輔助加熱溫度對鋁合金厚板FSW焊縫成形的影響

毛育青，趙藝達，江周明，柯黎明

南昌航空大學 輕合金加工科學與技術國防重點學科實驗室，南昌 330063

隨著航空、航天、船舶等高技術產業的飛速發展，對金屬材料的使用提出了更高要求，在保持高性能化的同時，還需追求輕量化，以降低結構件的質量。鋁合金具有密度小、耐蝕性好、比強度高等優點，已在上述領域的應用呈顯著上升趨勢[1-3]。通常，鋁合金結構件需要采用焊接方法來連接。作為一種新型固相連接技術，在攪拌摩擦焊(Friction Stir Welding, FSW)焊接過程中，母材不熔化，可避免熔焊時產生的冶金缺陷，接頭質量顯著提高[4-5]。因此，它被認為是鋁、鎂合金等金屬的最佳焊接技術[6-7]。目前，該技術已在飛機蒙皮與加強筋、船體隔板、高速列車車體等鋁合金薄板構件的連接中得到有效應用[8-10]。

但是，對鋁合金厚板焊接而言，仍存在很多問題，如焊接阻力太大，攪拌頭易磨損斷裂；焊縫成形困難，易形成疏松區或孔洞型缺陷等。研究發現，這與焊縫金屬的溫度場分布變化密切相關[11]。由FSW焊縫成形原理[12]可知，當攪拌頭旋轉引起塑化金屬沿螺紋表面軸向流動時，在攪拌針根部附近會形成一個瞬時空腔，周圍塑化金屬被吸入此空腔中，形成抽吸效應；而在攪拌針端部，塑化金屬將改變流向并擠壓周邊金屬，形成擠壓效應。因此，焊接時“抽吸—擠壓”效應的強弱將決定焊縫成形質量，而此效應又取決于焊縫溫度場分布情況。通常，焊接時80%的熱量由軸肩與母材金屬摩擦產熱提供，通過熱傳導作用使母材塑化并發生充分流動而形成致密焊縫[13]。然而，與薄板FSW不同，厚板焊接時底部金屬僅受攪拌針作用，產熱量少，散熱量多，且焊縫上部熱量無法及時傳遞到底部，導致焊縫底部金屬溫度低，無法被充分塑化，金屬流動能力差，使得焊接過程中抽吸—擠壓效應明顯減弱，焊縫成形質量較差[14-15]。為了提高某些高熔點合金FSW焊縫金屬的塑化程度和流動能力，一些學者提出了多種復合FSW技術。比如，通過添加感應熱、電弧、激光、離子束等作輔助熱源，將其放置在攪拌頭前方，焊接過程中對待焊板材上表面進行加熱以軟化焊縫金屬，取得了一定的效果[16-19]。但是，這些方法都存在各自的不足，如感應加熱會減少攪拌頭壽命；激光熱量反射較大等。此外，厚板焊接時需要提高焊縫底部金屬的溫度，因而上述輔助加熱方法并不適合。

鑒于此，本研究通過設計電阻絲加熱平臺，對待焊鋁板底部進行輔助加熱。通過改變輔助加熱溫度，調控焊縫金屬的溫度場及其流動方式，研究輔助加熱溫度對焊縫成形的影響。

1 試驗材料及方法

采用圓錐形左螺紋攪拌頭進行焊接試驗。攪拌頭夾持柄和軸肩的加工材料選用熱處理狀態的H13模具鋼，而攪拌針則選用固溶時效態GH4169鎳基高溫合金。其中，軸肩端面形狀為內凹形，內凹面深處與邊緣夾角為2°，軸肩直徑為36 mm；攪拌針表面加工成左螺紋，螺距為7 mm；螺紋齒深為1.5 mm；攪拌針根部直徑為14 mm，端部直徑為8 mm，長度為19.5 mm。

試驗基材為20 mm厚的2024-T4鋁合金軋制板材，待焊件尺寸為200 mm×100 mm。焊前使用丙酮對待焊工件表面進行清理。焊接設備選用X35K型立式銑床改裝的攪拌摩擦焊機，焊接時攪拌頭作順時針旋轉，選用的焊接工藝參數為375 r/min的攪拌頭旋轉速度、37.5 mm/min的焊接速度、2°的傾斜角及0.5 mm的下壓量。

