俘掳
专家论坛
狮。‰
装甲兵工程学院装备再制造技术国防科技重点实验室（北京市１０００７２）
张平曾庆强
赵军军李奇蔡志海杜军
摘要在分析搅拌摩擦焊原理的基础上，自制了便携式搅拌摩擦焊原理样机，进行了３ｍｍ厚７Ａ５２铝合会薄板的焊接试验。结果表明，在辅助热源加热条件和外加作用力适当的情况下，搅拌头转速为８００ｒ／ｍｉｎ时，能够获得表面成形良好的焊接接头，验证了便携式搅拌摩擦焊设备研制的可行性。从设备、工艺和偏移力等方面分析了原理样机中存在的问题，并提出了相应的解决措施，为下一步研制搅拌摩擦焊设备提供了理论指导。接头的微观组织和显微硬度的测试分析表明，其与普通搅拌摩擦焊接头类似。
关键词：便携式搅拌摩擦焊设备原理样机铝合金
中图分类号：ＴＧ４３８．８
摩擦焊设备，焊接长度可达１６ｍ。由于搅拌摩擦焊过
０前
言
程需要克服塑性金属的巨大阻力，同时要提供足够的顶锻压力，因此这些设备都具有结构复杂、体积庞大的特点，并且价格非常昂贵。目前这些设备主要应用于航空航天、船舶制造、铁路运输、陆路交通等领域中大型零部件的焊接。而对于机械、建筑、家电、装饰行业中一些小型构件的焊接，由于无法使用或者是用不起这些昂贵的大型设备．使得搅拌摩擦焊技术在这些领域中的应用受到限制。在维修领域，特别是军事装备的应急抢修中，要求设备能够方便、快速、灵活的使用，这也限制了搅拌摩擦焊技术在该领域中的应用。如果能够研
制成功一种便携式搅拌摩擦焊设备，就可以极大地拓
搅拌摩擦焊（ＦＳＷ）技术自问世以来就受到世界各国的青睐，其设备研发也成为众多生产厂家和科研人员关注的焦点【川。如美国制造技术系统公司（ＭＴＳ）开发了液压驱动搅拌摩擦焊设备；华盛顿西雅图的ＭＣＥ公司则生产了商业化的搅拌摩擦焊专机设备：通用工具公司（ＧＴＣ）首次制造出了带有真空夹紧装置的搅拌摩擦焊设备：英国、瑞典等国则分别制造了龙门式搅拌
收稿日期：２００９—１ｌ—０２
基金项目：国家自然科学基金（５０８０１０６６）；装备再制造国防科技
重点实验室基金（９１４０Ｃ８５０４０３０８０９）
２２０１０年第６期
万方数据
展该技术的应用空间，推动其进一步向前发展。
近年来为克服搅拌摩擦焊难以焊接高熔点、大厚度材料的缺点．科研人员先后开发了多种ＦＳＷ复合技术，如以感应热１５１、电阻热１６］、电弧【７－－８１、激光［９－ｌ０ｌ和等离子弧１１１】等作为辅助热源的复合搅拌摩擦焊接技术。值得一提的是，复合技术往往针对高熔点材料的焊接，以提高焊接效率和接头性能为目的，复合过程中只是将辅助热源简单地加在搅拌头前方，并没有对设备进行过多的改进。因此，搅拌摩擦焊设备依然保持着原来笨重而复杂的结构，并且由于辅助热源的加入而更加复杂。
文中借鉴ＦＳＷ复合焊接技术优势，提出了便携式搅拌摩擦焊设备的研发思路，自制了便携式搅拌摩擦焊设备的原理样机，并对铝合金薄板进行了焊接试验．对成形的焊接接头性能进行了测试分析，论证了便携式搅拌摩擦焊设备研制的可行性。
１
原理样机的研制
从搅拌摩擦焊的原理看．主要是在搅拌头高速旋转作用下，靠搅拌头和工件之间摩擦生热，使焊缝金属达到塑性熔融状态。并在搅拌头旋转和轴肩挤压作用下形成固相连接的焊缝．其焊接热源全部来自于搅拌头高速旋转产生的摩擦热。倘若在搅拌头前方增加一个辅助热源。提供焊接所需的绝大部分能量，使搅拌头的摩擦产热功能降到次要位置。其主要功能则是完成对焊缝金属的搅拌成形。这样就可以大幅度地减小搅拌摩擦焊设备的尺寸，使其向小型化方向迈进。
