反之，焊接电流太小时，易形成未焊透缺陷焊缝。可精确控制电弧能量及其分布，易于控制焊缝成形。高频脉冲电弧在10A以下小电流区域仍然非常稳定，利用这些特点进行0.5mm以下超薄板的焊接，特别是对不锈钢超薄件的焊接，焊缝成形均匀美观。图7-45的焊接电流波形，能够发挥高、低频两种焊接工艺的优点，获得成形更为优良的焊缝。但短弧焊的热量集中，电弧对熔池的压力大，使焊缝反而容易成形。......
2023-07-02
焊接参数和焊缝成形优化技巧
【摘要】：焊接时，如果转速过低或焊接速度过高，即焊接热输入较小时，热量不足以使焊接区金属达到热塑性状态，因而焊缝成形不好，甚至焊缝表面出现沟槽。焊接压力除了影响搅拌摩擦产热以外，还对搅拌后的塑性金属施加压紧力，从而影响焊缝成形。焊接工艺不当，可能使搅拌摩擦焊接头产生缺陷。
焊接参数是影响接头性能的重要因素。搅拌摩擦焊过程中，在搅拌头确定的情况下，影响接头性能的参数主要有搅拌头旋转速度、焊接速度（搅拌头行进速度）、焊接压力、搅拌头压入量等。搅拌摩擦焊参数选择时，需要考虑的要素有：材料类别、材料厚度与尺寸、焊机输出功率与搅拌头类型和设计、焊前及焊后热处理、焊接环境等。对于铝合金的焊接，由于合金元素含量的差别，1000系列和6000系列铝合金可选用的焊接参数范围较宽，而2000系列和7000系列铝合金可选用的焊接参数范围较窄。
1.旋转速度
搅拌头旋转速度对焊接过程中的摩擦产热有重要影响。当搅拌头的旋转速度较低时，产生的摩擦热不够，不足以形成热塑性流动层，其结果是不能实现固相连接，在焊缝中易形成孔洞等缺陷。随着搅拌头转速的提高，摩擦热增大，热塑性流动层由上而下逐渐增大，使得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。但如果搅拌头转速过高，会使搅拌针周围及轴肩下面材料的温度过高，形成其他缺陷。
旋转速度低的焊接规范称为冷规范；旋转速度高的焊接规范称为强规范。表7-38给出了铝合金的规范分类。
表7-38 铝合金的规范分类
需要指出的是，搅拌头旋转速度对接头力学性能的影响不是孤立的。对于不同的材料，当采用不同的焊接设备、不同的搅拌头进行焊接时，其优化的搅拌头旋转速度是不同的。需要综合考虑搅拌摩擦焊过程的产热，保证产品有足够的热输入，同时要防止出现过热现象，才能获得性能优良的焊接接头。
2.焊接速度
焊接速度是影响搅拌摩擦焊质量的重要因素。当搅拌头转速恒定时，接头强度随焊接速度的提高并非单调变化，而是存在峰值。从焊接热输入可知，焊接速度较低时，搅拌头对焊件界面的整体焊接热输入较高，会造成较宽的热机影响区而使接头强度下降。焊接速度过大时，以至于前进侧的金属未能被来自后退侧的塑性金属及时填充，导致焊缝内易形成一条狭长且平行于焊接方向的疏松孔洞缺陷，严重时焊缝表面形成一条狭长且平行于焊接方向的隧道沟，导致接头强度大幅度降低。例如，图7-118所示为焊接速度对铝锂合金搅拌摩擦焊抗拉强度的影响。
图7-118 焊接速度对接头强度的影响
在被焊材料及搅拌头形状尺寸已经确定，压力在焊接过程中也保持不变，则焊接热输入仅取决于搅拌头转速与焊接速度之比（n/v）。它代表搅拌头旋转一周沿焊接方向发生的位移，可以作为表征搅拌摩擦焊热输入的特征值。
只有焊接热输入适当，通常n/v在2～8之间，才能获得质量良好的焊接接头。焊接时，如果转速过低或焊接速度过高，即焊接热输入较小时，热量不足以使焊接区金属达到热塑性状态，因而焊缝成形不好，甚至焊缝表面出现沟槽。若转速过大或焊接速度过小时，单位长度焊缝上的热输入过高，焊接区金属过热同样导致焊缝成形及质量变差。图7-119为Al-5Mg合金的n/v值对搅拌摩擦焊接头强度的影响。
3.焊接压力和压入量
对于特定厚度的材料和搅拌头，搅拌摩擦焊的焊接压力在正常焊接时一般保持恒定。焊接压力除了影响搅拌摩擦产热以外，还对搅拌后的塑性金属施加压紧力，从而影响焊缝成形。
压入量可以用搅拌头轴肩的后沿低于板材表面的深度来表示。过低的轴向压力或过浅的压入量会造成焊接热输入不足，焊接温度过低，焊缝组织疏松，焊缝内部易出现孔洞、轴肩对焊接区起不到封闭作用，而使焊缝热塑性金属“上浮”外溢出焊缝表面，甚至出现焊接缺陷。过高的轴向压力或过深的压入量会造成焊接热输入偏大，有助于提高焊缝组织的致密度；但也使搅拌头向前移动的阻力增大，摩擦热容易使轴肩平台发生黏附现象，焊缝表面两侧出现飞边和毛刺，焊缝中心下凹量较大，不能形成良好的焊接接头。
例如对板厚6mm的6061铝合金板进行搅拌摩擦焊，采用0.1mm、0.3mm、0.6mm三种压入量。当压入量为0.3mm时，焊缝成形美观，无飞边，背部结合紧密；而当压入量为0.6mm时，出现较严重的飞边；当压入量为0.1mm时，背部出现未焊透，甚至部分部位观察到严重的未焊透及背部间隙。
图7-119 Al-5Mg合金的n/v比值对接头强度的影响
4.搅拌头倾角
焊接时搅拌头通常会向后倾斜一定角度，以便搅拌头肩部的后沿能够对焊缝施加一定的焊接顶锻压力。所谓搅拌头倾角是指搅拌头与焊接工件法线的夹角，它表示向后倾斜的程度。一般情况下，搅拌头的倾角为2°～5°。
合适的倾斜角度可保证轴肩约束住搅拌头搅拌的材料，促进焊缝金属的塑性流动，消除产生缺陷的倾向。主要是通过改变材料填充能力、接头致密性、热循环和残余应力来影响接头性能。如果倾角较低，由于轴肩压入量不足，轴肩下方软化材料填充空腔的能力较弱，焊核区及热机影响区的界面处易形成孔洞缺陷，导致接头强度较低。若倾角增大，搅拌头轴肩与焊件的摩擦力增大，焊接热作用程度增大。合适的搅拌头倾角还可提高搅拌头的寿命。搅拌头倾角的采用主要针对凹形轴肩的使用或大厚度材料的焊接，具有改进被焊金属流动的作用。在增加搅拌头倾角的同时，需要相应增加搅拌头轴向压力，同时焊接阻力会有所增加。
焊接工艺不当，可能使搅拌摩擦焊接头产生缺陷。常见的焊接缺陷包括表面缺陷和内部缺陷两种。其中，表面缺陷主要有表面未焊合、表面过热、过多飞边与大沟槽、未焊透和过焊透等，内部缺陷主要有蠕虫状孔洞和弱接合等。这些缺陷的发生部位和可能的原因见表7-39。
表7-39 搅拌摩擦焊缺陷种类、部位和可能的原因
（续）
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