為了實現對工件底部進行輔助加熱，本試驗自主設計了一套輔助加熱裝置。其中，加熱裝置總體外圍尺寸為470 mm×270 mm×75 mm，框架內放置電阻絲，外表面放置一尺寸為250 mm×200 mm×8 mm的鋼板加熱平臺，加熱平臺的溫度可調范圍為室溫至420 ℃，控制精度±1 ℃。此外，加熱裝置底部裝有冷卻水路，防止燙傷或損壞焊接設備。焊接時，將待焊板材直接固定在加熱平臺上，通過溫控開關設置所需加熱溫度，待加熱板升至預設輔助加熱溫度后5 min開始焊接試驗。其中，輔助加熱攪拌摩擦焊接示意圖如圖1 所示。對2024-T4鋁合金而言，當輔助加熱溫度(T)超過80 ℃且被長時間加熱時，將會使得微觀組織發生變化，改變母材自身力學性能。因而，本對比試驗所選用溫度不能超過80 ℃， 即分別選為20 ℃、40 ℃、60 ℃和80 ℃。

為了分析輔助加熱溫度對焊縫底部金屬溫度場的影響，需要對焊接熱循環曲線進行實時測量。圖2為焊接熱循環測量位置示意圖, AS (Advancing Side)表示焊縫前進側，RS (Retreating Side)表示焊縫返回側，ω表示攪拌頭順時針旋轉方向。首先，在距工件下表面2 mm、長度中心處打好直徑為1.1 mm的盲孔，盲孔深度為45 mm，保證圖2 中A、B兩測溫點距焊縫中心5 mm。然后，將直徑為1 mm的熱電偶插入盲孔底部，并用高溫膠固定，防止焊接時熱電偶移動。試驗所用溫度采集器為ADAM-4118，采集器通過數據線連接計算機，采集頻率設為每0.5 s記錄一次溫度值。

圖1 輔助加熱攪拌摩擦焊接Fig.1 Assisted preheating friction stir welding

圖2 焊接熱循環測量位置Fig.2 Measuring position of welding thermal cycle

2 試驗結果與討論

2.1 焊縫橫截面形貌特征

圖3為20 ℃輔助加熱溫度條件下獲得的焊縫橫截面形貌。其中，圖3中黑色點劃線表示焊縫的中心線。由圖3可見，與薄板FSW焊縫成形形貌特征不同，厚板FSW焊縫攪拌中心區可分成3個不同的區域。其中，除了位于焊縫最上層的軸肩影響區(Shoulder Affected Zone，SAZ)和位于焊縫底層的焊核區(Nugget Zone, NZ)外，在兩者之間還存在一個明顯的疏松區(Loose Zone，LZ)，其內部分布著大量尺寸不一的孔洞。

分析認為，攪拌針表面螺紋是致使焊縫塑化金屬沿螺紋槽旋向發生遷移的主要驅動力[20]。當采用左螺紋攪拌頭焊接時，受攪拌針表面螺紋正壓力和摩擦力的共同作用，焊縫上表面的塑化金屬將沿著螺紋槽向下遷移，并最終脫離攪拌針端部螺紋約束而在其附近堆積，形成初始的焊核區。受墊板剛性約束的作用，焊核區內的塑化金屬將改變方向開始擠壓其周邊金屬，使之發生彎曲變形。最終，焊核區向上擴展并與上部的軸肩影響區匯聚、混合，形成焊縫。當焊縫金屬溫度足夠高且溫差較小時，焊接時的抽吸效應越強，向焊核區內遷移的金屬越多，焊核區越大，對周邊金屬的擠壓效應越強，使得上部軸肩影響區和下部焊核區完全混合，疏松區消失。但是，對鋁合金厚板焊接而言，在焊縫軸肩影響區和焊核區之間形成一個明顯的疏松區，分析認為，這可能與焊縫金屬的溫度場和流動方式發生變化有關。

圖3 焊縫橫截面形貌特征Fig.3 Characteristic of cross section of weld

2.2 焊縫金屬流動形態分析

圖4為不同溫度條件下獲得的焊縫橫截面形貌。其中，圖4中的ALZ和ANZ分別表示焊縫中的疏松區和焊核區的面積；Ha和Hr分別表示焊縫前進側和返回側焊核區高度；W表示焊核區寬度；藍色虛線箭頭表示疏松區內金屬遷移方向。由圖4可見，圖4(a)、4(c) 和4(d)中存在明顯的疏松區，而圖4(b)中的疏松區消失了。同時，對比圖4發現不同的輔助加熱溫度條件下獲得的焊縫中的疏松區和焊核區的尺寸相差較大。當輔助加熱溫度為40 ℃，焊縫中的疏松區消失，焊核區尺寸明顯增大。但繼續升高輔助加熱溫度至60 ℃和80 ℃時，疏松區再次出現且尺寸和內部孔洞反而越來越大，焊核區尺寸則逐漸減小。

