的。搅拌头一般采用工具钢制成，焊头的长度一般比要求焊接的深度稍短。应该指出，搅拌摩擦焊缝结束时在终端留下个匙孔。通常这个匙孔可以切除掉，也可以用其它焊接方法封焊住。针对匙孔问题，已有伸缩式搅拌头研发成功，焊后不会留下焊接匙孔。
焊接过程中也不需要其它焊接消耗材料，如焊条、焊丝、焊剂及保护气体等。唯一消耗的是焊接搅拌头。
同时，由于搅拌摩擦焊接时的温度相对较低，因此焊接后结构的残余应力或变形也较熔化焊小得多。特别是Al合金薄板熔化焊接时，结构的平面外变形是非常明显的，无论是采用无变形焊接技术还是焊后冷、热校形技术，都是很麻烦的，而且增加了结构的制造成本。
搅拌摩擦焊主要是用在熔化温度较低的有色金属，如Al、cu等合金。这和搅拌头的材料选择及搅拌头的工作寿命有关。当然，这也和有色金属熔化焊接相对困难有关，迫使人们在有色金属焊接时寻找非熔化的焊接方法。对于延性好、容易发生塑性变形的黑色材料，经辅助加热或利用其超塑性，也有可能实现搅拌摩擦焊，但这就要看熔化焊和搅拌摩擦焊哪个技术经济指标更合理来决定。
搅拌摩擦焊在有色金属的连接中已获得成功的应用，但由于焊接方法特点的限制，仅限于结构简单的构件，如平直的结构或圆筒形结构的焊接，而且在焊接过程中工件要有良好的支撑或村垫。原则上，搅拌摩擦焊可进行多种位置焊接，如平焊，立焊，仰焊和俯焊；可完成多种形式的焊接接头，如对接、角接和搭接接头，甚至厚度变化的结构和多层材料的连接，也可进行异种金属材料的焊接。
另外，搅拌摩擦焊作为一种固相焊接方法，焊接前及焊接过程中对环境的污染小。焊前工件无需严格的表面清理准备要求，焊接过程中的摩擦和搅拌可以去除焊件表面的氧化膜，焊接过程中也无烟尘和飞溅．同时噪声低。由于搅拌摩擦焊仅仅是靠焊头旋转并移动，逐步实现整条焊缝的焊接，所以比熔化焊甚至常规摩擦焊更节省能源。
由于搅拌摩擦焊过程中热输入相对于熔焊过程较小，接头部位不存在金属的熔化，是一种固态焊接过程，在合金中保持母材的冶金性能，可以焊接金属基复合材料、快速凝固材料等采用熔焊会有不良反应的材料。其主要优点如下：
(1)焊接接头热影响区显微组织变化小．残余应力比较低，焊接工件不易变形；
(2)能一次完成较长焊缝、大截面、不同位置的焊接．接头高：
(3)操作过程方便实现机械化、自动化，设备简单，能耗低，功效高，对作业环境要求低：
(4)无需添加焊丝，焊铝合金时不需焊前除氧化膜，不需要保护气体，成本低；
(5)可焊热裂纹敏感的材料，适合异种材料焊接：
(6)焊接过程安全、无污染、无烟尘、无辐射等。 搅拌摩擦焊也存在一定的缺点：焊接工件必须刚性固定，反面应有底板；焊接结束搅拌探头提出工件时，焊缝端头形成一个键孔，并且难以对焊缝进行修补：工具设计、过程参数和机械性能数据只在有限的合金范围内可得：在某种情况下，如特殊领域中要考虑腐蚀性能、残余应力和变形时，性能需进一步提高才可实际应用；对板材进行单道连接时，焊速不是很高：搅拌头的磨损消耗太快等。
3. 实验内容
(1) 了解搅拌摩擦焊的基本原理与工艺过程；
(2) 改变工艺参数（搅拌头转速、焊接速度等）进行搅拌摩擦焊实验，材料为铝合金板材；
(3) 对实验后焊缝外表形貌与焊接的工艺参数（搅拌头转速、焊接速度等）的关系进行分析。
4. 实验步骤与注意事项
(1) 理解实验原理：
