鋁合金6061高轉速無傾角微攪拌摩擦焊溫度分布研究

趙慧慧，封小松，熊艷艷，李紅軍，董豐波，胡 藍，郭立杰

（1.上海航天設備制造總廠，上海200245；2.浙江理工大學機械與自動控制學院，浙江杭州310018）

0 前言

攪拌摩擦焊（FSW）是一種固相連接方法[1]，具有無需焊接填充材料、熱輸入小、焊接變形小、焊接接頭缺陷少、力學性能好等優點[2-3]，該方法應用范圍廣泛，包括鋁、鎂合金以及異種金屬的焊接[4-8]。

攪拌摩擦焊技術通常針對壁厚2 mm以上的材料進行連接。而微攪拌摩擦焊技術采用超高轉速（是攪拌摩擦焊過程主軸轉速的10倍以上）和超小軸肩攪拌工具進行焊接，主要針對連接厚度為1mm以下的材料，其焊接過程中材料產熱、流動機制都有其獨特之處。英國焊接研究所對微攪拌摩擦焊技術進行了研究，其焊接厚度可達0.3 mm[9]，但關于該技術的大規模實際工程應用仍未見報道。目前，國內攪拌摩擦焊技術領域對1 mm以下的微小尺寸構件的微攪拌摩擦焊連接技術較為少見。

針對超薄板的綠色高質量連接問題，對0.8 mm厚6061鋁合金超薄板的微攪拌摩擦焊過程進行溫度控制研究，包括工藝參數如焊接速度、主軸轉速、下壓量以及焊接過程外加壓縮空氣冷卻等因素對微攪拌摩擦焊過程工件溫度的影響等。

1 超薄板微攪拌摩擦焊過程測溫實驗

上海航天設備制造總廠研發并制造了微攪拌摩擦焊設備HT-MFSW-01，主機頭采用高轉速電主軸，旋轉速度是普通攪拌摩擦焊的10倍。舍棄了傳統攪拌摩擦焊傾角跟隨方案，采用無傾角焊接方案，降低了在高速旋轉和橫向運動的微攪拌摩擦焊主機頭上實現傾角跟隨的設備控制難度。

工件溫度變化與焊接時主要工藝參數密切相關，包括主軸轉速、焊接速度、下壓量。

微攪拌摩擦焊接過程的熱輸入qE可以近似表示為

式中 k為熱輸入常量系數；ω為主軸轉速；v為焊接速度。

微攪拌摩擦焊過程進入準穩態焊接時，攪拌工具固定，軸肩和攪拌針尺寸為常數，同時當壓入量一定時，摩擦系數和焊接壓力也為穩定值，因此可以將這些固定的影響因子合并為一個常量系數k。同時，采用攪拌工具的旋轉速度與焊接速度的比值（n=ω/v）表示攪拌工具以固定焊接速度移動一定位移時攪拌工具的旋轉圈數，該比值可以近似表征攪拌摩擦焊接線能量。

為了研究微攪拌摩擦焊過程工件溫度分布，進行了微攪拌摩擦焊測溫試驗，如圖1所示。其中圖1a為微攪拌摩擦焊測溫現場，圖1b為測溫位置示意圖，采用K型（鎳鉻-鎳硅）熱電偶測量了焊接過程中焊縫周圍溫度變化。測量點位于沿焊縫長度方向距起焊點200 mm處，溫度測量點距離焊縫中心線5 mm、10 mm、15 mm，此時焊接熱過程經過前面一段時間的穩定，焊接過程進入準穩態。數據采集系統采用南京賀普科技有限公司生產的HPXY-8B型數據采集-函數記錄儀。該數據采集-函數記錄儀可實現8通道數據的同步采集，主要用于數據采集、數據分析、數據保存。