圖4 不同輔助加熱溫度條件下獲得的焊縫橫截面形貌Fig.4 Cross sections of welds produced at different assisted preheating temperatures

為了定量描述輔助加熱溫度對焊縫成形的影響程度，對不同焊縫中的疏松區和焊核區尺寸進行了測量，統計結果如圖5所示，圖5中H表示焊核區高度。由圖5可見，隨著輔助加熱溫度升高，焊縫中的焊核區寬度、高度及面積呈現先增大后減小的趨勢，而疏松區面積呈現先減小后增大的趨勢。當輔助加熱溫度為40 ℃時，焊縫中的焊核區尺寸最大，且疏松區消失，即在適當的輔助加熱溫度條件下焊接時，焊縫成形質量可得到顯著提高。但是，當輔助加熱溫度太高時，所獲得的焊縫內部疏松區面積更大，反而不利于焊縫成形。

研究發現，在高熔點合金FSW過程中，施加合適的輔助加熱溫度可以顯著提高焊接熱輸入，使母材金屬得到充分軟化，增加焊縫金屬的流動能力[21]。類似，對鋁合金厚板而言，焊接時焊縫上下部金屬溫差較大，底部金屬溫度較低，周邊金屬的約束力較大，導致塑化金屬流動方式可能發生變化。當在待焊母材底部添加合適的輔助加熱溫度時，可能會提高焊縫底部金屬的溫度，減小沿板厚方向上的溫差，使得焊接時的抽吸-擠壓效應顯著增強。焊縫上部的金屬被充分塑化，在抽吸效應的作用下沿著螺紋槽旋向向下遷移，且隨著向下遷移金屬的增多，焊核區更大。同時，焊縫底部金屬溫度得到提高，焊核區周邊金屬對其內部塑化金屬的阻力減小，焊核區塑化金屬擠壓周邊金屬而發生橫向遷移的距離增大，使得焊縫金屬發生充分的流動而形成致密焊縫，疏松區消失，如圖4(b)所示。但是，當輔助加熱溫度太高時，一方面，焊縫金屬升溫速率太高，黏度急劇下降，導致攪拌針表面與金屬接觸的界面狀態容易由原來的粘著摩擦瞬時轉變為滑動摩擦[22]，使得焊接熱輸入量反而降低；另一方面，從焊縫上部向下遷移過來的高溫塑性金屬量可能急劇減少，傳導熱量減少，導致焊縫底部金屬溫度明顯降低，周邊金屬的阻力增大，焊核區橫向遷移距離減小，焊核區尺寸減小。此外，焊縫底部塑化金屬的流動方式也可能發生變化，導致焊縫內再次出現疏松區缺陷，且疏松區面積變得更大，如圖4(c)、圖4(d)所示。

圖5 不同輔助加熱溫度條件下獲得的焊核區和 疏松區尺寸變化Fig.5 Variation of sizes of nugget zone and loose zone produced at different assisted preheating temperatures

2.3 焊縫金屬峰值溫度變化

由上述試驗結果可知，不同輔助加熱溫度條件下獲得的焊縫橫截面形貌發生很大變化。上述分析認為，這可能與焊接過程中的金屬溫度場分布變化有關。圖6為不同輔助加熱溫度條件下、距焊縫下表面2 mm處的焊核區兩側金屬的峰值溫度(TP)。其中，黑色柱狀表示焊縫底部前進側焊核區金屬的峰值溫度，而灰色柱狀表示焊縫底部返回側焊核區金屬的峰值溫度。由圖6可見，隨著輔助加熱溫度升高，焊縫底部前進側和返回側焊核區金屬的峰值溫度先增大后減小。當輔助加熱溫度升高到40 ℃時，焊縫上、下層金屬的峰值溫度最大，分別達到415 ℃和409 ℃。繼續升高輔助加熱溫度，焊縫金屬的溫度出現了下降的趨勢。其中，當輔助加熱溫度升高至80 ℃時，焊縫上、下層金屬的峰值溫度最低，僅為387 ℃和382 ℃。

圖6 不同輔助加熱溫度條件下所獲得的焊縫底部 金屬的峰值溫度變化Fig.6 Variation of peak temperatures of weld material on the root reached at different assisted preheating temperatures

