螺紋攪拌針直徑對鋁/鋼填絲攪拌摩擦焊接頭組織及性能的影響

韓世偉，羅展，蔣曉，譚攀，李小飛，許惠斌

應用技術

螺紋攪拌針直徑對鋁/鋼填絲攪拌摩擦焊接頭組織及性能的影響

韓世偉1，羅展1，蔣曉1，譚攀2，李小飛2，許惠斌2

（1. 重慶鐵馬工業(yè)集團有限公司，重慶 400050；2. 重慶理工大學 材料科學與工程學院，重慶 400054）

采用填絲攪拌摩擦焊方法，研究螺紋攪拌針直徑對6061鋁合金/304不銹鋼攪拌摩擦焊接接頭組織及性能的影響。通過使用3種不同直徑的螺紋攪拌頭，觀察不同結構攪拌頭對焊縫成形及接頭微觀形貌的演變規(guī)律，并對其進行力學性能測試，研究攪拌頭結構對接頭性能強化的影響。隨著螺紋攪拌針直徑由M4增加到M6，焊縫表面成形逐漸粗糙，同時在接頭焊縫中易產生大尺寸鋼屑；另外，隨著螺紋攪拌針直徑的增加，接頭界面處容易生成HOOK缺陷，同時在界面附近區(qū)域易出現鋼屑的聚集；接頭的抗拉強度隨螺紋攪拌針直徑的增加，呈明顯下降的趨勢。當螺紋攪拌針直徑為M4時，接頭的抗拉性能達到最大值156 MPa。通過采用直徑為M4的螺紋攪拌頭，能夠獲得具有最優(yōu)綜合性能的接頭。

螺紋攪拌針直徑；異種金屬；攪拌摩擦焊；鋁硅焊絲

鋁合金作為一種輕型材料，在飛機、汽車等領域中得到了廣泛應用，可以減輕這些結構的重量從而提高其綜合性能[1]。由于鋁合金熔點較低、熱傳導系數大，在工程應用中若對其零件采用熔焊方法焊接，易產生裂紋、氣孔等焊接缺陷；同時較高的熔焊溫度會導致鋁合金力學性能較低，故鋁合金的連接多采用機械連接，但是在一些連接密閉容器及永久連接的構件方面，焊接這一連接方式是迫切需要的。

不銹鋼因其高強度、易加工、良好的耐腐蝕性等優(yōu)異性能，在船舶、汽車、航空等行業(yè)有重要地位，被廣泛應用，因此鋁鋼金屬的綜合應用有重要意義，可以同時滿足材料輕量化及接頭良好的承載能力。鋁合金與不銹鋼的連接方式主要有焊接和機械連接[2]。由于鋁鋼之間物理性能差異較大，鋁鋼的焊接性比較差，對于一般的焊接方法，鋁合金與不銹鋼的焊接受到一定的限制。采用攪拌摩擦焊接鋁鋼具有廣闊的應用前景[3—8]。

攪拌摩擦焊是一項新型的固相焊接技術，于1991年在英國焊接研究所問世，其焊接過程的熱輸入較低，減小了組織的粗化，因而焊接接頭具有較高的強度和韌性[9—14]。相比傳統(tǒng)焊接方法而言，在攪拌摩擦焊的焊接過程中，母材金屬不會熔化，只是部分金屬達到塑性狀態(tài)，具有一定的流動性；焊前準備也相對簡單，焊接過程中沒有飛濺、弧光等危害，在優(yōu)良的焊接參數下也很少有氣孔和裂紋等缺陷[15—20]。

攪拌摩擦焊工藝參數包括攪拌頭形狀、轉速、焊接速度等，其中攪拌頭是攪拌摩擦焊的核心。文中研究螺紋攪拌針直徑對添加鋁硅焊絲的6061鋁合金與304不銹鋼攪拌摩擦焊接接頭形貌及力學性能的影響。

1 試驗

選用304不銹鋼和6061鋁合金作為被焊母材，通過機械加工制備為80 mm×45 mm×3 mm的板材，其化學成分如表1—2所示；Al-5%Si焊絲選用規(guī)格為85 mm×3.5 mm×0.3 mm，其化學成分如表3所示。

表1 304不銹鋼的化學成分（質量分數）

Tab.1 Chemical composition of 304 stainless steel (mass fraction) %

表2 6061鋁合金的化學成分（質量分數）

Tab.2 Chemical composition of 6061 aluminum alloy (mass fraction) %

表3 Al-5%Si帶狀焊絲的化學成分（質量分數）

Tab.3 Chemical composition of Al-5%Si ribbon welding wire (mass fraction) %

鋁/鋼填絲攪拌摩擦焊示意圖如圖1所示。選用H13模具鋼作為攪拌頭材料，軸肩設計為內凹狀，直徑為15 mm，攪拌針設計為圓柱帶螺紋，針長為2.7 mm，焊接轉速為660 r/min，焊接速度為44 mm/min，向鋼側偏移量為0.4 mm，壓入量為0.35 mm。

