攪拌摩擦點焊工藝參數對接頭組織及力學性能的影響

徐紅勇, 王瑾, 聶盼, 吉華, 洪曉祥, 張陽陽

(1.航天工程裝備(蘇州)有限公司,江蘇 蘇州215100 ；2.上海航天設備制造總廠有限公司，上海200245)

0 前言

為消除常規式攪拌摩擦點焊過程中形成的匙孔，國內外學者在常規式攪拌摩擦點焊基礎上，提出了多種消除匙孔的方法[1-5]，其中德國 GKSS發明的回填式攪拌摩擦點焊技術 (Refill friction stir spot welding, Refill FSSW ) 通過焊具復雜的相對運動將擠出的熱塑性材料重新擠入焊點，達到了增大接頭有效承載面積從而提高接頭力學性能的目的[6]。該方法具有焊接質量穩定、接頭質量高、焊后變形小以及高效節能等優點，在輕質合金的連接方面具有獨特的優勢[7]。

已有報道中對回填式攪拌摩擦點焊技術的介紹主要是對稱回填和非對稱回填攪拌摩擦點焊兩種[8-11]。航天工程裝備(蘇州)有限公司在以上兩種方法的基礎上提出了自補償攪拌摩擦點焊的概念。采用該方法可獲得表面成形質量較好的接頭，攪拌針面成形較差問題被完全消除，并且焊點根部未出現孔洞等缺陷。

采用正交法設計試驗，通過分別制備不同焊接工藝參數下自補償回填式 FSSW點焊接頭，以剪切拉伸力為指標，結合直觀分析與方差分析，探究各因素對接頭剪切拉伸力影響程度，并通過分析得到該組合FSSW較優的焊接工藝參數。通過對接頭表面成形質量與微觀組織分析，深入研究焊點成形質量及微觀組織隨焊接工藝參數的演變規律，揭示接頭顯微硬度、微觀組織與力學性能相關性。

1 試驗方法

試驗所用的材料為1 mm 厚的6016-T4鋁合金，主要合金元素為Mg和Si，屬于熱處理可強化鋁合金。該材料具有耐蝕性高，無應力腐蝕破裂傾向，焊接性能良好，焊接區腐蝕性能不變，成形性和工藝性能良好等優點。其化學成分見表1。焊接試驗在FSSW-SK-003型點焊機上進行，焊接過程中能夠提供最高軸向壓力為15 kN，最高旋轉速度達3 000 r/min。點焊工具為分體式，由壓緊套、攪拌套及攪拌針組成，其直徑分別為φ18 mm，φ9 mm，φ5.2 mm，焊接過程如圖1所示。

表1 6016-T4化學組成(質量分數，%)

點焊接頭采用搭接形式，其幾何尺寸如圖2所示。焊前所有鋁片用乙醇擦拭，去除油污等雜質。采用正交法設計試驗，選取焊接時間、旋轉速度和下扎深度為因素，因素水平見表2。該試驗采用攪拌套下扎形式，其焊接時間是指攪拌套下扎與回抽時間的總和，焊具為同向同速旋轉。每組參數焊接6個剪切拉伸試樣，檢測結果除去極值后取平均值，以剪切拉伸力為正交試驗結果評價指標，采用正交試驗優化后參數制備十字拉伸及金相試樣。其中剪切拉伸試樣和十字拉伸試樣分別按照行業標準Q/Rz141.0142011《變形鋁及鋁合金摩擦點焊工藝規范》和Q/Rz141.015 X011《變形鋁及鋁合金摩擦點焊通用技術條件》進行加工。

圖1 回填式攪拌摩擦點焊過程示意圖

圖2 Refill FSSW 點焊試樣幾何尺寸

表2 正交試驗因素與水平表

沿垂直于焊點中心的方向切割金相和硬度試樣，經鑲嵌、研磨、腐蝕后對接頭微觀組織進行觀察分析；試樣鑲嵌、粗磨、精磨和拋光處理后，沿上下板厚度方向中線以及上、下板材搭接界面處進行維氏硬度測試，如圖3 所示。相鄰測量點之間的距離為 0.5 mm，加載載荷為 0.49 N，載荷持續時間為 20 s。采用DNS100型萬能拉伸試驗機進行拉伸試驗。

圖3 顯微硬度測試點位置示意圖

2 試驗結果及分析

圖4 為6016-T4 鋁合金Refill FSSW 正交試驗 9 組工藝參數下試樣焊點宏觀形貌。如圖4所示，采用回填式攪拌摩擦點焊所制備試樣焊點表面呈盆狀，焊點表面低于工件表面約0.02～0.06 mm，主要是由于6系鋁合金流動性能較好，在相同焊接工藝下，擠入焊具間隙內材料相對較多，材料填充不足會產生焊點表面成形差以及環溝槽等缺陷。如圖4d, 4e, 4f 所示，焊接時間為4.5 s時，焊點表面成形較佳，焊后飛邊較少。