由此證明，適當增加輔助加熱溫度至40 ℃時，可顯著提升焊縫焊核區金屬的峰值溫度及高溫停留時間，從而可減小焊核區周邊冷金屬對焊核區塑性金屬遷移的阻力，提高焊核區內塑性金屬的流動能力，使得焊核區內塑性金屬向周圍的遷移距離明顯增大，即在焊縫橫截面上表現為焊核區面積、最大寬度、兩側高度顯著增加，如圖5 所示。

2.4 厚板FSW焊縫金屬流動物理模型

為了分析輔助加熱溫度對焊縫塑性金屬流動方式的影響，建立了不同輔助加熱溫度條件下厚板FSW焊縫金屬流動方式變化物理模型，如圖7所示。其中，圖7中Tool表示所使用的攪拌頭；紅色虛線箭頭表示軸肩下方焊縫塑性金屬向底部遷移的路徑；攪拌針端部橙色區域表示塑性金屬堆積成的擠壓區(Extruding Zone)；紅色實線箭頭表示擠壓區內塑性金屬向周圍遷移的方向；F表示周邊冷金屬對焊核區塑性金屬遷移的阻力。根據上圖6試驗結果可知，在輔助加熱溫度為20 ℃條件下，焊縫底部金屬的峰值溫度較低，單位時間內焊縫上部塑性金屬向底部擠壓區內遷移的金屬量較少，而周邊冷金屬對擠壓區塑性金屬遷移的阻力F很大，導致擠壓區內塑性金屬只能沿著攪拌針表面向焊縫上部高溫區遷移，而向周邊遷移的距離較小，擠壓區無法與上層的軸肩影響區混合充分，在兩區之間形成一個明顯的疏松區，如圖4(a)所示。隨著輔助加熱溫度升高至40 ℃時，焊縫底部擠壓區內塑性金屬的峰值溫度顯著提高，單位時間內向擠壓區內遷移的塑性金屬量增大，流動能力增強，且周邊冷金屬溫度也明顯提高，遷移阻力F顯著減小，導致擠壓區內塑性金屬遷移方式逐漸向擠壓周圍金屬流動轉變，導致塑性金屬向四周遷移的距離明顯增大。焊縫塑性金屬充分流動，擠壓區與軸肩影響區充分混合，形成致密的焊縫，疏松區消失，如圖4(b)所示。但是，當輔助加熱溫度繼續升高至60 ℃和80 ℃時，由于焊縫金屬的升溫速率太大，黏度下降，導致焊縫塑性金屬與攪拌針接觸的摩擦界面狀態由粘著摩擦瞬時向滑動摩擦轉變，焊接總熱輸入量減小，塑性金屬峰值溫度降低，周邊冷金屬阻力F明顯增大，導致擠壓區內塑性金屬又開始向原始的沿著攪拌針表面向焊縫上部高溫區遷移方式轉變。使得底部擠壓區內塑性金屬向周邊遷移的距離減小，擠壓區無法與軸肩影響區充分混合，接頭內部再次出現疏松孔洞缺陷，且疏松區尺寸有逐漸增大的趨勢，如圖4(c)和圖4(d)所示。

圖7 厚板FSW焊縫金屬流動方式變化物理模型Fig.7 Physical model for variation of plastic flow patterns of weld material of FSW thick plate

3 結 論

1) 隨著輔助加熱溫度從20 ℃升高至80 ℃，焊縫內部焊核區寬度、高度及面積呈現先增大后減小的趨勢，而疏松區面積呈現先減小后增大的趨勢。其中，當輔助加熱溫度為40 ℃時，焊縫內部焊核區尺寸最大，疏松區消失。

2) 當輔助加熱溫度升高至40 ℃時，可顯著提高焊核區塑性金屬的峰值溫度及高溫停留時間，導致塑性金屬的流動能力明顯增強，焊縫成形質量得到顯著提高。

3) 當輔助加熱溫度從20 ℃升高到40 ℃時，焊核區塑性金屬遷移方式將由沿攪拌針表面向焊縫上部高溫區遷移轉變為擠壓焊核區周邊冷金屬而發生橫向遷移。但是，當輔助加熱溫度增加至60 ℃時，焊核區塑性金屬又開始向原始的沿攪拌針表面向焊縫上部高溫區遷移方式轉變，且遷移程度有明顯增大的趨勢，導致疏松區缺陷再次出現。