焊接參數對塑流摩擦點焊接頭組織和性能影響

張 坤，王衛兵，欒國紅，佟建華，仇曉磊

（中航工業北京航空制造工程研究所中國攪拌摩擦焊中心，北京100024）

0 前言

塑流摩擦焊是在攪拌摩擦焊基礎上發展起來的新的焊接方式[1-3]，其衍生出的流動摩擦點焊FFSW（Friction Flow Spot Welding）其與傳統攪拌摩擦點焊有很大不同，主要區別在焊接工具形貌上。它是通過無針攪拌頭軸肩端面與母材間的摩擦產熱，使母材塑化，并通過摩擦頭的旋轉和擠壓使得軟化的塑性金屬流動形成接頭。

FFSW過程包括三個階段：（1）插入階段。摩擦頭與被焊材料接觸獲得摩擦產熱，在摩擦熱和機械力的作用下，被焊材料迅速軟化流動。（2）停留階段。保持熱輸入形成焊核，增加焊接深度和寬度，并形成良好外觀接頭。（3）退出階段。摩擦頭退出，焊接結束。研究表明，主軸下壓速度、旋轉速度、焊接停留時間和下壓量是FFSW工藝的主要焊接參數，這些參數對焊后接頭組織、力學性能將產生顯著影響，因此實現工藝參數優化選取從而獲得高質量接頭是本研究的重要目標。

1 試驗材料和方法

選用1.5 mm厚2024-T3鋁合金為試驗材料，化學成分如表1所示。焊接所用攪拌頭的軸肩直徑為12 mm，端部為漸開線。焊接所用參數包括轉速、下壓速度和停留時間。其中轉速為375r/min、475r/min、600r/min、750r/min、950r/min、1180r/min和 1500r/min；下壓速度為 10 mm/min、20 mm/min、30 mm/min、40 mm/min 和 50 mm/min；停留時間為 9 s、12 s、15 s、18 s、21 s、24 s。采用線切割從板坯上獲得拉伸試樣，測試力學性能，利用FM-ARS9000維氏硬度機測量顯微硬度，焊接接頭研磨、拋光后在Axiovert 200MAT型金相顯微鏡及HITACHI S-4800掃描電鏡觀察接頭斷口形貌。

圖1 FFSW接頭宏觀及微觀組織形貌

表1 2024-T3鋁合金化學成分 %

2 試驗結果和分析

2.1 接頭組織觀察

FFSW接頭的橫截面微觀組織形貌如圖1所示，由圖1可知，接頭表面光滑平整，但在焊核與焊縫邊緣之間出現Hook缺陷；圖1b、圖1c分別為焊核區與母材的組織形貌（對應圖1a中的A區和B區），由圖1可知，焊核區組織細小，且均勻致密，無明顯的孔洞、隧道等缺陷；母材為原始的軋制組織，成粗大的帶狀；圖1d為典型的混合區形貌（對應圖1a中的C區），焊核區、母材的形貌與圖1b、圖1c相同。熱機影響區（TMAZ）的組織受到焊核區金屬劇烈流動對其擠壓作用，晶粒發生較大程度的擠壓變形，但晶粒尺寸大于焊核區組織。熱影響區（HAZ）的組織僅受摩擦熱的作用，晶粒尺寸略有長大。圖1e為Hook缺陷處形貌（對應圖1a中的D區），由圖中可知，Hook缺陷延伸至焊縫表面，其結合處依靠純鋁實現冶金結合，結合強度低于鋁合金的結合，因此，為FFSW接頭的弱連接區域；圖1f為焊縫邊緣形貌（對應圖1a中的E區），此處組織主要為熱影響區和熱機影響區，反映出摩擦頭軸肩邊緣對金屬的擠壓作用能力較弱，金屬未能充分的塑化、流動。

2.2 接頭硬度分布

接頭橫截面顯微硬度分布如圖2所示。接頭焊接工藝參數：主軸轉速750 r/min、下壓速度30 mm/min、停留時間15 s。由圖2可知，硬度分布沿焊縫中心對稱，焊核區硬度高于母材，最低值出現在熱影響區；上板的焊核區、熱影響區及熱機影響區顯微硬度略高于下板。這與常規的攪拌摩擦點焊（Friction Stir Spot Welding：FSSW）硬度分布規律不同，可能的原因是FFSW焊接過程中，焊核區的形成主要依靠摩擦頭端面對被焊材料的擠壓作用，而常規FSSW的焊核主要依靠攪拌針的剪切作用形成，因此FFSW所形成的焊核區晶粒更致密細小，導致硬度較高。

圖2 FFSW接頭顯微硬度分布

圖3 FSSW不同工藝參數所得接頭載荷-位移曲線

2.3 力學性能

不同轉速、下壓速度和停留時間等工藝參數所獲得的接頭的“載荷-位移”曲線如圖3所示。由圖3可知有兩種曲線：第一種為拉伸載荷隨位移增加逐漸增大，達到最大值后立即降低為零，如轉速為600 r/min，停留時間為9 s和12 s的接頭；第二種為接頭的拉伸載荷達到最大載荷后隨位移的增加而逐漸下降，大多數接頭都呈現這種趨勢。

