焊接規范對6061鋁合金FSW接頭組織性能影響

王瑞卓，劉擁軍，周友龍，林 森

（西南交通大學 焊接研究所，四川 成都 610031）

0 前言

鋁合金因其密度小、強度高、易于加工成型等優點，近年來被廣泛應用。攪拌摩擦焊作為一種固相連接工藝[1-2]，是一種高效、安全、環保、低成本的新型焊接方法。然而，攪拌摩擦焊接頭質量受到主軸轉速、焊接速度、壓入量等因素的影響，如何選擇合適的工藝參數成為了重要課題。本研究選用攪拌摩擦焊接方法，以6 mm厚的6061-T4鋁合金為試驗對象，采用正交設計試驗方案，研究了焊接規范（主軸轉速、焊接速度、壓入量）對6061鋁合金焊接接頭組織性能的影響。

1 試驗方法

試驗材料為6 mm厚的6061-T4鋁合金，供貨狀態為固溶處理加自然時效，其化學成分和力學性能如表1所示。

焊接設備為JBM01-06型攪拌摩擦焊機，攪拌頭采用圓錐帶螺紋攪拌針加內凹錐面軸肩設計。試驗過程中可變因素包括主軸轉速、焊接速度和壓入量，經工藝調試，在其他焊接參數不變的情況下，轉速 1100～1200 r/min、壓入量為 0.3～0.4 mm、焊接速度為100～320 mm/min時可以獲得表面光潔、焊縫成形美觀的接頭。設計的正交試驗試驗因素及水平如表2所示。

表1 6061-T4鋁合金的化學成分 %

表2 試驗因素和水平

2 試驗結果和分析

2.1 正交試驗結果和分析

正交試驗方案與試驗結果如表3所示，試驗結果分析如表4所示。

表3 正交試驗方案與試驗結果

表4 正交試驗結果分析

由表4可知，最佳試驗方案應為A2B2C3，此時接頭抗拉強度196 MPa，達到母材強度的81.3%。另外，影響接頭抗拉強度最主要因素是焊接速度，在不同焊接速度條件下，接頭抗拉強度變化較大，這可能與試驗方案中設定的速度變化范圍有關。

接頭強度與轉速和焊接速度的比值ω/v的關系都是先上升后下降的關系（見圖1）。當ω/v過大時，熱機影響區和熱影響區的過時效現象嚴重，加之金屬的粘度下降，軸肩無法截住速度較高的高溫金屬，而外觀上溢出形成飛邊、內部形成孔洞等缺陷，降低接頭強度。當ω/v過小時，焊縫的金屬材料溫度較低，粘度較大，焊縫金屬的流動性較弱，金屬無法填充焊縫根部，容易導致焊縫根部的未焊透缺陷，從而降低接頭強度。因此，合適的ω/v值能確保接頭抗拉強度。

圖1 抗拉強度與ω/v值的關系

由拉伸試樣斷口形貌可知，斷裂處發生了明顯的頸縮，宏觀上有明顯的塑性變形，斷口表面呈纖維狀并且粗糙不平，表面灰暗無金屬光澤，都屬于典型的韌性斷裂。焊接接頭的力學性能最薄弱處在熱影響區的軟化區。在6061鋁合金焊接過程中，由于攪拌摩擦熱的作用，其力學性能發生了很大的變化。這與接頭硬度分布結果相一致。

2.2 接頭金相組織分析

6號試樣金相組織如圖2所示。由圖2可知：（1）母材是典型的軋制組織，沿其軋制方向晶粒被拉長。（2）焊核區位于焊縫中央，組織均勻，沒有明顯的方向性，晶粒為細小的等軸晶晶粒，比母材的帶狀軋制晶粒組織有明顯的細化。這是因為該區域受到攪拌針強烈攪拌作用和軸肩的摩擦熱作用，焊縫金屬處于很高的應變速率下，達到了再結晶條件，從而較母材區域組織較為細小。（3）前進側和后退側的熱機影響區（THAZ）的晶粒在靠近焊核區區域沿著軋制方向被拉長，其組織呈明顯的帶狀，晶粒尺寸大于焊核區，這是因為熱機影響區在焊接過程中同時受到機械攪拌和焊接熱循環雙重作用，部分材料發生變形，晶粒長大形成了軟化區，這與接頭硬度分布情況相一致。（4）熱影響區和母材沒有明顯的區別和界限，這是由于薄熱影響區熱輸入較小造成的。

圖2 6#接頭微觀金相組織（200×）

2.3 接頭硬度分析

6號試樣接頭硬度分布如圖3所示。由圖可知，接頭硬度沿截面呈現“W”型分布，兩側母材的硬度最高，熱影響區和熱機影響區之間硬度較低，焊核處硬度有所升高，硬度最低點出現在前進側的熱影響區和熱機影響區交界處，是接頭性能最薄弱的部位。這是因為6061屬于熱處理強化鋁合金，熱影響區和熱機影響區經歷了焊接熱循環，可能使得彌散分布的第二相發生聚集，材料發生過時效，硬度降低，產生軟化現象，這與金相組織分析結果相吻合。而焊核區由于發生動態再結晶，晶粒細小，故強度比熱影響區有所提高。

圖3 6#接頭硬度分布

2.4 綜合分析

在本試驗條件及其他焊接參數不變的情況下，當轉速為 1100～1200 r/min、壓入量為 0.3～0.4 mm、焊接速度為100～320 mm/min時，采用正交試驗方案所制備的16組接頭中，6號接頭抗拉強度最好，其值為196 MPa，達到母材強度的81.3%，這表明在本試驗條件下，焊接速度、主軸轉速和壓入量需優化處理，因為這些參數的改變都會影響接頭的單位長度上的熱輸入量，從而影響力學性能。在對16組接頭金相組織及硬度分析中發現，金相組織與6號試樣相差不大，接頭硬度分布呈現與6號相似規律，且對應點的硬度分布相差無幾，這也進一步說明在本試驗條件下，主軸轉速、焊接速度、壓入量對成形良好的6061鋁合金攪拌摩擦焊接頭金相組織及接頭硬度分布無明顯影響。

3 結論

（1）所制備的16組焊接接頭成形良好，接頭金相組織、硬度分布呈現相似規律，表明主軸轉速、焊接速度、壓入量在給定范圍內對接頭硬度分布影響不大。

（2）當攪拌頭旋轉速度為1100r/min、焊接速度200mm/min、壓入量為 0.3 mm時，接頭抗拉強度為196 MPa，達到母材強度的81.3%，影響接頭抗拉強度最為明顯的是焊接速度。

[1]王國慶.鋁合金的攪拌摩擦焊[M].北京：中國宇航出版社，2010.

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