單、雙軸肩攪拌摩擦焊焊接接頭性能對比與研究

劉贛華 李可

摘? 要：分別采用單、雙軸肩攪拌摩擦焊工藝對6mm厚7A05鋁合金板材進行焊接實驗，對比分析兩種焊縫接頭的金相組織、力學性能及顯微硬度。實驗結果表明，雙軸肩攪拌摩擦焊能有效消除焊縫根部薄弱及未焊透等焊接缺陷，但雙軸肩焊縫產生了非常明顯的脆性傾向。雙軸肩焊縫接頭的抗拉強度可以達到母材的78%，達到單軸肩接頭強度的84%。兩種焊縫接頭區域的顯微硬度都低于母材，說明焊縫都發生了軟化現象。

關鍵詞：攪拌摩擦焊;雙軸肩攪拌摩擦焊;金相分析;力學性能

中圖分類號：TG453.9? ?? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）10-0096-02

Abstract： The welding experiments of 6-mm-thick 7A05 aluminum alloy plates were carried out by single and double shoulder friction stir welding respectively， and the metallographic structure， mechanical properties and microhardness of the two kinds of weld joints were compared and analyzed. The experimental results show that the double-shoulder friction stir welding can effectively eliminate the welding defects such as weak weld root and lack of penetration， but the double-shoulder weld has a very obvious brittleness tendency. The tensile strength of the biaxial shoulder weld joint can reach 78% of the base metal and 84% of the single shoulder joint strength. The microhardness of the joint area of the two kinds of welds is lower than that of the base metal， indicating that the welds have been softened.

Keywords： friction stir welding; double shoulder friction stir welding; metallographic analysis; mechanical properties

引言

攪拌摩擦焊（friction stir welding）經過20多年的發展已經在航空航天、軌道列車及核工業等行業得到了廣泛應用，其與傳統的熔化焊接方法相比具有晶粒細小、焊縫綜合力學性能良好，無煙塵，無飛濺，環保節能，無需焊絲和保護氣等優點[1]。傳統的單軸肩式攪拌頭攪拌摩擦焊技術對設備的剛性和背部支撐要求極高，因此結構件的焊接工裝極其復雜并且需要背部支撐墊板以抵抗焊接中產生的鍛壓力，這約束了攪拌摩擦焊在制造領域的推廣應用，此外對于大厚板的焊接易產生焊縫根部未焊透及弱連接等缺陷[2]。

雙軸肩攪拌摩擦焊作為一種新型的攪拌摩擦焊接方式，其技術特點主要在于采用上下雙軸肩結構（如圖1所示），上軸肩與傳統攪拌頭作用相當而下軸肩代替背部剛性墊板，以實現焊縫背部無支撐焊接，保證了焊縫根部的全焊透。

本實驗的實驗材料選用7A05鋁合金，7A05鋁合金是鋁鋅錳系鋁合金，為高強鋁合金，采用淬火加人工時效熱處理。7系列鋁合金不僅具有強度高，無低溫脆性等優點外，還具有良好的可加工性能和耐腐蝕性能，在我國被廣泛用于橋梁結構，坦克裝甲等領域。然而，7A05 鋁合金具有較強的焊接裂紋敏感性，采用傳統熔焊方法會大幅降低其接頭強度，并且存在焊接變形大、焊接氣孔等問題，在實際應用過程中存在較大的限制。本文中對6mm厚7A05鋁合金板材單、雙軸肩攪拌摩擦焊工藝進行對比與研究，為雙軸肩攪拌摩擦焊用于鋁合金的焊接生產提供理論支撐與指導。

1 實驗方法

本實驗選用的實驗材料為7A05鋁合金，其板材尺寸為：200mm*150mm*6mm。7A05鋁合金為鋁鋅鎂系鋁合金，屬于高強鋁合金，其力學性能如表1所示：

實驗采用二維攪拌摩擦焊焊機。單、雙軸肩攪拌頭如圖2所示。焊接工藝如表2所示。

焊后用線切割沿試樣橫截面取金相試樣，經研磨、拋光及腐蝕后，采用光學顯微鏡觀察及金相組織并測試其顯微硬度。采用萬能拉伸試驗機測試焊接接頭力學性能。

2 實驗結果分析

焊縫接頭宏觀形貌：

單軸肩攪拌摩擦焊焊接接頭及雙軸肩攪拌摩擦焊焊接接頭宏觀形貌如圖3所示，由圖可以看出雙軸肩FSW接頭同單軸肩FSW接頭存在明顯差異。單軸肩FSW接頭宏觀形貌呈“T”型，上寬下窄，焊縫上部寬度接近于攪拌頭軸肩直徑，焊縫下部寬度接近于攪拌針直徑。雙軸肩FSW接頭宏觀形貌呈“X”型，上下表面較寬而中間窄。

力學性能分析：

表3為接頭力學性能對比，其焊接工藝參數都為？棕=800rad/min，v=200mm/min。分析表3得：

（1）雙軸肩焊縫接頭力學性能普遍低于單軸肩焊縫，只能達到單軸肩焊縫接頭抗拉強度的84.2%，達到母材抗拉強度的78.1%。

（2）雙軸肩焊縫接頭的斷后伸長率僅能達到單軸肩焊縫的50%左右，說明雙軸肩焊縫脆性傾向嚴重，塑性韌性損失嚴重。

產生這種現象的原因主要是因為雙軸肩焊縫熱輸入高于單軸肩焊縫，故雙軸肩焊縫的晶粒生長過快導致其晶粒粗大，進而使整體力學性能下降嚴重。

3 結論

（1）完成了7A05鋁合金單、雙軸肩攪拌摩擦焊焊接接頭，焊接接頭成型良好，無裂紋等缺陷。

（2）雙軸肩焊縫接頭宏觀形貌呈上下表面較寬而中間窄得“X”型，接頭分為焊核區，熱機影響區，熱影響區，母材區。

（3）雙軸肩焊縫焊接接頭的抗拉強度能達到母材的78.1%。

（4）雙軸肩攪拌摩擦焊雖然能有效消除未焊透、焊縫根部弱連接等缺陷，但其接頭力學性能低于單軸肩焊縫接頭，其原因主要為，雙軸肩攪拌摩擦焊的熱輸入高于單軸肩，導致雙軸肩焊縫接頭晶粒粗大，接頭軟化。

（5）單、雙軸肩焊接接頭的顯微硬度均低于母材，說明其焊縫都出現了軟化現象。軟化現象最嚴重的區域主要集中于熱機影響區和熱影響區。

參考文獻：

[1]R.S.Mishraa，*， Z.Y.Mab. Friction stir welding and processing[J].Materials Science and Engineering R.50（2005）：1-78.

[2]趙衍華，李延民，郝云飛，等.2219鋁合金雙軸肩攪拌摩擦焊接頭組織與性能分析[J].宇航材料工藝，2012，42（6）：70-75.