ICS 49.040 V 16
HB/Z 416-2014
航空铝合金构件搅拌摩擦焊工艺
Process of friction stir welding for aluminum alloy aero-structural components
2014-05-19 发布 2014-10-01 实施
中华人民共和国工业和信息化部发布
前言
本指导性技术文件按照 GB/T 1.1-2009 给出的规则起草。
本指导性技术文件由中国航空综合技术研究所归口。
本指导性技术文件起草单位：中国航空工业集团公司北京航空制造工程研究所、中国航空综合技术研究所。
本指导性技术文件起草人：李继忠、董春林、赵华夏、李耐锐、孟强、张坤、柴鹏、王怡嵩、李从卿、栾国红、梁勇。
航空铝合金构件搅拌摩擦焊工艺
1 范围
本指导性技术文件规定了航空铝合金结构件搅拌摩擦焊的人员、环境、材料、焊件接头、设备与工装、工艺性鉴定、工艺参数的选择与确定、接头等级、文件管理、工艺控制、质量控制以及安全要求等。
本指导性技术文件适用于厚度不大于 12mm 且为常用铝合金牌号和状态的航空铝合金结构件对接、搭接接头搅拌摩擦焊。其他系列铝合金的结构件对接、搭接接头搅拌摩擦焊也可参照本指导性技术文件。
2 规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件， 仅所注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。
GB/T 394.1 工业酒精
GB/T 2649 焊接接头机械性能试样取样方法
GB/T 2651 焊接接头拉伸试验方法
GB/T 2653 焊接接头弯曲试验方法
GB/T 3199 铝及铝合金加工产品包装、标志、运输、贮存
GB/T 3246.2 变形铝及铝合金制品低倍组织检验方法
GB/T 3375 焊接术语
GB/T 6026 工业丙酮
GB/T 14125 机械振动与冲击振动与冲击对建筑物内敏感设备影响的测量和评价
GB/T 21230 工作环境中噪声暴露的测量与评价
GB 50231 机械设备安装工程施工及验收
GJB 481 焊接质量控制要求
HB 5363 焊接工艺质量控制
HB/Z 60 X 射线照相检验
3 术语和定义
GB/T 3375 界定的以及下列术语和定义适用于本文件。
3.1
搅拌摩擦焊 friction stir welding
高速旋转的搅拌头扎入零件后沿待焊接方向运动，在搅拌头与零件接触部位产生摩擦和剧烈塑性变形热，使其附近金属形成塑性软化层，软化层在搅拌头旋转作用下填充搅拌针后方所形成的空腔，同时在轴肩与搅拌针的搅拌及挤压作用下实现材料连接的固相焊接方法，焊接过程见图 1。
3.2
搅拌头 welding tool
搅拌头是搅拌摩擦焊的施焊工具，包括轴肩、搅拌针和夹持柄三部分，见图 2。
a-母材;b-热影响区;c-热力影响区;d-焊核
图 1 搅拌摩擦焊原理示意图
3.3
轴肩 tool shoulder
搅拌头与零件表面接触的部分，一般为内凹的圆锥状，或同心圆环等形状,见图 2。
3.4
搅拌针 probe
搅拌头插入零件的部分，基本结构为圆柱体或圆锥体，可附带螺纹或沟槽等结构，见图 2。
3.5
焊接倾角 tilt angle
搅拌头轴线与焊接处法向线之间的夹角，见图 2。
图 2 搅拌摩擦焊示意图3.6
压入量 heel plunge depth
焊接过程中，搅拌头的轴肩后沿最低点压入被焊材料的深度，见图 2。
3.7
焊接垫板 backing plate
为支撑零件和焊缝金属，承受搅拌头轴向压力，在焊缝金属背面预置的一种刚性衬托装置，见图 2。
3.8
搅拌头插入 tool insert