圖1 平板微攪拌摩擦焊測溫試驗

焊接速度是影響焊接過程工件溫度的重要參數，在其他工藝參數一定的情況下，研究焊接速度對工件溫度分布的影響。焊接過程工藝參數如表1所示（序號1～3）。主軸轉速固定為20 000 r/min，焊接速度分別為 100mm/min、300mm/min、500mm/min。攪拌摩擦焊接過程依靠攪拌工具高速旋轉產生熱量，微攪拌摩擦焊焊縫寬度很小，因此主軸需要達到更高的轉速來維持焊接過程所需能量，轉速要達到攪拌摩擦焊過程的10倍左右。研究主軸轉速對工件溫度變化的影響，采取的工藝參數見表1（序號4～7）。同時，下壓量也是重要的工藝參數，研究了下壓量及焊接過程外加壓縮空氣冷卻的影響作用。

表1 焊接過程工藝參數

2 微攪拌摩擦焊接頭組織特征

首先分析微攪拌摩擦焊接頭宏觀組織特征。攪拌摩擦焊焊縫為非對稱性焊縫，可分為前進側、后退側，如圖2所示。典型微攪拌摩擦焊接頭區域可分為焊核區、軸肩影響區、熱機影響區與熱影響區，焊核區位于焊縫中心，軸肩影響區位于焊縫上表面附近，熱機影響區位于焊核區外側，既受到熱作用的影響又受到機械攪拌作用的影響而使晶粒拉長、變形，熱影響區位于熱機影響區外側，只受到熱作用的影響而呈現與母材不同的形態。

圖2 攪拌摩擦焊焊縫各區域劃分

圖3 微攪拌摩擦焊實際接頭形貌

圖4 低轉速攪拌摩擦焊搭接接頭

圖3a為0.5 mm厚鋁合金微攪拌摩擦焊搭接接頭形貌。主軸轉速25000r/min、焊接速度300mm/min，接頭金屬流動紋路清晰可見，出現洋蔥環，組織為均勻細小的等軸晶，通過攪拌頭的花紋設計及焊接過程中下壓量控制，對焊接接頭減薄量控制較好。攪拌工具在焊接時高速旋轉（通常達到20 000 r/min以上）并向前運動，被焊區域被劇烈攪拌，達到再結晶溫度，在高溫和大變形速率條件下，形成了細密的再結晶等軸晶。

低轉速攪拌摩擦焊邊緣搭接面在攪拌針作用下向攪拌針后上方轉移，因為金屬垂直方向流動不充分，原有搭接面未充分結合，而形成如圖4所示的Hook缺陷。

圖3b為微攪拌摩擦焊搭接界面處組織，可以看出搭接界面處在微攪拌摩擦焊過程中通過攪拌工具的超高轉速運動，將搭接界面進行了攪拌、混合和破碎，與低轉速焊接過程中仍保留的向上平滑彎曲的Hook搭接界面不同。而且熱影響區與熱機影響區較不明顯，主要是由于微攪拌摩擦焊接過程中，攪拌工具旋轉速度、焊接速度快，焊縫附近冷卻速度變化大，受到熱作用的影響區域較窄。微攪拌摩擦焊接頭受熱區域小，接頭軟化現象不明顯。因此適用于對于焊縫周圍材料或元件有溫度范圍要求的應用場合。

圖3c為軸肩影響區+熱機影響區+熱影響區，軸肩影響區在攪拌工具的熱和力的共同作用下成細小等軸晶，組織分布與母材相比晶粒被極大地細化了。攪拌工具軸肩的線速度比攪拌針的線速度大得多，因此攪拌作用更劇烈，晶粒尺寸也更細小。熱機影響區同時受到攪拌工具的機械作用和熱影響，受到高溫作用部分出現了等軸晶，另外部分晶粒受到機械拉伸作用發生變形。熱影響區只受到熱作用，晶粒長大。與傳統攪拌焊相比，微攪拌摩擦焊接頭熱影響區與熱機影響區不明顯，這是由于微攪拌摩擦焊旋轉速度快、焊接速度快、攪拌工具尺寸小，僅少量材料經歷了快速加熱和冷卻過程，周圍影響區域較少。另外高速旋轉的攪拌工具和焊縫金屬局部溫度升高，使攪拌工具與焊縫金屬之間的摩擦系數有所降低，對于焊縫金屬的帶動作用也不如傳統攪拌摩擦焊顯著，使熱影響區和熱機影響區分布區域較小。