图１是便携式搅拌摩擦焊设备原理样机的设计示意图，它由辅助热源、搅拌头、动力机构、传动机构和其它辅助装置组成。辅助热源是外购的水等离子发生器，整体质量只有６ｋｇ，产生的氢氧焰温度可达２
０００ｏＣ
以上，加热斑点可控制在３ｍｍ范围以内，能够对被焊
推进机构传动机构电源线动力机构夹具热源喷嘴
热源
搅拌头
被焊材料
图ｌ便携式搅拌摩擦焊设备原理样机设计示意图
万方数据
蜀彬．‰专家论坛
俘掳
材料集中加热，提供焊接所需能量。搅拌头针对３ｍｍ板材设计。其轴肩直径９ｍｍ，搅拌针直径３ｍｍ，长
度２．５ｎｌｍ。动力机构提供搅拌头旋转所需的动力．同时
通过传动机构，将一部分动力转化为推动设备沿焊缝前进的动力。科学设计各种辅助装置，使辅助热源、动力机构、搅拌头组成一个体积小、质量轻、使用方便的
有机整体。２成形性试验２．１
试验过程
被焊材料为Ａｌ—Ｚｎ—Ｍｇ系的７Ａ５２铝合金板材，厚
度为３ｍｍ，材料状态为出厂态，接头采用对接形式。先
用辅助热源对焊接板材整体预热至２００ｏＣ左右．然后保持在搅拌头前方约１０ｍｍ处定点加热。当温度达到一定值时，人工操作便携式搅拌摩擦焊设备实施焊接。
试验结果表明．当辅助热源加热条件和外加作用力适当的情况下。搅拌头转速为８００ｒ／ｍｉｎ时。可获得表面成形良好的７Ａ５２铝合金接头．如图２ａ所示。但是，由于工艺、设备等方面诸多原因，严重影响焊缝成形，大部分试验结果都不理想，如图２ｂ所示。因此，对试验中影响接头成形的因素进行了分析．并提出了相应的解决措施。
（ａ）成形良好
（ｂ）有缺陷
图２焊接接头宏观形貌
２０１０年第６期
，蜉搭
专家论坛蟊彬雳锄孑
２．２影响因素分析及解决措施
２．２．１
设备因素
原理样机设计的最初目的只是验证研制便携式搅
拌摩擦焊设备的可行性，能够形成如图２ａ所示的焊接接头已基本达到目的。在其设计过程中并没有进行充分的论证和优化，尚有许多结构需要进一步的改进。
首先是动力的不足。在便携式搅拌摩擦焊设备中，尽管搅拌头的摩擦产热作用降到了次要位置，但依然要靠摩擦热作用来进一步软化金属，使金属达到塑性熔融状态之后才能够完成焊接过程。特别是对于铝合金而言，其热传导系数高，散热速度快，搅拌头的摩擦热还要弥补部分散热损失．因此就需要有较高的热输入。在原理样机中，其动力机构的功率仅为１．１ｋＷ，搅拌头转速最高为８００ｒ／ｍｉｎ．这就制约了搅拌头与焊接材料的摩擦产热，影响了焊接接头的成形。如果更换功率更大，旋转速度更高的动力机构，就能够提高摩擦产热量，有助于焊接材料的进一步软化，提高接头质量。
其次是传动机构的不稳定，焊接速度难以控制．焊接过程不够平稳。在原理样机的焊接过程中，更多的是依靠人工来推动焊接设备。因此焊接速度会出现波动。焊接接头的成形性变差。通过进一步优化设计传动机构，利用机械装置来推动焊接设备，这样就可以保证焊接过程的平稳进行．提高焊接质量。
最后是搅拌头的形状和尺寸没有优化设计。搅拌头作为搅拌摩擦焊技术的核心，它的形状、几何尺寸直接影响着焊缝金属的塑性流动状态。一般认为．当搅拌头的直径为板厚的０．９。１．１倍，搅拌头轴肩直径与搅拌针直径之比为３：１时，在适当的工艺条件下能够获得高质量的焊缝。由于便携式搅拌摩擦焊设备的电机功率区，所以便携式设备的搅拌头轴肩与搅拌针直径之比在便携式搅拌摩擦焊过程中，影响焊接接头成形万方数据
２０１０年第６期
面。这几个工艺参数必须相互很好的匹配才能够保证焊缝的成形。
