钢螺柱-铝板异种材料摩擦螺柱焊接研究(3)
而且，对于厚度大于1.0mm的母材一般能调整焊接参数来满足生产，对于0.7mm的薄板，电流波动将影响焊接质量。当电流大时会导致工件焊透或者击穿；电流小时会导致虚焊现象。因此，薄板的电弧螺柱焊难以实现。
1.3 钢与铝及铝合金的焊接
螺柱等紧固件主要是钢制品，铝板-钢螺柱焊接属于异种金属的焊接。铝和钢的线膨胀系数分别是23.8×10-6/K和11.76×10-6/K,当进行焊接时，将会造成焊接接头出现复杂的高应力状态，线膨胀系数小的金属受到拉应力，另一种金属受到压应力。铝和钢的热导率分别是206.9W/(m•K)和66.7W/(m•K)，热导率大的金属，焊接熔池的热量会迅速被未熔化的母材带走，导致金属熔化不足，而冷却时会加大冷却速度，这样就相当于降低了焊接热输入。当两种金属的差别过大时，可能被焊金属的熔化不同步，熔化形成和金属结合不良，导致焊缝结果变坏，焊缝性能和成型不良。比热容小的金属相当于热导率小的金属，铝和钢的比热容分别是934.8J/(kg•K)和481.5 J/(kg•K)。铝和钢的熔点分别是660.425°C和1538°C，两金属的熔点相差太大，会导致两金属的熔化量不均匀，甚至会导致熔点较低的金属熔化量过大。而另一种金属熔化量太小，更甚者另一种金属根本不熔化。电弧螺柱焊中，铝合金-钢异种金属的界面间会存在多种脆性金属间化合物，降低接头的力学性能[10,11]。
由此可知，在大多数情况下，使用电弧螺柱焊可以满足铝及铝合金和螺柱等紧固件的焊接，但是电弧螺柱焊的一些特点使其不适用于较薄的铝及铝合金板材、管材和螺柱等紧固件的焊接[12]。
1.4 摩擦焊技术概述
摩擦焊技术在20世纪50年代以后逐渐发展起来，属于先进的固相焊技术。摩擦焊焊接工程中接头部位的最高温度低于待焊件熔点，不存在母材的熔化，材料是在塑性状态下完成焊接。因此焊接接头没有气孔、缩孔、缩松等缺陷，接头的强度高、耐腐蚀性好[13]。摩擦焊在航天、航空、造船、交通、国防等领域应用广泛。
1.4.1 摩擦焊原理
摩擦焊与熔焊相比，改变了焊接中的热输入，可以有效改善异种材料接头的力学性能，很适用于异种金属的焊接。
摩擦焊中待焊的两工件，一工件夹持于旋转的夹具中，称之为旋转工件；另一工件夹持于移动的工件中，称为移动工件。焊接过程中，旋转工件在电机驱动下开始高速旋转，移动工件在恒定或者递增的轴向力下向旋转工件移动，当两侧工件接触并且压紧后，在摩擦界面上的一些微小凸起首先发生粘结与剪切，并产生摩擦热，随着实际接触面积的增大，摩擦扭矩迅速升高，焊件摩擦面及其附近区域的温度上升，工件接触面的变形抗力降低、塑性提高，材料产生塑性变形，摩擦界面逐渐被一层高温黏塑性金属覆盖。此时，两侧工件的相对运动实际发生在这层黏塑性金属内部，产热机制已由初期的摩擦产热转化为黏塑性金属内部的塑性变形产热。随着热量向两侧工件传导，焊接面两侧的温度逐渐升高，在轴向压力的作用下，塑性材料发生流动，通过接触界面附近元素的扩散、材料的再结晶反应，待焊的材料实现连接[14]。