圖4 6016-T4 鋁合金 Refill FSSW 正交試驗試樣焊點照片

在正交試驗所制備9組試樣中，每組隨機選6個進行剪切拉伸試驗，檢測結果除去極大值及極小值，若檢測結果與平均值相差大于10%，則重新選取試樣進行檢測。表3所示為6016-T4 鋁合金 Refill FSSW 正交試驗剪切拉伸力結果。

表3 正交試驗結果

由表可知，焊接時間為4.5 s；焊具旋轉速度為 1 600 r/min；下扎深度為 1.4 mm；接頭拉伸性能最好，因此該組參數為最優參數。各因素R值分別為0.297，0.357，0.190，對比各因素R值可知，對接頭剪切拉伸性能影響程度最大為焊具旋轉速度，其次為焊接時間，下扎深度影響最小。根據焊具旋轉速度與焊接時間K值最大所對應水平，初步選擇焊具旋轉速度最佳為 1 200 r/min，焊接時間最佳為 4.5 s。

根據焊接時間與旋轉速度交互作用的表4可知，4.5 s×1 200 r/min對應為3.97，略小于4.5 s×1 600 r/min，由于焊具旋轉速度R值最大，因此，該試驗選擇焊接時間最優為4.5 s，焊具旋轉速度為 1 200 r/min。下扎深度對接頭剪切拉伸性能影響最小，K值最大所對應為1.4 mm，因此，6016-T4/6016-T4(1+1) 鋁合金Refill FSSW 最優工藝參數為：t=4.5 s；v=1 200 r/min；h=1.4 mm。

表4 6016-T4 鋁合金Refill FSSW正交試驗t×v交互作用

采用最優工藝參數(該組編號10)制備剪切拉伸試樣并進行剪切拉伸性能檢測，其檢測結果見表5。采用優化后最優工藝參數所制備的試樣剪切拉伸力均值為 3.73 kN，極差為0.08 kN。由于其小于工藝參數6所制備試樣剪切拉伸力(4.02 kN)，該試驗選取正交試驗中剪切拉伸性能最優組6號為最優工藝參數，因此，6016-T4/6016-T4(1+1) 鋁合金 FSSW 最優工藝參數為：焊接時間4.5 s；焊具旋轉速度 1 600 r/min；下扎深度 1.4 mm，最優工藝參數焊點接頭剪切拉伸力與位移關系曲線如圖5 所示，組內極差為0.08，說明焊接質量非常穩定。

表5 最優工藝參數剪切拉伸性能復驗 kN

圖5 最優參數下焊點接頭剪切拉伸力與位移關系曲線

圖6 為典型的6016-T4 鋁合金 FSSW 接頭橫截面宏觀組織，由中心向外分別為焊核區、熱力影響區、熱影響區及母材，如圖6a所示，焊接時間為4.5 s，焊具旋轉速度為 1 600 r/min，下扎深度為1.4 mm的接頭表面成形較為平整，焊點材料充分回填，在焊接摩擦熱作用下，工件被軟化并有少許熱塑性材料被擠出焊點，在接頭表面形成飛邊，焊點表面低于工件約0.06 mm(圖6b)。回填式攪拌摩擦點焊工具為間隙配合，在焊接過程中，少量的材料被焊具帶出，以及在攪拌套下壓過程中擠出焊點形成少量飛邊，焊點高度略低于工件表面。

圖6c所示為焊接“Z線”。在焊接過程中，由于攪拌頭的攪拌作用，將氧化皮打碎，但未充分均勻分布于基體中，因而形成了“Z線”缺陷。“Z線”是由于焊接工藝參數選取不當，熱輸入不足，氧化皮未徹底打碎導致兩個界面未達到較好的原子結合，其對接頭力學性能無明顯的影響。圖6d所示為焊具退出線附近未充分混合區，是由于焊具攪拌不充分。圖6e所示為兩板間隙，除焊點之外，上下兩板其他區域并沒有形成有效的冶金連接，為未結合區。圖6f所示為上下板表面氧化皮在焊點中心的結合面處形成粘連韌帶，在外加載荷作用下，粘連韌帶處容易引起應力集中，裂紋傾向于沿著結合面處的粘連韌帶擴展，形成穿過焊核斷裂形式，因此，粘連韌帶的存在會一定程度降低接頭剪切拉伸性能。圖6g為鋁合金 FSSW 焊點Hook形貌。Hook缺陷是攪拌摩擦點焊過程中不可避免的缺陷，接頭Hook的誕生使得結合區域減小，較容易產生裂紋擴展源，從而抗剪強度有下降趨勢。