在原理样机的焊接过程中，常常由于法向压力的不足导致搅拌头与被焊工件表面未能完全接触，热塑性金属被旋转的搅拌针向上挤出后．焊缝靠近搅拌头轴肩部分由于得不到一定的金属补偿而在表面形成沟槽或组织疏松缺陷。研究表明．法向压力随着搅拌头旋转速度的提高而降低。随焊接速度的提高而增加【１２１。针对便携式搅拌摩擦焊设备提供的法向压力不足的问题，可以通过增大电机功率来提高搅拌头转速，同时降低焊接速度，使实现焊接成形所需的法向压力减小。也可以借鉴双轴肩自适应搅拌摩擦焊技术【１３。１４】，设计适合便携式焊接的双轴肩搅拌头，依靠搅拌头的双轴肩提供焊接所需的法向压力。
如前所述．便携式搅拌摩擦焊的焊接能最主要依靠辅助热源来提供，因此．辅助热源对材料的预热温度和加热温度等就成为影响焊缝成形的重要因素。材料的预热温度和加热温度低时，材料达不到塑性熔融状态，难以完成焊接过程或者是形不成良好的焊缝。反之，预热温度和加热温度过高时．材料熔化．焊缝在搅拌头轴肩挤压作用下会塌陷．失去了搅拌摩擦焊的意义。所以在辅助热源的热输入量和搅拌头摩擦生热的热输入量之间要建立良好的匹配关系。并与材料的散热量之间建立一个动态平衡过程。使被焊材料始终处于塑性熔融状态，最终完成焊接过程。同时，焊接速度与总的焊接热输入之间有一个对应关系。焊接速度过高，焊接热输入不足，材料达不到塑性熔融状态，焊缝成形困难。焊接速度过低，焊接热输入量大，会使焊缝金属熔化．无法进行焊接。
由此可见．在影响便携式搅拌摩擦焊过程的各工在关于搅拌摩擦焊研究的所有文献中都没有提到同一设备上，设备本身的刚性足以抵消偏移力，焊接过艺因素之间，必须建立良好的匹配关系，使焊接过程平稳进行。这可以通过对焊接温度场的数值模拟和试验方法来得到最佳的焊接工艺，最终减小焊接工艺因素对焊缝成形的影响。
２．２．３偏移力的影响
较传统的搅拌摩擦焊设备功率要大幅度降低．能够提供的下压力和前进力有限，搅拌头的尺寸，尤其是搅拌针的尺寸要尽可能的减小。由于搅拌头的尺寸减小．焊接接头中的焊核区和热影响区会相应减小。另一方面．搅拌头的形状设计要使得焊接过程中能够有更多的焊缝塑性金属参与到搅拌过程中，即要扩大其热机影响应该大于３：１。在对原理样机改进的基础上，可以通过试验方法优化设计搅拌头，最终提高焊接质量。
２．２．２工艺因素
偏移力这一概念，主要是因为目前的搅拌摩擦焊工作平台是一体化的，即搅拌摩擦焊设备和焊件是固定在程中不存在搅拌头偏离焊缝的问题。便携式搅拌摩擦焊设备为了适应小件焊接、应急维修的需要，焊接设备和焊件是分离的，所以偏移力也就成为影响焊接质量
的因素主要包括搅拌头旋转速度、焊接速度、法向压力、材料的预热温度和辅助热源的加热温度等几个方
４
的一个重要因素。在原理样机的焊接过程中，就经常出现搅拌头偏离焊接方向的现象。
所谓偏移力．其定义为搅拌针前后半面由于所受摩擦力不等，导致搅拌针偏离焊接方向的摩擦力分量，其方向垂直于焊接方向。如图３所示，将搅拌针沿垂直于焊接方向分为前后两个半面。焊接过程中．搅拌针的前半面与后半面受到的压应力不等。通常情况下，后半面受到的正应力大约为前半面的４０％～６０％ｊ蚓．致使前后半面对应点处摩擦力方向相反，大小不等，且前半面的摩擦力要大于后半面的摩擦力。假设后半面的摩擦力被前半面的抵消之后，只有前半面受到压应力作用，且各处压应力大小相等。将摩擦力分解为垂直和平行于焊接方向的两个分力，则经积分可得前半面的偏移
力大小为：
ｒｏ
ｆＨ
ｅ萨Ｊ。Ｊ。／ｘ２０－２ＲｐＳｉｎＯｄＯｄｈ＝躯２０ｒ２ＲｐＨ
（１）
式中Ｂ。：——偏移力，Ｎ
砌——摩擦系数
矿，——正压力．ＭＰａ
Ｒ。——搅拌针半径，ｍｍ０——周向角．ｒａｄ日——搅拌针长度，ｍｍ