3 焊接速度對工件溫度變化的影響

主軸轉速為20000r/min，焊接速度為100mm/min、300 mm/min、500 mm/min，對焊縫旁 5 mm、10 mm、15 mm距離處溫度分布進行測試，結果如圖5所示。從單點溫度值變化趨勢可見，焊接過程中，溫度隨焊接熱源與被測點距離的減小而升高，當距離較近時，溫度急劇升高，熱源遠離后，溫度逐漸降低。被測點與焊縫中心線距離越遠，溫度峰值越低。不同焊接過程，隨焊接速度的升高，焊接熱輸入降低，溫度峰值下降，焊接速度從100mm/min提升至500mm/min，距離焊縫5 mm處的溫度峰值從116℃降至72℃。

工件晶粒溫度歷史決定了該點的組織形態變化，因此溫度峰值和溫度下降段的冷卻速度是決定該點組織變化的重要參數。經計算，得出對應表1中不同工藝參數、不同被測位置處溫度下降階段的平均冷卻速度，如表2所示。其中負值代表了該過程為溫度下降的冷卻過程，相同焊接工藝參數下，距離焊縫中心線越遠，冷卻時冷卻速度值越小。同一測量位置，其他參數不變，焊接速度越大，工件溫度峰值越低，冷卻時冷卻速度值越小。因此，當選擇越大的焊接速度時，對其周圍組織的影響較小。

圖5 焊接速度變化時，焊縫旁5 mm、10 mm、15 mm處溫度分布

表2 不同參數、被測位置冷卻階段冷卻速度 ℃/s

4 主軸轉速對工件溫度變化的影響

焊接速度為150mm/min，主軸轉速分別為10000、15000、20000、25000r/min，對焊縫旁邊5mm、10mm、1 5 mm距離處進行了溫度測試，如圖6所示。隨主軸轉速的升高，焊接熱輸入升高，溫度峰值升高，焊接速度不變，主軸轉速從10000r/min升至25000r/min時，距離焊縫5mm處溫度峰值從100℃升至148℃。經計算，得出對應表1中不同工藝參數、不同被測位置處溫度下降階段的平均冷卻速度，如表4所示，表中冷卻速度負值代表該過程為冷卻過程。綜合分析圖6和表4中數據，隨焊接主軸轉速升高，攪拌工具提供給工件的能量密度變大，工件峰值溫度升高，且工件溫度下降時的冷卻速度值也變大。與焊縫距離越遠，冷卻速度值越小。當主軸轉速升高時，相應提高焊接速度，可以降低工件高溫停留時間，并提高焊接效率。

圖6 主軸轉速變化時，焊縫旁5 mm、10 mm、15 mm處溫度分布

表3 不同參數、被測位置冷卻階段冷卻速度 ℃/s

5 下壓量及外加壓縮空氣冷卻作用的影響

分別對不同下壓量0.05mm和0.1mm焊接過程進行了研究，溫度結果如圖7所示。下壓量從0.05 mm增大至0.1 mm，距離焊縫5 mm處的溫度峰值從72.28℃增加至115.06℃，峰值增加了54.65%。溫度峰值試驗證明，減小下壓量是工件溫度控制的有效手段之一。這是因為相同焊接工藝參數，攪拌工具下壓量對焊接過程具有重要影響，下壓量越大，攪拌工具對工件的頂鍛力越大，焊接時攪拌工具移動，隨之產生的摩擦系數、摩擦力也越大，因而增加了大量的摩擦熱，并對工件溫度產生巨大影響。在保證良好的焊縫成形和焊接質量的前提下，應盡量減小下壓量。