分析認為，這主要與拉伸試樣的斷裂方式有關。對于第一種接頭，當拉伸載荷增加至失效載荷（或最大載荷）時，接頭從兩板的界面剪切失效，此時上下板完全脫離，無任何粘連，故隨著位移的增大，拉伸載荷立即降低為零。對于第二種接頭，在拉伸試驗中，先從圓形Hook缺陷的一個點位置開始起裂，裂紋沿著Hook缺陷向整個圓周延伸，故拉伸載荷隨位移增加逐漸增加，當裂紋擴展到一定位置時，拉伸載荷達到最大值，但此時還有少量的Hook缺陷位置處并未脫落，之后隨拉伸位移的增加，剩余的Hook缺陷繼續剝落，但此時接頭已失效，故載荷呈現逐漸降低的趨勢。通過載荷-位移曲線可以判定FFSW接頭的抗拉強度和失效方式。

FFSW的拉伸試樣和失效接頭如圖4所示。由圖4b和圖4c可知，FFSW接頭對應有兩種失效方式，圖4b中，接頭從焊合邊緣的Hook缺陷處剝落，焊核留在下板。此接頭失效方式與焊接深度有關，當焊接深度較大時，Hook缺陷也較明顯，接頭易于從Hook缺陷處剝落，而當焊接深度較淺時，上下板中間的原始界面并未完全消失，兩板接觸界面上的純鋁層大量保存在接頭內，所形成的焊合區底部為大量的純鋁，為接頭的弱連接區域，因此接頭易于從兩板之間的界面失效；圖4c中接頭從上下板界面間剪切失效，焊核留在上板。

圖4 FFSW拉伸試樣及接頭失效方式

圖5 不同工藝參數所得FFSW接頭最大載荷

不同主軸轉速、下壓速度和停留時間等工藝參數所得接頭的失效載荷如圖5所示。由圖5a可知，隨主軸轉速的增加，接頭的失效載荷呈現先增加后降低的趨勢，其原因是：低轉速時摩擦產熱量較低，金屬未能充分軟化，流動性能較差，故無法形成良好接頭；隨著轉速增加，摩擦產熱量增加，接頭的焊接深度和寬度均增加，接頭強度也增加；當轉速過高時，摩擦頭對被焊材料的剪切作用增加，在下壓過程中大量的金屬被剪切形成飛邊，造成金屬流失，故停留階段被壓實的金屬減少，削弱了金屬流動能力，所形成的接頭力學性能也降低。圖5b和圖5c分別對應不同的下壓速度和停留時間也表現出類似規律。從圖5可知，常規FFSW接頭最大失效載荷為6.64kN，其焊接工藝參數為：主軸轉速750r/min、下壓速度30 mm/min、停留時間15 s、下壓量0.3 mm。

2.4 拉伸斷裂機制

采用掃描電鏡觀察兩種典型斷裂方式下接頭的斷口形貌，以此分析FFSW接頭的斷裂機制。試驗結果如圖6所示。圖6a為“Hook缺陷斷裂”下板宏觀形貌，可觀察到白亮區域為撕裂位置，在其中選取兩個典型區域A和B，放大形貌分別如圖6a1和圖6a2所示，在放大的區域內發現有大量剪切韌窩存在，表面此處金屬成形性能良好，形成了致密的冶金組織，其斷裂方式為韌性斷裂。圖6b和圖6c分別為兩板“界面剪切斷裂”的上板和下板斷口形貌，在圖6b中選取內部和外緣兩個典型位置C和D，放大形貌分別為圖6b1和圖6b2，類似的在圖6c選取E和F兩個區域，放大形貌分別為圖6c1和6c2。在C、D、E、F四個位置均發現有大量的剪切韌窩存在，證明其斷裂方式也為韌性斷裂。此外，對比放大的六個區域形貌可發現，Hook缺陷斷裂處的韌窩較深且清晰，而界面剪切斷裂的韌窩略淺而疏松，說明Hook缺陷處的金屬冶金結合性能優于兩板結合界面處，拉伸試驗也證明了“Hook缺陷斷裂”的接頭性能整體高于“界面剪切斷裂”。

圖6 接頭的斷口形貌

3 結論

（1）塑流摩擦點焊接頭的硬度分布沿焊縫中心對稱，焊核區硬度高于母材，最低值出現在熱影響區；上板的焊核區、熱影響區及熱機影響區顯微硬度略高于下板。

（2）塑流摩擦點焊接頭的載荷-位移變化趨勢有兩種：一為載荷隨著位移的增大達到最大值，后迅速降為0，這是界面剪切斷裂；二為載荷隨著位移的增大達到最大值后，緩慢降低，為Hook缺陷斷裂。

（3）當轉速為750 r/min，下壓速度30 mm/min，停留時間為15 s時，拉伸載荷最大，為6.64 kN。

（4）拉伸斷口分析表明，Hook缺陷斷裂接頭的韌窩深度大于界面剪切斷裂接頭的韌窩深度。

[1]Li W Y，Li J F，Dao D L，et al.Pinless friction stir spot welding of 2024 aluminum alloy：effect of welding parameters[R].Proceedings of the 7th Asia Pacific IIW International Congress2013（IIW 2013）：45-52.

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