从式（１）中可以看出，偏移力除和材料有关外，还与搅拌针的尺寸有关。可以通过减小搅拌针的尺寸来减小偏移力对焊缝成形的影响。另外，也可以通过调整前进推力的方向，使其在垂直于焊接方向上的分力与偏移力大小相等，方向相反，从而消除偏移力的影响。最理想的方法是在便携式搅拌摩擦焊设备中科学设置辅助装置，使操作人员能够稳定的人为施力，以消除偏
移力。
焊接方向口
旋转方
向
图３偏移力分析示意图
万方数据
驰．‰
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ｒ蜉掳
３微观组织分析和显微硬度测试
在对成形性研究的基础上，利用（ＯＬＹＭＰＵＳ）
ＢＸ２Ｍ金相显微镜和ＨＸ一１０００Ｂ视频显示维氏显微硬
度计分别对图２ａ所示成形良好的焊接接头的微观组织和显微硬度进行了测试分析。
一般地，普通搅拌摩擦焊的焊接接头可以划分为动态再结晶区（ＤＲＺ）、热一机影响区（ＴＭＡＺ）、热影响区（ＨＡＺ）和母材（ＢＭ）四个区域，如图４所示【１６１。图５所示为便携式复合搅拌摩擦焊接头的整体微观组织．能够非常清楚地分辨焊核区、热一机影响区和母材区。看不出明显的热影响区。这是由于在原理样机的焊接过程中．辅助热源的加热区域集中在焊核区。搅拌头产热量又相对较小．而铝合金本身热导率大。所以在焊核区以外区域的温度会迅速下降，使得热一机影响区和热影响
区混为了一体，并且该区域相对较窄，很快就过渡到母材区域。
图４晋通搅拌摩擦焊援头金相照片
图６所示为焊接接头各区域的微观组织。图６ａ是动态再结晶区，为细小的等轴晶区域。该区域在等离子辅助热源和搅拌摩擦热作用下，发生了再结晶．但其再结晶过程是一个动态过程。受搅拌头的旋转搅拌以及轴肩锻压力的共同作用．晶粒的长大过程不断被破坏。最终得到细小致密的等轴晶粒。图６ｂ是热一机影响区。与焊核区的分界线比较明显。在焊接热循环作用下。部分晶粒发生了再结晶．同时由于搅拌头旋转带动作用．
发生了明显的塑性流线变形。临近焊核的部位还出现了晶粒破碎现象，但晶粒尺寸较大。因为搅拌头尺寸很小。由搅拌头旋转引起晶粒变形的区域也很窄。所以热一机影响区范围很窄。图６ｃ所示的母材区是典型的轧制组织，晶粒呈沿轧制方向分布的纤维状，长度约为数百微米。析出物也沿轧制方向排列。但不是十分明显。
图７是７Ａ５２铝合金便携式搅拌摩擦焊接头显微
２０１０年第６期
５
俘荡
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缈．‰
图５便携式搅拌摩擦焊接头金相照片
硬度的分布图，与普通搅拌摩擦焊接头的显微硬度分布规律相同。焊核区的平均显微硬度要低于母材的显
微硬度，相差大约２０ＨＶ０．１．这是由于便携式搅拌摩
擦焊时的法向压力小，焊核区晶粒致密度相对较低所致。热一机影响区的平均显微硬度最低，最低值为８２．３７ＨＶ０．１，说明该区域是整个接头最薄弱的部位。如前所述，由于热循环温度在该区域迅速下降。且搅拌头尺寸较小，带动塑性熔融金属流动不充分．导致该区域成为最薄弱的区域。在距焊缝中心５．５ｍｍ处，显微硬度已基本保持不变，由此可以估计热影响的范围约为１１
如
加
＝
ｄ＞Ｚ
ｍ
魁爱拦嘣
∞如
蚰
一８
—６—４
—２
Ｏ
２
４
６
８
距离焊缝中心距离／ｒａｍ图７焊缝的显微硬度分布
很显然．图２ａ所示的接头并不是最好的接头。通过对原理样机的改进以及对焊接工艺的优化。焊接接头的微观组织可能会有所变化．接头性能也肯定会得到进一步提高。
４结
图６便携式搅拌摩擦焊接头微观组织
６
２０１０年第６期
论
（１）在对搅拌摩擦焊原理分析的基础上，自制了便
万方数据