焊接开始时旋转着的搅拌头在轴向压力的作用下插入被焊零件的过程。 3.9
轴向压力 axial force
焊接过程中，焊缝表面受到的搅拌头轴线方向的工作压力。
3.10
前进侧 advancing side of weld
搅拌头旋转线速度方向与焊接方向一致的焊缝一侧为前进侧，见图 3。
3.11
后退侧 retreating side of weld
搅拌头旋转线速度方向与焊接方向相反的焊缝一侧为后退侧，见图 3。
图 3 搅拌摩擦焊焊缝示意图
3.12
尾孔 exit hole
在焊缝的结束处，因搅拌头提起而留下的孔，见图 4。
图 4 尾孔和飞边形貌
3.13
飞边 toe flash
焊接过程中，在搅拌头作用下，焊缝塑化金属沿轴肩边缘挤出，在焊缝边缘形成的挤出物，见图 4。
3.14
前进力 forward force
使搅拌头沿着焊接方向向前移动所需要的工作力，单位：千牛(kN)。
3.15
搅拌头旋转速度 rotation speed of tool
单位时间内搅拌头的旋转次数，单位：转每分钟(rpm)。
3.16
焊接速度 welding speed
单位时间内完成的焊缝长度，单位：毫米每分钟(mm/min)。
3.17
主轴扭矩 axial torsion
焊接过程中驱动搅拌头旋转的扭矩。
3.18
热力影响区 thermo-mechanically affected zone (TMAZ)
搅拌摩擦焊接头中受到焊接热和机械变形力联合作用而发生塑性变形的区域，亦称为热机影响区,见图 5。
3.19
热影响区 heat-affected zone (HAZ)
搅拌摩擦焊接头中受到焊接热作用的区域，见图 5。
3.20
焊核 welding nugget (WN)
搅拌摩擦焊接头受搅拌针的搅拌、挤压而形成于焊缝中间的区域，多为再结晶区,见图 5。
图 5 焊缝宏观金相照片
3.21
引导孔 pre-hole
焊接较大厚度的材料时，为提高焊接效率和保证焊接质量，在焊接起始位置预制的工艺孔。
3.22
滞留时间 dwell time at start of weld
搅拌头旋转插入零件后至搅拌头沿接缝向前移动前的停留时间。
3.23
定位焊 pre-welding
为装配和固定焊件而进行的预先焊接。
3.24
引入板、引出板 import/export plate在零件两端设置搅拌头进出的工艺板。
1-工件;2-搅拌针;3-原始对接线(没有塑性变形);4-原始对接线(剧烈的塑性变形)
图 6 未焊透缺陷示意图
3.25
未焊透 lack of penetration
搅拌摩擦焊接时，接头根部未完全焊合的部分，见图 6。
3.26
隧道型缺陷 channel defect
沿焊接方向塑性金属流动未填满焊缝所形成的类似隧道的孔洞，见图 7。
图 7 隧道型缺陷示意图
3.27
表面沟槽 surface furrow
焊缝表面出现的类似沟槽的缺陷，见图 8。
图 8 表面沟槽示意图3.28
减薄量 surface concaving
焊缝表面搅拌头压印与母材表面之间的距离，见图 9。
图 9 减薄量示意图
3.29
弱连接 kissing bonding
焊件对接面之间搅拌不充分，原子扩散连接较弱，使原始结合面呈贴合状，接头强度较低或没有连接强度，亦称吻接，见图 10。
图 10 弱连接示意图
3.30
焊穿 penetrating weld
搅拌针穿过焊件，与垫板表面接触，造成焊缝背面穿透的现象。
4 一般要求
4.1 人员
从事航空铝合金构件搅拌摩擦焊的操作人员必须经过搅拌摩擦焊专业培训和考核，持证上岗。
4.2 环境