焊接开始, 当搅拌头的特形指棒全部挤入板件时, 由于摩擦热, 特形指棒周围的金属迅速被加热,并形成了很薄的热塑性金属层, 为了分析方便, 取焊接时特形指棒的任一横截来进行分析。当搅拌头沿着焊件的接缝向前运动时, 在搅拌头的后边就形成了空腔, 由于背面垫板和正面轴肩的密封作用, 在搅拌头转动摩擦力的作用下, 搅拌头前边不断形成的热塑性金属挤压流动, 转移到了搅拌头的后边, 填满了后边的空腔, 空腔的产生与填满几乎同时发生。实际上, 搅拌摩擦焊是一个空腔不断产生、并将空腔填满的一个连续过程, 由于搅拌头的高速旋转,空腔的产生与空腔填满在瞬间完成。这样焊缝区的金属被挤压、摩擦加热, 发生了塑性变形、金属挤压流动转移、扩散和再结晶,就形成了搅拌摩擦焊的焊缝[1]。
(2) 领取待焊板材，用砂纸去除待焊部位的氧化膜，并用无水乙醇清洗；
(3) 装卡板材，用压板、螺栓将两块待焊板材固定在卡具底座上，保证焊接过程中它们不会发生移动；
(4) 通过对刀，使搅拌针与待焊板材的表面恰好接触；
(5) 在机床的数控操作系统中设置焊接参数（搅拌头旋转速度、焊接速度和下压量），参数设置好之后可以进行焊接；
(6) 观察焊缝的外观，分析焊接参数对于焊缝成形的影响。 5. 实验结果
5.1 搅拌摩擦加工试验参数：
转速W=600RPM，焊速=100mm/min，下压量=0.2mm。Zn粉（400目）填充在两块搭接2024铝合金之间的沟槽中，重复焊接两次。
显微硬度试验参数：
加载力：100g， 加载时间：5s，位置：从左向右每隔1mm打一次硬度，覆盖区域从母材→焊核区→母材。硬度试验结果如下表：
次数 1 2 3 4 5 6 7 8 9
硬度（HV） 58.1 60.4 54.2 65.6 50.4 62.8 59.1 54.0 60.2
光学显微镜照片：
放大50倍
说明：中间灰色部分为焊核区，由于Zn的耐酸腐蚀没有铝好。深黑色部分为未焊合的孔洞。因此，搅拌摩擦加工2次没有足够的塑性应变使铝和锌充分混合均匀并产生了大量的孔洞缺陷。从硬度结果也可以看出，此时焊核区的硬度并没有升高。 5.2 搅拌摩擦加工试验参数：
转速W=600RPM，焊速=100mm/min，下压量=0.2mm。Zn粉（400目）填充在两块搭接2024铝合金之间的沟槽中，重复焊接四次。
显微硬度试验参数：
加载力：100g， 加载时间：5s，位置：从左向右每隔1mm打一次硬度，覆盖区域从母材→焊核区→母材。硬度试验结果如下表：
次数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
硬度（HV） 62.9 62.5 76.4 71.1 53.4 54.8 133.5 129.0 60.7 58.4
光学显微镜照片：
放大50倍
说明：中间灰色部分为焊核区，均匀性较重复加工2次的相比稍好，焊核区底部还有孔洞缺陷。从硬度试验结果看出焊核区硬度分布极不均匀，最高到133HV，最低53.5HV，说明此工艺下重复加工4次仍没有使焊核区均匀。
5.3 搅拌摩擦加工试验参数：
转速W=600RPM，焊速=100mm/min，下压量=0.2mm。Zn粉（400目）填充在两块搭接2024铝合金之间的沟槽中，重复焊接六次。
显微硬度试验参数：
加载力：100g， 加载时间：5s，位置：从左向右每隔1mm打一次硬度，覆盖区域从母材→焊核区→母材。硬度试验结果如下表：
次数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