携式搅拌摩擦焊原理样机，并通过试验验证．该原理样机在辅助热源加热条件和外加作用力适当的情况下。搅拌头转速为８００ｒ／ｍｉｎ时，能够获得表面成形良好的焊接接头，证明了便携式搅拌摩擦焊的可行性。
（２）微观组织分析和显微硬度测试表明．接头内部无缺陷，与普通搅拌摩擦焊的接头相似。通过对设备的改进和工艺优化，其接头性能会进一步得到提高。
（３）提出了偏移力的概念，偏移力大小与材料和搅拌针的形状、尺寸有关，是便携式搅拌摩擦焊设备焊接过程中影响焊缝成形的重要因素。
（４）从设备、工艺和偏移力等方面分析了搅拌摩擦焊原理样机中存在的问题，并提出了相应的解决措施。
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２０１０年第６期７
【１０】Ｊｏｅｌｊ
【１２】
便携式搅拌摩擦焊设备研制可行性探讨
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
张平， 曾庆强， 赵军军， 李奇， 蔡志海， 杜军， Zhang Ping， Zeng Qingqiang，Zhao Junjun， Li Qi， Cai Zhihai， Du Jun
装甲兵工程学院,装备再造技术国防科技重点实验室,北京市,100072焊接
WELDING & JOINING2010(6)
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文中借鉴ＦＳＷ复合焊接技术优势，提出了便携式搅拌摩擦焊设备的研发思路，自制了便携式搅拌摩擦焊设备的原理样机，并对铝合金薄板进行了焊接试验．对成形的焊接接头性能进行了测试分析，论证了便携式搅拌摩擦焊设备研制的可行性。
１
原理样机的研制
从搅拌摩擦焊的原理看．主要是在搅拌头高速旋转作用下，靠搅拌头和工件之间摩擦生热，使焊缝金属达到塑性熔融状态。并在搅拌头旋转和轴肩挤压作用下形成固相连接的焊缝．其焊接热源全部来自于搅拌头高速旋转产生的摩擦热。倘若在搅拌头前方增加一个辅助热源。提供焊接所需的绝大部分能量，使搅拌头的摩擦产热功能降到次要位置。其主要功能则是完成对焊缝金属的搅拌成形。这样就可以大幅度地减小搅拌摩擦焊设备的尺寸，使其向小型化方向迈进。
图１是便携式搅拌摩擦焊设备原理样机的设计示意图，它由辅助热源、搅拌头、动力机构、传动机构和其它辅助装置组成。辅助热源是外购的水等离子发生器，整体质量只有６ｋｇ，产生的氢氧焰温度可达２
０００ｏＣ
以上，加热斑点可控制在３ｍｍ范围以内，能够对被焊
推进机构传动机构电源线动力机构夹具热源喷嘴
热源
搅拌头
被焊材料
图ｌ便携式搅拌摩擦焊设备原理样机设计示意图
万方数据
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材料集中加热，提供焊接所需能量。搅拌头针对３ｍｍ板材设计。其轴肩直径９ｍｍ，搅拌针直径３ｍｍ，长
度２．５ｎｌｍ。动力机构提供搅拌头旋转所需的动力．同时
通过传动机构，将一部分动力转化为推动设备沿焊缝前进的动力。科学设计各种辅助装置，使辅助热源、动力机构、搅拌头组成一个体积小、质量轻、使用方便的
有机整体。２成形性试验２．１
试验过程
被焊材料为Ａｌ—Ｚｎ—Ｍｇ系的７Ａ５２铝合金板材，厚
度为３ｍｍ，材料状态为出厂态，接头采用对接形式。先
用辅助热源对焊接板材整体预热至２００ｏＣ左右．然后保持在搅拌头前方约１０ｍｍ处定点加热。当温度达到一定值时，人工操作便携式搅拌摩擦焊设备实施焊接。