4.2.1 搅拌摩擦焊设备间应保持洁净和通风良好，环境温度 5℃~35℃,相对湿度不大于 85%，有害气体和烟尘应符合 HB 5363 的规定。
4.2.2 噪声不大于 85dB，噪声的测量与评价按 GB/T 21230 执行。
4.2.3 冷却水源水压力不小于 0.15MPa，水温不高于 30℃。
4.2.4 电源电压 AC380×(1±0.1)V，50Hz。
4.2.5 压缩机空气压力不小于 0.49MPa，振动源与设备之间的距离按照 GB/T 14125 执行。
4.3 焊缝等级
铝合金构件搅拌摩擦焊接接头按 GJB 481 划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级。Ⅰ、Ⅱ级由设计部门根据被焊零件的结构特点、工作条件、受力情况、重要程度等， 会同工艺部门综合评审后确定，并应在设计文件中注明，未注明的为Ⅲ级接头。
4.4 材料
4.4.1 母材
4.4.1.1 母材表面不应存在裂纹、夹杂缺陷， 其他表面质量满足设计方提供的技术文件或技术协议的要求。
4.4.1.2 对接接头的焊接端面不应有裂纹、夹杂等缺陷。边缘应去毛刺，保持棱角，端面机械加工面表面粗糙度 Ra 值应不大于 6.3μm。
4.4.1.3 搭接接头的搭接面为轧制状态或机械加工状态， 机械加工面的表面粗糙度 Ra 值应不大于
6.3μm。
4.4.2 辅助材料
4.4.2.1 铝合金构件搅拌摩擦焊接用辅助材料详见表 1。
表 1 铝合金构件搅拌摩擦焊接用辅助材料
4.4.2.2 焊接垫板要求如下：
a) 垫板粗糙度 Ra 值不大于 6.3μm;
b) 垫板硬度：HRC42～46;
c) 垫板厚度不小于 15mm。
4.5 待焊件的接头要求
4.5.1 焊件接头待焊区表面应清洁无油污，待焊面加工齐平，具体技术要求见表 2。
表 2 接头表面加工要求
4.5.2 对接接头错边量的具体技术要求见表 3。
表 3 对接接头错边量
4.5.3 形状尺寸精度和表面质量要求较高的焊件，焊前应在焊缝两端、表面及背面留有工艺余量;余量大小按相关工艺技术文件执行。
4.6 设备与工装
4.6.1 搅拌摩擦焊设备必须完整配套。
4.6.2 搅拌摩擦焊设备应具有合格证。
4.6.3 按焊接零件的特征确定搅拌摩擦焊设备形式、规格及功能，具体见附录 A。
4.6.4 搅拌摩擦焊设备的焊接倾角调节范围不小于 5˚。
4.6.5 搅拌摩擦焊设备的定位精度见表 4。
表 4 搅拌摩擦焊设备精度
4.6.6 搅拌摩擦焊设备空载条件下搅拌头旋转的径向跳动小于 0.1mm，端面跳动小于 0.1mm。
4.6.7 搅拌摩擦焊接时工装设计应考虑零件结构、搅拌头的走向、零件的装夹等。
4.6.8 搅拌摩擦焊接设备按照相应设备手册规定保养、维护和确认。
4.7 焊接设备的工艺性鉴定
4.7.1 属于下列情况的设备在投入生产前，应进行设备鉴定，合格后方可投入生产使用：
a) 新设备或闲置 1 年以上的设备;
b) 设备移地重新安装;
c) 设备大修后;
d) 更换机械、电气等元件而影响焊接参数时。
4.7.2 设备焊接能力鉴定试验：取常用航空铝合金平板，推荐尺寸规格为 400mm ×100mm，平板厚度根据设备应焊接最大可焊厚度确定，焊接两组试样，其焊缝外观质量和内部质量按 6.2、6.3、6.4 进行检验。
4.7.3 设备焊接工艺稳定性验证试验：取三组推荐尺寸规格为 400mm ×100mm 的常用航空铝合金平板，材料厚度应依据设备焊接最大可焊厚度确定，从试板的焊缝中部和距离焊缝两端 20mm 处取样，每块试板在同一焊接参数下的焊缝质量应一致。具体设备验收的稳定性按 GB 50231 或产品相关要求进行检验。
4.7.4 搅拌摩擦焊设备工艺性鉴定的参数及试验结果，可参照附录 B 的内容记录。