硬度（HV） 53.6 46.0 79.7 106.5 79.2 76.5 81.4 81.2 51.5 52.1
光学显微镜照片：
放大50倍
放大1000倍
说明：中间灰色部分为焊核区，重复加工6次后，均匀性较好没有孔洞缺陷。从硬度试验结果看出焊核区硬度升高到80HV左右，且均匀性较好。在高倍光镜下可以看出，焊核区内弥散分布着第二相颗粒，需进一步做试验确定该颗粒的成分和结构。
5.4 搅拌摩擦加工试验参数：
转速W=1200RPM，焊速=100mm/min，下压量=0.2mm。Zn粉（400目）填充在两块搭接2024铝合金之间的沟槽中，重复焊接四次。
显微硬度试验参数：
加载力：100g， 加载时间：5s，位置：从左向右每隔1mm打一次硬度，覆盖区域从母材→焊核区→母材。硬度试验结果如下表：
次数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
硬度（HV） 62.7 65.1 85.6 74.8 75.4 73.4 85.4 75.3 98.6 64.0 61.5
光学显微镜照片：
放大50倍
放大1000倍
说明：中间灰色部分为焊核区，提高转速至1200rpm后重复加工4次后，均匀性很好没有孔洞缺陷，有“洋葱环”的出现。从硬度试验结果看出焊核区硬度升高到80HV左右，且均匀性较好。在高倍光镜下可以看出，焊核区内弥散分布着第二相颗粒，需进一步做试验确定该颗粒的成分和结构。
在低转速600rpm下，需要重复加工6次才能使焊核区的铝和锌混合均匀，在高转速1200rpm下，重复加工4次也能使焊核区混合均匀。锌加入铝中后会有细小的第二相出现，提高铝基体的硬度。
拉伸(抗拉强度)
试验参数
搅拌头（轴肩有纹） W1800-200 W1800-300
搅拌针顶端为半球型 218.81 231.32
搅拌针顶端为平面型 224.91 228.48
搅拌针顶端为半球带凹槽型 228.66
拉伸(抗拉强度)
试验参数
搅拌头（轴肩为凹弧形） W2000-200 W2000-400 W2000-600
搅拌针顶端为半球型 220.26 225.63 228.86
搅拌针顶端为平面型 218.95 222 233.74
搅拌针顶端为四棱型 222.57 234.32 215.59
弯曲性能
试验参数
搅拌头（轴肩有纹） W1800-200 W1800-300
搅拌针顶端为半球型 180度完好 50裂断
搅拌针顶端为平面型 180度完好 180度有裂纹
搅拌针顶端为半球带凹槽型 180度完好 40度裂断
弯曲性能
试验参数
搅拌头（轴肩为凹弧形） W2000-200 W2000-400 W2000-600
搅拌针顶端为半球型 180度完好 180度有裂纹 裂断
搅拌针顶端为平面型 180度完好 30度裂断 裂断
搅拌针顶端为四棱型 180度有裂纹 30度裂断 裂断
6. 实验结果分析
6.1 不同转速对搅拌摩擦焊焊缝的影响[2]
从焊缝的外观来看,在转速较低时, 不能形成搅拌摩擦焊的焊缝, 搅拌头的后边是一条沟槽, 随着搅拌头转速升高, 沟槽的宽度减小, 当搅拌头转速升高一定的值时(第一临界值), 沟槽消失, 焊缝外观成形良好, 继续增加转速, 焊缝外观也没有明显的变化, 但解剖发现焊缝的外观虽然成形良好, 但焊缝中有孔洞, 随着转速的再升高, 孔洞逐渐减小, 当转速升高到一定的值时(第二临界值)孔洞消