试验结果表明．当辅助热源加热条件和外加作用力适当的情况下。搅拌头转速为８００ｒ／ｍｉｎ时。可获得表面成形良好的７Ａ５２铝合金接头．如图２ａ所示。但是，由于工艺、设备等方面诸多原因，严重影响焊缝成形，大部分试验结果都不理想，如图２ｂ所示。因此，对试验中影响接头成形的因素进行了分析．并提出了相应的解决措施。
（ａ）成形良好
（ｂ）有缺陷
图２焊接接头宏观形貌
２０１０年第６期
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２．２影响因素分析及解决措施
２．２．１
设备因素
原理样机设计的最初目的只是验证研制便携式搅
拌摩擦焊设备的可行性，能够形成如图２ａ所示的焊接接头已基本达到目的。在其设计过程中并没有进行充分的论证和优化，尚有许多结构需要进一步的改进。
首先是动力的不足。在便携式搅拌摩擦焊设备中，尽管搅拌头的摩擦产热作用降到了次要位置，但依然要靠摩擦热作用来进一步软化金属，使金属达到塑性熔融状态之后才能够完成焊接过程。特别是对于铝合金而言，其热传导系数高，散热速度快，搅拌头的摩擦热还要弥补部分散热损失．因此就需要有较高的热输入。在原理样机中，其动力机构的功率仅为１．１ｋＷ，搅拌头转速最高为８００ｒ／ｍｉｎ．这就制约了搅拌头与焊接材料的摩擦产热，影响了焊接接头的成形。如果更换功率更大，旋转速度更高的动力机构，就能够提高摩擦产热量，有助于焊接材料的进一步软化，提高接头质量。
其次是传动机构的不稳定，焊接速度难以控制．焊接过程不够平稳。在原理样机的焊接过程中，更多的是依靠人工来推动焊接设备。因此焊接速度会出现波动。焊接接头的成形性变差。通过进一步优化设计传动机构，利用机械装置来推动焊接设备，这样就可以保证焊接过程的平稳进行．提高焊接质量。
最后是搅拌头的形状和尺寸没有优化设计。搅拌头作为搅拌摩擦焊技术的核心，它的形状、几何尺寸直接影响着焊缝金属的塑性流动状态。一般认为．当搅拌头的直径为板厚的０．９。１．１倍，搅拌头轴肩直径与搅拌针直径之比为３：１时，在适当的工艺条件下能够获得高质量的焊缝。由于便携式搅拌摩擦焊设备的电机功率区，所以便携式设备的搅拌头轴肩与搅拌针直径之比在便携式搅拌摩擦焊过程中，影响焊接接头成形万方数据
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面。这几个工艺参数必须相互很好的匹配才能够保证焊缝的成形。
在原理样机的焊接过程中，常常由于法向压力的不足导致搅拌头与被焊工件表面未能完全接触，热塑性金属被旋转的搅拌针向上挤出后．焊缝靠近搅拌头轴肩部分由于得不到一定的金属补偿而在表面形成沟槽或组织疏松缺陷。研究表明．法向压力随着搅拌头旋转速度的提高而降低。随焊接速度的提高而增加【１２１。针对便携式搅拌摩擦焊设备提供的法向压力不足的问题，可以通过增大电机功率来提高搅拌头转速，同时降低焊接速度，使实现焊接成形所需的法向压力减小。也可以借鉴双轴肩自适应搅拌摩擦焊技术【１３。１４】，设计适合便携式焊接的双轴肩搅拌头，依靠搅拌头的双轴肩提供焊接所需的法向压力。
如前所述．便携式搅拌摩擦焊的焊接能最主要依靠辅助热源来提供，因此．辅助热源对材料的预热温度和加热温度等就成为影响焊缝成形的重要因素。材料的预热温度和加热温度低时，材料达不到塑性熔融状态，难以完成焊接过程或者是形不成良好的焊缝。反之，预热温度和加热温度过高时．材料熔化．焊缝在搅拌头轴肩挤压作用下会塌陷．失去了搅拌摩擦焊的意义。所以在辅助热源的热输入量和搅拌头摩擦生热的热输入量之间要建立良好的匹配关系。并与材料的散热量之间建立一个动态平衡过程。使被焊材料始终处于塑性熔融状态，最终完成焊接过程。同时，焊接速度与总的焊接热输入之间有一个对应关系。焊接速度过高，焊接热输入不足，材料达不到塑性熔融状态，焊缝成形困难。焊接速度过低，焊接热输入量大，会使焊缝金属熔化．无法进行焊接。