4.8 工艺参数选择与确定
4.8.1 航空铝合金构件搅拌摩擦焊接工艺参数主要包括焊接速度、主轴转速、压入量、焊接倾角，每种规格铝合金焊件均应根据技术文件的要求进行工艺试验，并确定焊接工艺参数。
4.8.2 铝合金构件搅拌摩擦焊典型工艺参数见附录 C。
4.8.3 根据焊件的材料和厚度选择搅拌头，一般按以下经验公式(1)选取：
l = δ-0.2………………………………………………………………(1)
式中：
l ——搅拌针长，单位为毫米(mm);
δ ——实际板厚，单位为毫米(mm)。
搅拌头轴肩典型尺寸参数要求可见表 5。
表 5 搅拌头轴肩典型尺寸参数
4.8.4 搅拌头应标示主要结构参数，一般包括轴肩直径、搅拌针长度等，标示应承受焊接温度且保持清晰可辨识。
4.8.5 焊接工艺参数应根据与零件相同牌号、状态和厚度的试件或模拟件试验结果确定，其焊接质量应符合本指导性技术文件 6.2、6.3、6.4 的规定，检验方法按 5.6 执行。
4.8.6 将符合技术文件要求的焊接工艺参数、搅拌头结构类型及主要尺寸写入工艺文件中。
4.9 工艺参数的重新确定
当产生下列任一种变化时，焊接工艺参数应进行调整并按本指导性技术文件 4.8 重新制定：
a) 搅拌摩擦焊设备或搅拌头结构变化;
b) 接头状态变化;
c) 材料表面及状态变化;
d) 采用新的焊接工装或设计更改而导致焊接接头的散热条件变化;
e) 按照原工艺参数焊不出合格产品。
4.10 文件管理
有关搅拌摩擦焊接设备、工艺资料的管理按 HB 5363 执行。
5 工艺控制
5.1 工艺流程
搅拌摩擦焊接的典型工艺流程如图 11 所示，一般包括工艺验证、焊前准备、装配、焊接、检验、焊后处理和验收等工序。
图 11 铝合金搅拌摩擦焊典型工艺流程图
5.2 工艺验证
每次试制或批生产焊接前，准备与被焊零件材料牌号、热处理状态和厚度相同的试片或模拟件， 试片推荐尺寸规格为 400mm ×100mm ×δ , δ 为焊接厚度，厚度应代表产品的最大和最小尺寸;试片或模拟件待焊面的表面粗糙度 Ra 值应小于 6.3μm。应按 4.8 确定的焊接工艺参数焊接试片，按 5.6 检查其焊接接头的外观质量和内部质量，验证焊接工艺参数的合理性和稳定性。根据焊接接头外观质量、内部质量和力学性能情况，可适当调整焊接工艺参数，但调整范围应不大于 10%。
5.3 焊前准备
5.3.1 焊前应除去零件表面油污，然后用不锈钢刷(钢丝直径不超过 0.2mm)和刮刀等机械方法或化学清洗方法清理零件待焊表面的氧化膜。
5.3.2 表面清理过的被焊零件在 48h 内可直接焊接。超过 48h 的被焊零件应重新进行机械清理。焊前被焊零件待焊区域和与铝合金接触的工装夹具表面，必须用白绸布或细纹白布蘸工业酒精或工业丙酮擦拭，不得有油污、油漆、锈斑、易熔金属等影响焊接质量和焊接过程的污染物质。
5.4 装配
5.4.1 在待焊零件安装过程中，应检查搅拌针中心对中接缝，并调整对中偏差，具体要求如表 6 所示。
表 6 焊接对中要求
5.4.2 焊前焊缝对接间隙要求如表 7 所示。对达不到装配精度的零件，允许在不超过零件尺寸公差范围内进行机械修磨以达到焊前装配要求。
表 7 焊前装配对接间隙要求
5.4.3 为确保零件装配定位，可采用搅拌摩擦焊进行定位焊。定位焊点或定位焊段分布应对称、均匀，无裂纹且能被焊缝覆盖。
5.5 施焊
5.5.1 调整和确保压入量如表 8 所示。
表 8 压入量要求
5.5.2 若采用焊接引入板和焊接引出板，其材料牌号、厚度、状态应与零件相同，其焊前准备也按 5.3、 5.4 执行，焊后将其加工去除掉。
5.5.3 航空铝合金构件搅拌摩擦焊接过程应连续。若发生中断，在中断部位重新起始焊接，该区域按缺陷处理。
