趙啟洲，唐 強，李 斌，王 晨，范 佳，陳 鵬，鐘萬澤，姚智文，王 歡，周春偉

（遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽111003）

近30年來，隨著先進科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展、環(huán)境壓力和能源壓力的增大，工業(yè)生產(chǎn)中對汽車、飛機等產(chǎn)品的性能要求也在逐漸增高。同時，世界性能源問題變得越來越嚴(yán)重，這使得減輕汽車自重、降低油耗成為各大汽車生產(chǎn)廠提高競爭力的關(guān)鍵。鋁具有密度小、耐蝕性好等特點，且鋁合金的塑性優(yōu)良，鑄、鍛、沖壓工藝均適用，非常適合汽車零部件生產(chǎn)的擠壓、機加工藝，所以目前鋁合金作為有色金屬結(jié)構(gòu)材料，在航空航天領(lǐng)域、兵器業(yè)領(lǐng)域，以及汽車領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛。本文主要對汽車行業(yè)應(yīng)用鋁合金攪拌摩擦焊（簡稱FSW）作出一定的論述。

1 鋁合金攪拌摩擦焊的焊接性

普通的弧焊如MIG、TIG焊接對于鋁合金來說同樣適用。但是由于鋁合金的材質(zhì)特殊性，使得焊接時需要進行打磨防止氧化，因此比較費時費力。并且焊接的接頭處在熱循環(huán)的作用下組織變化較大，因而容易造成接頭處力學(xué)性能的下降。

鋁合金具有重量輕、抗腐蝕、易成型等優(yōu)點。隨著新型硬鋁、超硬鋁等材料的出現(xiàn)使得這類材料的性能不斷提高，因而在航空、航天、高速列車、高速艦艇、汽車等工業(yè)制造領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。同時因為鋁及其合金的熱膨脹系數(shù)大會引起變形；易氧化焊接時需要用惰性氣體保護；焊接時易產(chǎn)生氣孔、熱裂紋，以及熱影響區(qū)的軟化、強度降低等問題。為了解決以上問題攪拌摩擦焊的產(chǎn)生作為一種新的焊接方式逐漸在鋁及其合金的焊接中廣泛應(yīng)用。

攪拌摩擦焊，它是由英國焊接研究所于1991年發(fā)明的專利焊接技術(shù)。攪拌摩擦焊的焊接熱源是由摩擦熱和塑性變形熱提供出來的，攪拌摩擦焊的攪拌針是一個圓柱體或者其他形狀制成來伸入需要焊接的接縫處，這也是與傳統(tǒng)弧焊進行焊接的不同之處。通過攪拌針的高速旋轉(zhuǎn)，使其與鋁合金工件材料的摩擦，使連接部位的材料溫度升高軟化實現(xiàn)融合。

在攪拌摩擦焊時，鋁合金對接板材之間對接面上的氧化物會在攪拌針旋轉(zhuǎn)和平動過程中被打碎，并在攪拌頭后部形成致密的接頭，同時氧化物分散分布在接頭中。

攪拌摩擦焊的本質(zhì)就是一個焊縫材料體積不變的過程。FSW的原理就是焊接探頭的攪拌針一邊旋轉(zhuǎn)一邊沿焊縫的結(jié)合處指定方向移動，鋁合金在摩擦熱的作用下軟化，并且由于焊接探頭的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生塑性流動從而被結(jié)合（如圖1所示）。結(jié)合部的溫度在鋁合金的熔點（660℃）以下，所以很容易進行焊接。

2 鋁合金FSW的亮點

（1）攪拌摩擦焊的焊接接頭性能良好，無明顯缺陷。由于FSW屬于固相焊，焊接時的溫度低于鋁合金熔點，因此能夠得到組織與母材相近的焊接接頭且工件變形??；焊接接頭不易產(chǎn)生弧焊凝固過程中出現(xiàn)的裂紋、氣孔等缺陷；焊后沒有色澤變化。

（2）焊接所需輔助設(shè)備少，大批量生產(chǎn)成本低。不需填充材料和保護氣體如氬氣等；焊前準(zhǔn)備工序簡單；厚板焊接不需開坡口；接合機構(gòu)簡單，易于管理和節(jié)能。

（3）操作簡單方便同時比較安全易于實現(xiàn)機械化、自動化，焊接過程穩(wěn)定。

（4）不污染環(huán)境，不產(chǎn)生飛濺或難聞的煙氣，也不發(fā)生紫外線或紅外線等有害光線。

3 鋁合金FSW在汽車上的應(yīng)用

近年來，鋁合金材料在汽車上的應(yīng)用越來越廣泛。很多汽車行業(yè)都采用鋁合金零件來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼制零件來減輕整車的重量，進而達到節(jié)能環(huán)保的目的。尤其是現(xiàn)如今的很多新能源汽車更是進行整車鋁合金的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，從而達到減輕整車重量，續(xù)航更持久的功效。例如，特斯拉汽車、吉利汽車、奇瑞汽車，以及江鈴新能源汽車等都在鋁合金車身的應(yīng)用上進行了飛躍式的改革。

（1）如圖2的某汽車前縱梁后段的兩部分型材連接形式為管-管對接，選擇攪拌摩擦焊來對此位置進行焊接。

圖1 攪拌摩擦焊示意圖

圖2 前縱梁后段型材

選用實際結(jié)構(gòu)型材進行攪拌摩擦焊接試驗，通過焊接試驗及相關(guān)檢測項目對該結(jié)構(gòu)的焊接性能進行了分析。如圖3、圖4所示。

圖3 FSW焊接表面圖

圖4 FSW管材金相圖

焊接之后焊縫良好，焊縫表面無犁溝缺陷。焊縫內(nèi)部組織致密、融合良好。

（2）通過對兩塊板材進行攪拌摩擦焊接進行試驗。兩塊板材通過對接的方式進行攪拌摩擦焊接（表1）。

圖5為攪拌摩擦焊接后板材金相的圖片，由圖片可以看出，焊接無任何缺陷并且焊縫質(zhì)量比較良好。

通過對如上合格焊接件的性能檢測，由表2可知，F(xiàn)SW焊和TIG焊接頭的平均抗拉強度分別約為母材的75%和63%。FSW的焊接接頭的抗拉強度、屈服強度，以及焊接接頭強度系數(shù)明顯優(yōu)于TIG焊接接頭。

表1

圖5 FSW板材金相圖

表2

4 結(jié)束語

由上述可知，攪拌摩擦焊在實際的汽車應(yīng)用中越來越廣泛，同時FSW焊接的性能也是比較穩(wěn)定的。由于FSW焊接的優(yōu)越性，為了提高汽車的產(chǎn)能及效率，更好地迎合市場的環(huán)境，攪拌摩擦焊接技術(shù)在以后的生產(chǎn)中會更加成熟的應(yīng)用到汽車及各個行業(yè)。在節(jié)約成本的同時，更能增加汽車的安全性，也為人類的工業(yè)進步提供寶貴的經(jīng)驗。