由此可见．在影响便携式搅拌摩擦焊过程的各工在关于搅拌摩擦焊研究的所有文献中都没有提到同一设备上，设备本身的刚性足以抵消偏移力，焊接过艺因素之间，必须建立良好的匹配关系，使焊接过程平稳进行。这可以通过对焊接温度场的数值模拟和试验方法来得到最佳的焊接工艺，最终减小焊接工艺因素对焊缝成形的影响。
２．２．３偏移力的影响
较传统的搅拌摩擦焊设备功率要大幅度降低．能够提供的下压力和前进力有限，搅拌头的尺寸，尤其是搅拌针的尺寸要尽可能的减小。由于搅拌头的尺寸减小．焊接接头中的焊核区和热影响区会相应减小。另一方面．搅拌头的形状设计要使得焊接过程中能够有更多的焊缝塑性金属参与到搅拌过程中，即要扩大其热机影响应该大于３：１。在对原理样机改进的基础上，可以通过试验方法优化设计搅拌头，最终提高焊接质量。
２．２．２工艺因素
偏移力这一概念，主要是因为目前的搅拌摩擦焊工作平台是一体化的，即搅拌摩擦焊设备和焊件是固定在程中不存在搅拌头偏离焊缝的问题。便携式搅拌摩擦焊设备为了适应小件焊接、应急维修的需要，焊接设备和焊件是分离的，所以偏移力也就成为影响焊接质量
的因素主要包括搅拌头旋转速度、焊接速度、法向压力、材料的预热温度和辅助热源的加热温度等几个方
４
的一个重要因素。在原理样机的焊接过程中，就经常出现搅拌头偏离焊接方向的现象。
所谓偏移力．其定义为搅拌针前后半面由于所受摩擦力不等，导致搅拌针偏离焊接方向的摩擦力分量，其方向垂直于焊接方向。如图３所示，将搅拌针沿垂直于焊接方向分为前后两个半面。焊接过程中．搅拌针的前半面与后半面受到的压应力不等。通常情况下，后半面受到的正应力大约为前半面的４０％～６０％ｊ蚓．致使前后半面对应点处摩擦力方向相反，大小不等，且前半面的摩擦力要大于后半面的摩擦力。假设后半面的摩擦力被前半面的抵消之后，只有前半面受到压应力作用，且各处压应力大小相等。将摩擦力分解为垂直和平行于焊接方向的两个分力，则经积分可得前半面的偏移
力大小为：
ｒｏ
ｆＨ
ｅ萨Ｊ。Ｊ。／ｘ２０－２ＲｐＳｉｎＯｄＯｄｈ＝躯２０ｒ２ＲｐＨ
（１）
式中Ｂ。：——偏移力，Ｎ
砌——摩擦系数
矿，——正压力．ＭＰａ
Ｒ。——搅拌针半径，ｍｍ０——周向角．ｒａｄ日——搅拌针长度，ｍｍ
从式（１）中可以看出，偏移力除和材料有关外，还与搅拌针的尺寸有关。可以通过减小搅拌针的尺寸来减小偏移力对焊缝成形的影响。另外，也可以通过调整前进推力的方向，使其在垂直于焊接方向上的分力与偏移力大小相等，方向相反，从而消除偏移力的影响。最理想的方法是在便携式搅拌摩擦焊设备中科学设置辅助装置，使操作人员能够稳定的人为施力，以消除偏
移力。
焊接方向口
旋转方
向
图３偏移力分析示意图
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３微观组织分析和显微硬度测试
在对成形性研究的基础上，利用（ＯＬＹＭＰＵＳ）
ＢＸ２Ｍ金相显微镜和ＨＸ一１０００Ｂ视频显示维氏显微硬
度计分别对图２ａ所示成形良好的焊接接头的微观组织和显微硬度进行了测试分析。