5.6 检验
5.6.1 表面质量
焊缝表面及尾孔质量应 100%进行目视检查，必要时可借助不大于 10 倍的放大镜或其他量具、工具进行，检验具体内容和要求按表 9 执行。
5.6.2 内部质量
焊后零件应采用无损检测或低倍金相检验等方法进行内部质量检测，其中，X 射线检验按 HB/Z 60进行，低倍金相检验按 GB/T 3246.2 进行，检测具体要求为：
a) Ⅰ级接头应 100%进行 X 射线检测。
b) Ⅱ级接头在试制阶段应 100%进行 X 射线检测，定型后可以抽查，抽查数量应不低于 20%。若抽查存在不合格，应整批进行 X 射线检测;不能进行 X 射线检测时，可以通过试件、样件或产品抽样等对焊缝进行低倍检测。低倍检测的数量及取样部位按设计文件规定进行，或由设计和工艺协商确定。
c) Ⅲ级接头随机进行 X 射线检测。
5.6.3 力学性能
力学性能检验应符合产品图样或技术文件的要求，推荐按 GB/T 2653 进行弯曲性能检测，按
GB/T 2649 和 GB/T 2651 进行力学性能检测。如无规定时，应符合下述要求：
a) Ⅰ级对接焊接接头的抗拉强度不应低于同状态母材强度极限下限的 90%;Ⅱ级对接接头抗拉强度不低于 80%;Ⅲ级焊缝不作规定。
b) 其他型式接头的力学性能指标，通过试验确定并在设计文件中规定。
c) 不同材料接头按强度低的母材计算。
5.7 缺陷修补
5.7.1 焊件中存在超出表 9、表 10 的缺陷，允许补焊修复。对于可热处理强化铝合金构件上的同一部位的补焊次数， Ⅰ级焊缝不超过 1 次，Ⅱ、Ⅲ级焊缝不超过 2 次;对于不可热处理强化铝合金构件上的同一部位的补焊次数，Ⅰ级焊缝不超过 2 次、Ⅱ、Ⅲ级焊缝不超过 3 次。
5.7.2 焊接缺陷的修补应在最终热处理和最终机械加工前进行。
5.8 焊后处理
5.8.1 超出工艺文件要求的飞边等，允许用机械方法去除，去除部位应圆滑过渡。
5.8.2 铝合金零件搅拌摩擦焊后必要时可采用滚压、喷丸等工艺进行校形。
5.9 验收
应依据设计方和客户的技术文件或技术协议进行验收。
5.10 包装防护
验收合格的零件应进行包装，零件包装按 GB/T 3199 执行。在包装过程中注意保护零件的表面，不要磕碰零件表面;在运输过程中保证零件不受外力，无变形现象发生，防止二次污染。
6 质量控制
6.1 应依据本指导性技术文件，针对具体零件和结构特点编制搅拌摩擦焊接工艺规程等文件。
6.2 各级焊接接头焊缝的外观质量要求见表 9，且不允许焊缝表面存在沟槽、背面焊穿等缺陷。
6.3 各级焊接接头内部中焊接缺陷，如隧道型缺陷、孔洞缺陷应符合表 10 的规定，且焊缝内部不允许有裂纹。
6.4 按 5.6 的要求对焊后零件进行检验，并作记录。
6.5 常见焊接缺陷及预防措施见表 11。
表 9 焊缝表面缺陷
表 10 焊缝内部缺陷
表 11 常见缺陷类型及其预防措施
7 安全要求
7.1 操作人员应在安全区域内，并戴防护眼镜和隔音耳塞。
7.2 操作人员在焊接过程中需要戴防尘口罩和手套。
7.3 焊接过程中禁止接触搅拌头和焊缝。
附录 A
(资料性附录)
搅拌摩擦焊设备形式、规格及功能
搅拌摩擦焊设备形式、规格及功能见表 A. 1。
表 A.1 搅拌摩擦焊设备形式、规格及功能
附录 B
(资料性附录)
搅拌摩擦焊设备工艺性鉴定书
搅拌摩擦焊设备工艺稳定性鉴定书格式见图 B. 1，设备焊接能力鉴定书格式可参考图 B. 1 执行。
图 B.1 搅拌摩擦焊设备工艺稳定性鉴定书格式
附录 C
(资料性附录)
铝合金构件搅拌摩擦焊典型工艺参数
铝合金构件搅拌摩擦焊典型工艺参数见表 C. 1。
表 C.1 铝合金构件搅拌摩擦焊典型工艺参数