焊接過程中對焊縫噴冷卻壓縮空氣進行氣冷，外加氣冷前后被測位置冷卻階段冷卻速度如表4所示。外加氣冷前后過程焊縫周圍溫度變化對比結果如圖8所示。距離焊縫5 mm處溫度峰值由100℃降至89℃，且冷卻過程溫度急劇下降，冷卻速度值增大約為未加氣冷時的4倍，有利于降低高溫停留時間，改善焊縫冷卻過程。

圖7 不同下壓量的焊接過程溫度變化

圖8 外加氣冷對于工件溫度變化的影響

表4 外加氣冷前后被測位置冷卻階段冷卻速度 ℃/s

6 結論

（1）微攪拌摩擦焊將搭接界面進行了攪拌、混合和破碎，與低轉速焊接過程中仍保留的向上平滑彎曲的Hook搭接界面不同，且熱影響區與熱機影響區較不明顯。微攪拌摩擦焊過程熱輸入較低，加熱和冷卻速度較快。

（2）焊接速度越高，焊接熱輸入降低，溫度峰值下降，平均冷卻速度值降低，焊接速度從100mm/min提升至500 mm/min，距離焊縫5 mm處的溫度峰值從116℃降至72℃；焊接主軸轉速越高，熱輸入越大，溫度峰值上升，平均冷卻速度值升高，距離焊縫5mm處，主軸轉速從10 000r/min提升至25000r/min時，溫度峰值從100℃升至148℃。

（3）下壓量是對焊接過程摩擦產熱影響較大的參數。下壓量增大，產熱劇烈升高。下壓量從0.05 mm增大至0.1 mm，距離焊縫5 mm處的溫度峰值從72.28℃增加至115.06℃，增加了54.65%。在保證焊接質量的前提下，盡量降低下壓量對控制溫度峰值具有良好效果。

（4）外加氣冷對控制溫度峰值也具有良好效果，對冷卻速度的影響最大。加氣冷時距離焊縫5 mm處溫度峰值由100℃降至89℃，且冷卻速度值增大約為未加氣冷時的四倍，有利于降低高溫停留時間，改善焊縫冷卻過程。

[1]Thomas W M，Nicholas E D，Needham J C，et al.Friction stir butt welding[P].International Patent No.PCT/GB92/022 03 and GB Patent No.9125978.8，December 1991.

[2]Dawes C J，Thomas W M.Friction stir process welds aluminum alloys[J].Welding Journal，2003，75（3）：41-45.

[3]張 昭，劉會杰.攪拌頭形狀對攪拌摩擦焊材料變形和溫度場的影響[J].焊接學報，2011，32（3）：5-8.

[4]Rhodes C G，Mahorey M W.Effect of friction stir welding on microstructure of 7075 aluminum[J].Scripta Materialia，2004，36（1）：69-75.

[5]Sato Y S，Urata M，Kokawa H，et al.Hall-petch relationship in friction stir welds of equal channel angular-pressed aluminium alloys[J].Materials Science and Engineering A，2003（354）：298-305.

[6]Sutton M A，Yang B，Reynolds A P，et al.Microstructural studies of friction stir welds in 2024-T3 aluminum[J].Materials Science and Engineering A，2002（323）：160-166.

[7]Cavaliere P，Squillace A，Panella F.Effect of welding parametersonmechanicalandmicrostructural properties of AA-6082 joints produced by friction stir welding[J].Journal of Materials Processing Technology，2008（200）：364-372.

[8]梁志芳，史清宇，康 旭.7A52鋁合金攪拌摩擦焊工藝優化[J].焊接學報，2011，32（2）：17-20.

[9]NeeJooTeh，HelenGoddin，AndrewWhitaker.Developments in micro applications of friction stir welding[OE/OP].http://www.twi.co.uk/technical-knowledge/published-papers/developments-in-micro-applications-of-friction-stir-welding/.