镁合金摩擦焊的研究与应用

摩擦焊是一种压焊方法，它是在外力作用下，利用焊件接触面之间的相对摩擦运动和塑性流动所产生的热量，使接触面及其邻近区金属达到黏塑性状态并产生适当的宏观塑性变形，通过两侧材料间的相互扩散和动态再结晶而完成焊接的。

在镁合金的焊接领域内，由于传统的连续驱动摩擦焊（continues drive friction welding）对于镁合金的结构件形状要求较高，以及镁合金本身的绝对强度不高，所以在镁合金的各种摩擦焊接方法中，以镁合金的搅拌摩擦焊和惯性摩擦焊应用最为广泛，本节也仅介绍这两种摩擦焊接方法。

1.镁合金摩擦焊的分类

（1）搅拌摩擦焊（friction stir welding） 搅拌摩擦焊是英国焊接研究所推出的一项专利技术，其原理如图5-18所示。当采用搅拌摩擦焊时，先使搅拌头旋转，然后把施焊特形指棒伸入被焊金属内部，依靠施焊特形指棒与金属之间摩擦产生的热量使金属软化，并搅动软化金属，从而达到连接两个结构件的目的。

图5-18 搅拌摩擦焊原理示意图

从其焊接原理可知，搅拌摩擦焊对于焊接构件形状要求不高，可应用于焊接镁合金板材的对接等。除了具有普通摩擦焊接技术的优点外，搅拌摩擦焊还可以进行多种接头形式和不同焊接位置的焊接。但因为摩擦力的作用，有可能使焊件发生振动和偏移而影响焊接质量，所以焊件必须刚性固定，这也限制了这种工艺的应用；另外，在对焊焊缝处会有轻微塌陷存在，这主要受对接的尺寸精度影响，而且在焊接结束时会有一个小孔留下，这是退出搅拌头时造成的，如果采用一些辅助工艺又会造成材料的浪费，有些生产场合又不允许使用这些工艺。总之，这些都会影响焊缝的质量和美观，所以此种工艺还有待进一步的完善。

（2）惯性摩擦焊（inertia friction welding） 惯性摩擦焊是另外一种典型的摩擦焊工艺。在惯性摩擦焊过程中，旋转焊件与一个飞轮相连。焊接时，飞轮首先被加速到设定的转速，以动能形式储存所需的能量，随后电动机通过离合器与主轴脱离。当移动焊件在轴向压力作用下向旋转焊件靠拢、压紧后，储存在飞轮中的动能通过摩擦逐渐转换为热能，而飞轮转速则不断降低，直至主轴停止转动。保压一段时间后，焊接结束。在焊件表面速度降低到约1m/s时，会出现一个比连续驱动摩擦焊大得多的后峰值扭矩，该扭矩与轴向压力一起，使轴向缩短量急剧增大，从而起到顶锻作用。

惯性摩擦焊具有如下特点：控制参量少（只有压力和转速），便于实现自动控制；焊接参数稳定性好，接头质量稳定；能在短时间内释放较大的能量，适用于焊接大截面结构；焊接周期短，热影响区窄；无须制动装置，焊机结构简单。(www.xing528.com)

（3）其他的摩擦焊接新工艺 其他的摩擦焊接新工艺有：线性摩擦焊（linear friction welding）、嵌入摩擦焊（friction plunge welding）、第三体摩擦焊（third-body friction welding）、相位控制摩擦焊（phasing control friction welding）、径向摩擦焊（radial friction welding）、摩擦堆焊（friction surfacing）等，在镁合金中都有所应用。

2.镁合金摩擦焊的优点

（1）固相焊 由于在焊接过程中没有金属熔化，即没有冶金过程，因此也就没有偏析、夹杂、气孔等冶金缺陷，所以焊接接头的力学性能要好于熔焊的接头性能；另外由于加热速度快和在压力下冷却，所以会使得组织细化、致密、均匀，无明显的热影响区。

（2）工艺适应性强 摩擦焊焊接温度低，不易形成镁铝合金相（脆性相），因而可焊接一些焊接性很差的高铝含量镁合金，如AZ91。另外，也适用于镁和异种材料的焊接（熔点相差太远的金属除外）。摩擦焊的接头被认为是比较可靠的。另外，由于摩擦焊的种类繁多，所以它还有广泛的结构尺寸和接头形式适应性。

（3）焊接过程可重复性高 由于控制参量少（只有压力、时间、速度和位移，惯性摩擦焊只有转速和压力两个），使得焊接的自动化易于实现、操作方便，如果使用计算机自动控制能大大提高焊接的精度。

（4）低耗、高效、绿色 由于摩擦焊的热效率高（摩擦生热），因此与其他焊接方法相比，摩擦焊能耗仅为它们的20%左右，同时也不用填充材料；因为能量利用率高，所以焊接效率自然高，如果采用机械上下料和自动焊前处理，摩擦焊的效率会比其他方法高几十倍；在焊接过程中不会产生火花、放射、高频等有害环境，所以摩擦焊也是一种绿色的焊接工艺。

然而摩擦焊对工件的形状要求较高，一般至少有一个是旋转件。随着新工艺的推出，这个问题正逐渐地被解决，前面提到的搅拌摩擦焊就是为了解决平板对接问题提出的，且已成功地用于镁合金焊接。