党杰，张琳

(西安航空职业技术学院，陕西西安710089)

1991年，英国焊接研究所(TWI)研发出了一种绿色的新型固相连接技术［1－3］——搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding，简称FSW)。这种方法不需要填充材料和保护气体，能耗低，对环境无污染［4－5］。自其问世以来，倍受青睐。许多科研院所、大学和公司都投入了大量的人力物力，展开了相关的研究工作。如今，此项技术已能成功连接铝、镁、铜及其合金等金属材料，也已在航天、航空、核能、船舶和交通运输等领域广泛应用起来［6－9］。

因此，尝试用搅拌摩擦焊对聚丙烯塑料板材进行焊接。通过实验得知:台肩压力适中，旋转速度n=3000r/min，焊接速度υ=25mm/min时的焊缝成形很好［10］。但是，搅拌头旋转速度、焊接速度及其对塑料板上表面的压力等工艺参数不相匹配时，会出现表面粗糙、飞边和空洞等缺陷。

1 焊接工艺与步骤［10－11］

(1)准备材料。用手工锯将PP塑料板锯成尺寸为140mm×35mm的窄条，并在铣床上修整好对接面，之后进行简单的焊前清理。

(2)固定搅拌头。将搅拌头装夹在铣床上，确保旋转平稳。在平口钳上垫一块铁块，取两块准备好的10mm厚的PP窄条，将其对接平齐放在铁块上，用平口钳夹紧。调节工作台，使搅拌头的特形指棒中心与板缝对齐，下调搅拌头，使其台肩刚好贴在PP板的上表面(如图1)。

图1 搅拌头台肩贴板上表面Fig.1 shoulder flitch upper surface of stir welding head

(3)确定参数。将搅拌头的旋转速度n(同主轴)调到2500r/min，焊接进给速度υ调到20mm/min，开启铣床，使其纵向进给，焊接过程如图2。

图2 焊接过程Fig.2 welding process

(4)做好记录。待搅拌头到PP板末端时，关掉铣床，稍作停顿，待熔融的塑料冷却硬化后，取下焊好的PP板，标明记号，并记录好此次焊接所选用的工艺参数。

(5)调整参数。保持搅拌头的旋转速度(同主轴)n=2500r/min不变，先后将焊接进给速度υ调到25mm/min和30mm/min，继续按照以上(2)、(3)、(4)所述步骤反复操作。

(6)反复操作。设定搅拌头的旋转速度(同主轴)n=3000r/min和n=3500r/min，再分别将焊接进给速度υ调到20mm/min、25mm/min和30mm/min，并且按照以上(2)、(3)、(4)所述步骤反复操作。

注意:铣床工作中，不能变换搅拌头的旋转速度和焊接的进给速度;若有不正常声音应立即切断电源，铣床停止工作。

2 飞边缺陷［12］

在搅拌摩擦焊的焊接过程中，搅拌头在上方，垫块和未塑化的母材塑料板在下面，它们形成了一定的挤压空间，塑性材料在这个挤压空间中流动，并且在搅拌头后面形成焊缝。当焊接压力过大且搅拌头旋转速度过高时，焊缝的厚度将比母材的厚度略小一些。焊接过程中，挤压空间的体积减小，小于理想状态焊接时的容积，这样会致使部分塑性材料被挤出，这些被挤出的塑性材料也会随着搅拌头的旋转而被带出，冷却后则形成飞边。一般情况下，多余的塑性材料会被挤到返回侧，后又由搅拌头轴肩从返回侧被带出。因此，飞边缺陷一般出现在焊缝的返回侧，如图3所示。

图3 飞边缺陷Fig.3 flash defects

在拉伸试验过程中，若被拉伸的焊接接头有飞边缺陷，那么其实际的承载面积会减小，而且还有可能存在应力集中，进而会影响到焊接接头的力学性能。当然，若搅拌头的旋转速度和焊接压力都适中时，挤压空间的体积刚好等于焊接时塑化材料的容积，塑化材料则全部被带到搅拌头后面而形成焊缝，从而不会产生飞边缺陷。

3 焊缝表面粗糙［13］

焊缝表面粗糙是指材料被焊接后所形成的焊缝表面不均匀、不平整、不美观。焊接过程中，当搅拌头旋转速度和焊接速度都过低时，摩擦产生的热量太少，焊缝材料不能被完全塑化，当然也就不会充分均匀地流动，从而导致形成的焊缝表面粗糙(如图4所示，当υ=25mm/min，n=2500r/min时，用搅拌摩擦焊焊接聚丙烯板材所形成的焊缝表面粗糙);另外，当搅拌头的旋转速度过大时，焊缝内部会产生过多热量，使焊核区材料出现局部过烧现象，这样也会导致焊缝表面粗糙。一般情况下，这种缺陷对接头的性能影响不大。如果焊缝表面成形要求较高的话，可以采取人工方法修整好焊缝表面。

图4 焊缝表面粗糙Fig.4 rough weld surface

4 孔洞缺陷［14］

在实际焊接过程中，经常会有焊缝中出现孔洞和隧道缺陷，如图5所示。

图5 孔洞缺陷Fig.5 holes defects

孔洞缺陷一般位于焊缝的前进侧。焊接时，若搅拌头旋转速度过低，或者焊接速度太高，或者焊接压力太小，则焊缝中热量的输入就不足。这样，被焊材料不能达到完全塑化状态，其流动性能就较差，致使不能及时的填充空隙而形成完全封闭的焊缝，从而在焊缝内产生孔洞。当选择的工艺参数极不合适时，材料的流动能力将会更差，出现的孔洞也会增多，更甚者将会在在焊缝内形成隧道缺陷。这将会严重影响到焊缝力学性能，应尽量避免。当搅拌头旋转速度、焊接速度和焊接压力等工艺参数选择合适时，焊缝的热输入量足够，被焊材料能达到完全塑化状态，流动性能好，则能避免孔洞和隧道缺陷，形成封闭的焊缝。

5 焊缝组织观察

当旋转速度n=3000r/min，焊接速度υ=25mm/min时，10mm厚的聚丙烯塑料板搅拌摩擦焊所形成的焊缝的截面宏观组织如图6所示，从此图中，我们可以看出，在聚丙烯塑料板焊缝横截面上，材料的分布比较均匀，焊缝区没有夹杂或气孔等缺陷，图中的一条弯曲线条是焊缝和母材的分界线。显而易见，焊缝两侧的分界线不同，其前进侧的分界线相对比较明显，而返回侧的则较模糊，这与材料的流动有关。前进侧母材和焊缝的分界线较清晰，是因为塑料焊接与金属材料焊接不同，塑料粘性较大，摩擦产生热的速度比较慢，材料还未得到充分塑化就随着搅拌头流动，搅拌头则相当于对材料有一定的切削作用，所以在前进侧母材和焊缝有明显的分界线。

图6 焊缝截面宏观组织Fig.6 macro-structure of weld joint section

6 结论

(1)当选择的焊接工艺参数不合适时，接头中就容易出现飞边、表面粗糙和孔洞等缺陷。

(2)在实际应用中，表面粗糙和飞边缺陷对焊缝的组织与性能影响较小，适当的进行人工修整就可以去除。

(3)孔洞缺陷对焊缝的组织与性能影响较大，其主要因为焊接热量输入不足造成，而输入的热量多少主要取决于焊接工艺参数。

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