一般地，普通搅拌摩擦焊的焊接接头可以划分为动态再结晶区（ＤＲＺ）、热一机影响区（ＴＭＡＺ）、热影响区（ＨＡＺ）和母材（ＢＭ）四个区域，如图４所示【１６１。图５所示为便携式复合搅拌摩擦焊接头的整体微观组织．能够非常清楚地分辨焊核区、热一机影响区和母材区。看不出明显的热影响区。这是由于在原理样机的焊接过程中．辅助热源的加热区域集中在焊核区。搅拌头产热量又相对较小．而铝合金本身热导率大。所以在焊核区以外区域的温度会迅速下降，使得热一机影响区和热影响
区混为了一体，并且该区域相对较窄，很快就过渡到母材区域。
图４晋通搅拌摩擦焊援头金相照片
图６所示为焊接接头各区域的微观组织。图６ａ是动态再结晶区，为细小的等轴晶区域。该区域在等离子辅助热源和搅拌摩擦热作用下，发生了再结晶．但其再结晶过程是一个动态过程。受搅拌头的旋转搅拌以及轴肩锻压力的共同作用．晶粒的长大过程不断被破坏。最终得到细小致密的等轴晶粒。图６ｂ是热一机影响区。与焊核区的分界线比较明显。在焊接热循环作用下。部分晶粒发生了再结晶．同时由于搅拌头旋转带动作用．
发生了明显的塑性流线变形。临近焊核的部位还出现了晶粒破碎现象，但晶粒尺寸较大。因为搅拌头尺寸很小。由搅拌头旋转引起晶粒变形的区域也很窄。所以热一机影响区范围很窄。图６ｃ所示的母材区是典型的轧制组织，晶粒呈沿轧制方向分布的纤维状，长度约为数百微米。析出物也沿轧制方向排列。但不是十分明显。
图７是７Ａ５２铝合金便携式搅拌摩擦焊接头显微
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图５便携式搅拌摩擦焊接头金相照片
硬度的分布图，与普通搅拌摩擦焊接头的显微硬度分布规律相同。焊核区的平均显微硬度要低于母材的显
微硬度，相差大约２０ＨＶ０．１．这是由于便携式搅拌摩
擦焊时的法向压力小，焊核区晶粒致密度相对较低所致。热一机影响区的平均显微硬度最低，最低值为８２．３７ＨＶ０．１，说明该区域是整个接头最薄弱的部位。如前所述，由于热循环温度在该区域迅速下降。且搅拌头尺寸较小，带动塑性熔融金属流动不充分．导致该区域成为最薄弱的区域。在距焊缝中心５．５ｍｍ处，显微硬度已基本保持不变，由此可以估计热影响的范围约为１１
如
加
＝
ｄ＞Ｚ
ｍ
魁爱拦嘣
∞如
蚰
一８
—６—４
—２
Ｏ
２
４
６
８
距离焊缝中心距离／ｒａｍ图７焊缝的显微硬度分布
很显然．图２ａ所示的接头并不是最好的接头。通过对原理样机的改进以及对焊接工艺的优化。焊接接头的微观组织可能会有所变化．接头性能也肯定会得到进一步提高。
４结
图６便携式搅拌摩擦焊接头微观组织
６
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论
（１）在对搅拌摩擦焊原理分析的基础上，自制了便
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携式搅拌摩擦焊原理样机，并通过试验验证．该原理样机在辅助热源加热条件和外加作用力适当的情况下。搅拌头转速为８００ｒ／ｍｉｎ时，能够获得表面成形良好的焊接接头，证明了便携式搅拌摩擦焊的可行性。
（２）微观组织分析和显微硬度测试表明．接头内部无缺陷，与普通搅拌摩擦焊的接头相似。通过对设备的改进和工艺优化，其接头性能会进一步得到提高。
（３）提出了偏移力的概念，偏移力大小与材料和搅拌针的形状、尺寸有关，是便携式搅拌摩擦焊设备焊接过程中影响焊缝成形的重要因素。
（４）从设备、工艺和偏移力等方面分析了搅拌摩擦焊原理样机中存在的问题，并提出了相应的解决措施。
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