工艺因素对搅拌摩擦焊的影响

搅拌摩擦焊是一个复杂的工艺过程，影响搅拌摩擦焊的主要因素有搅拌头的材料和结构、旋转速度、焊接速度、搅拌头轴肩、被焊材料的种类等。

根据搅拌摩擦焊传热分析，通过旋转搅拌头与被焊材料的摩擦所产生的热源强度q为

式中 q——热源强度（W/m²）；

Ω——旋转角速度（rad/min）；

P——轴肩与工件之间的压力（Pa）；

μ——摩擦因数；

R——轴肩直径（m）；

r——搅拌头中心到轴肩的距离（m）。

（1）搅拌头材料和结构搅拌摩擦焊所使用的搅拌头由轴肩和摩擦棒组成。搅拌头是搅拌摩擦焊过程中的关键。摩擦棒的结构决定了加热、塑性流动和塑化材料被顶锻的模式；摩擦棒的尺寸和轴肩的大小及形状决定了焊缝的尺寸、焊接速度和接头的强度；摩擦棒的材料决定了摩擦加热的速率、摩擦棒的强度和焊接温度。摩擦棒的材料通常采用合金工具钢。搅拌头轴肩的直径通常是摩擦棒直径的3倍左右，轴肩直径过小，摩擦热不足以塑化材料，轴肩直径过大，可能使轴肩下面的被焊材料达到或超过熔点，不利于焊接强度的提高，甚至会导致焊缝表面的不平整。轴肩的材料可以采用中碳钢。

（2）搅拌头旋转速度转速是影响搅拌摩擦焊热源的主要因素之一。当搅拌头的旋转速度较低时，摩擦热不够，不足以形成热塑性流动层，在焊缝中容易形成孔洞。随着转速的提高，摩擦热增大，热塑性流动层由上而下逐渐增大，焊缝中的孔洞逐渐减小；当转速上升到一定值时，孔洞消失，形成致密的焊缝。但转速过高时，会使摩擦棒周围以及轴肩下面的材料温度达到或超过熔点，无法形成固相连接。根据搅拌摩擦焊所采用的搅拌头、板厚、所焊材料及焊接速度的不同，旋转速度为200～2000r/min。

（3）焊接速度从式（3-3）可知，搅拌摩擦焊过程中，搅拌头的结构及其他参数确定后，热源强度就是一定的，焊接热输入与焊接速度成反比。当焊接速度过小时，搅拌头所产生的热量使焊接温度过高，焊接区金属温度将接近金属熔点，使金属因过热而出现疏松，产生液化裂纹，同时，焊缝表面不平整。当焊接速度过大时，搅拌摩擦焊所产生的热量不足以使搅拌头周围的金属达到塑化状态，不能形成良好的焊缝，焊缝内部易出现孔洞。根据搅拌摩擦焊所采用的搅拌头、板厚、所焊材料及旋转速度的不同，焊接速度一般为1～2.5mm/s。

（4）压紧力搅拌头与被焊工件表面之间的接触状态对焊缝的成形也有较大的影响。当压紧力不足时，表面热塑性金属上浮，溢出焊接表面，焊缝底部在冷却后会由于金属的上浮而形成孔洞。当压紧力过大时，轴肩与工件表面摩擦力增大，摩擦热将使轴肩发生粘头现象，使焊缝表面出现飞边等缺陷。(www.xing528.com)

式中 q——热源强度（W/m²）；

Ω——旋转角速度（rad/min）；

P——轴肩与工件之间的压力（Pa）；

μ——摩擦因数；

R——轴肩直径（m）；

r——搅拌头中心到轴肩的距离（m）。

（1）搅拌头材料和结构搅拌摩擦焊所使用的搅拌头由轴肩和摩擦棒组成。搅拌头是搅拌摩擦焊过程中的关键。摩擦棒的结构决定了加热、塑性流动和塑化材料被顶锻的模式；摩擦棒的尺寸和轴肩的大小及形状决定了焊缝的尺寸、焊接速度和接头的强度；摩擦棒的材料决定了摩擦加热的速率、摩擦棒的强度和焊接温度。摩擦棒的材料通常采用合金工具钢。搅拌头轴肩的直径通常是摩擦棒直径的3倍左右，轴肩直径过小，摩擦热不足以塑化材料，轴肩直径过大，可能使轴肩下面的被焊材料达到或超过熔点，不利于焊接强度的提高，甚至会导致焊缝表面的不平整。轴肩的材料可以采用中碳钢。

（2）搅拌头旋转速度转速是影响搅拌摩擦焊热源的主要因素之一。当搅拌头的旋转速度较低时，摩擦热不够，不足以形成热塑性流动层，在焊缝中容易形成孔洞。随着转速的提高，摩擦热增大，热塑性流动层由上而下逐渐增大，焊缝中的孔洞逐渐减小；当转速上升到一定值时，孔洞消失，形成致密的焊缝。但转速过高时，会使摩擦棒周围以及轴肩下面的材料温度达到或超过熔点，无法形成固相连接。根据搅拌摩擦焊所采用的搅拌头、板厚、所焊材料及焊接速度的不同，旋转速度为200～2000r/min。

（3）焊接速度从式（3-3）可知，搅拌摩擦焊过程中，搅拌头的结构及其他参数确定后，热源强度就是一定的，焊接热输入与焊接速度成反比。当焊接速度过小时，搅拌头所产生的热量使焊接温度过高，焊接区金属温度将接近金属熔点，使金属因过热而出现疏松，产生液化裂纹，同时，焊缝表面不平整。当焊接速度过大时，搅拌摩擦焊所产生的热量不足以使搅拌头周围的金属达到塑化状态，不能形成良好的焊缝，焊缝内部易出现孔洞。根据搅拌摩擦焊所采用的搅拌头、板厚、所焊材料及旋转速度的不同，焊接速度一般为1～2.5mm/s。

（4）压紧力搅拌头与被焊工件表面之间的接触状态对焊缝的成形也有较大的影响。当压紧力不足时，表面热塑性金属上浮，溢出焊接表面，焊缝底部在冷却后会由于金属的上浮而形成孔洞。当压紧力过大时，轴肩与工件表面摩擦力增大，摩擦热将使轴肩发生粘头现象，使焊缝表面出现飞边等缺陷。