圖6 6016-T4 鋁合金 FSSW 金相圖譜

該試驗對最優工藝參數下制備的6016-T4鋁合金FSSW試樣剪切拉伸性能與正應力下拉伸性能進行檢測，見表6，6016-T4鋁合金FSSW試樣最優工藝參數下試樣剪切拉伸力均值為4.02 kN。正應力下拉伸性能采用十字拉伸形式，采用最優工藝參數制備6個十字拉伸試樣，選取5個進行十字拉伸性能測試。圖7所示為十字拉伸試樣照片，采用最優工藝參數所制備試樣，其焊點表面成形質量較好，表6為十字拉伸檢測結果，其均值為1.32 kN，約為剪切拉伸力的32.8%。

表6 6016-T4/6016-T4(1+1)鋁合金 FSSW 十字拉伸結果 kN

圖7為6016-T4鋁合金R-FSSW最優工藝參數十字拉伸試樣宏觀照片。圖7a為最優工藝參數下點焊試樣宏觀形貌，圖7b所示為最優工藝參數下十字拉伸后試樣宏觀照片，圖7c所示為十字拉伸斷口形貌。在正應力作用下，十字拉伸失效位置沿焊核外側，熱影響區附近紐扣狀剝離，斷口呈環狀(圖7c, 7d)。這與接頭的宏觀形貌形貌有關(圖6)，由于該工藝固有缺陷未充分混合、Hook、粘連韌帶等的存在，使得十字拉伸上板很容易拔出。

圖7 6016-T4 鋁合金R-FSSW最優工藝參數

十字拉伸試樣宏觀照片

圖8為6016-T4鋁合金FSSW最優焊接工藝參數試樣剪切拉伸斷口。在剪切應力作用下，試樣由Hook缺陷處斷裂(圖8a)，斷裂起始位置為上板并靠近載荷方向一側，為熱影響區(圖8c)，是由于熱影響區在焊接熱作用下，組織較為粗大，強度降低。在拉伸過程中形成頸縮(圖8b)，同時在頸縮處可看到明顯的晶粒隨拉伸變形拉長現象。此外，在剪切應力作用下，試樣經變形之后，并不完全沿著Hook缺陷處擴展(圖8c)。

圖8 6016-T4鋁合金FSSW最優工藝參數試樣

剪切拉伸斷口分析

由圖9可知， 6016-T4鋁合金FSSW最優工藝參數試樣接頭的母材區的顯微硬度值在70 HV左右，同時，在接頭的熱影響區處硬度值略有下降，其中下板下降幅度最大。這是因為在焊接過程中，熱影響區晶粒產生回復作用，從而使得硬度下降；在攪拌套和攪拌針作用區邊緣，接頭硬度出現明顯的峰值現象，這是在焊接過程中鋁合金表面的氧化膜被攪碎分布在了攪拌套和攪拌針作用區邊緣所致；中間部位的攪拌針直接作用區硬度較為均勻，但硬度值整體高于母材區，這是在焊接過程中攪拌針作用區的晶粒被細化，使得該作用區的硬度有所提高。

采用最優工藝參數制備6016-T4鋁合金FSSW 鑿檢試樣，制備數量為4個，隨機選取3個進行鑿檢性能測試，如圖10a所示，由圖可知,鑿檢試樣焊點表面成形較好，將鑿子插入至與被檢查焊點距約5 mm處上下扳動鑿子，經鑿檢后，試樣左右兩側張角約45°，如圖10b所示，可見，采用最優工藝參數下所制備6016-T4/6016-T4 (1+1) 焊點接頭在鑿檢試驗過程中均未出現松動，說明焊點牢固，質量均合格。

圖9 6016-T4鋁合金FSSW最優工藝參數試樣顯微硬度

圖10 6016-T4 鋁合金FSSW最優工藝

參數下鑿檢試樣照片

3 結論

(1)采用回填式攪拌摩擦點焊技術成功制備了1.0 mm厚6016-T4鋁合金點焊接頭，試樣表面光亮平整，無環溝槽缺陷。較優工藝參數為：焊接時間4.5 s、旋轉速度1 600 r/min、下扎深度1.4 mm。

(2)接頭剪切拉伸力、十字拉伸力分別為4.02 kN與1.32 kN。

(3)中間部位的攪拌針直接作用區硬度較為均勻，顯微硬度值高于母材區。

(4)焊點接頭在鑿檢試驗過程中均未出現松動，說明焊點牢固，質量良好。