焊后沿焊縫垂直方向上截取接頭橫截面，用掃描電鏡（SEM）等分析接頭內部成形及各個區(qū)域的微觀組織。按照GB/T 2651—2008，采用電火花數控線切割機將接頭切成標準試件如圖2所示，在WDW- 6000C型萬能試驗機上進行測試，拉伸試驗速率為1.5 mm/min，每組參數至少選用3個焊接試件，在相應位置截取拉伸試樣并進行力學性能檢測。

圖1 鋁/鋼填絲攪拌摩擦焊示意圖

圖2 拉伸標準件

2 結果與討論

2.1 焊縫表面形貌

螺紋攪拌針直徑為M4，M5，M6時焊接接頭的焊縫表面形貌見圖3，可以發(fā)現，螺紋攪拌針直徑為4 mm和5 mm時，焊縫成形中有較多的金屬毛刺；螺紋攪拌針直徑為6 mm時，表面有溝槽出現，焊縫成形較為粗糙。

圖3 不同螺紋攪拌針直徑的接頭焊縫成形

2.2 焊縫橫截面形貌

不同螺紋攪拌針直徑對應的接頭橫截面形貌如圖4所示。由圖4a可知，接頭橫截面形貌中無明顯缺陷，焊縫中有少量的鋼屑存在，無明顯孔洞，界面較為平直；由圖4b可知，較多數量的大尺寸鋼屑分布在接頭焊縫中；同時，在接頭界面處生成了HOOK溝形貌，在一定程度上，生成HOOK有利于實現接頭的“機械咬合”，以及提高接頭的力學性能。圖4b中HOOK溝彎曲程度較大，超過正常彎曲范圍，易于產生裂紋源，影響接頭的力學性能[23]。由圖4c可知，焊縫焊核區(qū)存在明顯的孔洞缺陷，同時出現大尺寸條狀鋼屑，容易形成焊縫孔洞缺陷。綜上可知，隨著螺紋攪拌針直徑的增加，在焊縫處容易出現大尺寸的尖狀、條形鋼屑和孔洞等缺陷。

圖4 不同螺紋攪拌針直徑的接頭橫截面形貌

2.3 接頭界面形貌分析

圖5為不同螺紋攪拌針直徑的接頭微觀形貌。由圖5a可知，通過使用M4攪拌頭，獲得的接頭界面鋼屑的數量較少，界面結合較好，無孔洞等缺陷出現；由圖5b可知，在接頭近界面區(qū)存在鋼屑聚集區(qū)域，其中該區(qū)域內的鋼屑尺寸較大；此外，在界面處發(fā)現存在界面分層現象，有一層未被完全剝離的鋼基體母材仍然依附在界面處，裂紋易于在此處擴展。M6攪拌頭接頭鋁/鋼界面處也有鋼屑分布，接頭容易出現孔洞缺陷。

對不同螺紋攪拌針直徑的接頭界面觀察發(fā)現，螺紋直徑為M4的攪拌頭接頭界面如圖6a所示，界面連接較為良好，界面較為平直；螺紋直徑為M5的攪拌頭接頭界面如圖6b所示，近界面存在大尺寸鋼屑；螺紋直徑為M6的攪拌頭接頭界面如圖6c所示，焊縫中存在大尺寸條塊狀鋼屑依附于界面處。

圖5 不同螺紋攪拌針直徑的接頭界面SEM圖（×100）

圖6 不同螺紋攪拌針直徑的接頭界面SEM（×1000）

2.3 接頭力學性能分析

對6061鋁合金與304不銹鋼異種金屬攪拌摩擦焊焊接接頭進行拉伸強度測試，如圖7所示。分析發(fā)現，隨著攪拌針直徑的增大，接頭的抗拉強度先由156 MPa緩慢下降至153.7 MPa，而后接頭抗拉強度大幅下降至138.1 MPa。通過對抗拉強度進行分析，發(fā)現螺紋攪拌針直徑增加時，界面易出現大尺寸未被剝離的鋼屑以及孔洞等缺陷，由于攪拌摩擦焊的焊接溫度較低，大尺寸鋼屑與鋁合金焊縫金屬的冶金結合效果較差，容易導致夾雜缺陷，從而影響了接頭強度的提升。

圖7 不同螺紋攪拌針直徑焊接接頭的平均抗拉強度

3 結論

采用攪拌摩擦焊方法對6061鋁合金與304不銹鋼異種金屬進行焊接，研究螺紋攪拌針直徑對異種金屬接頭力學性能的影響。通過對焊縫表面形貌和接頭微觀形貌以及接頭抗拉強度進行分析，得出如下結論。

1）當螺紋攪拌針直徑增加到M6時，焊縫表面較為粗糙且鋁/鋼界面不分明。同時，接頭焊縫中易生成大尺寸鋼屑并呈聚集態(tài)分布，易生成明顯的孔洞缺陷。

2）隨著螺紋攪拌針直徑增加，接頭界面易生成HOOK缺陷，界面附近存在鋼屑聚集的現象。

3）接頭力學性能試驗結果表明，隨著螺紋攪拌針直徑的增加，接頭平均抗拉強度呈現明顯的下降趨勢。當螺紋攪拌針直徑為M4時，接頭抗拉強度達到最大值，即156 MPa。

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Effect of Diameter of Thread Stirring Pin on Microstructure and Properties of Friction Stir Welded Joint of Al/Steel with Interlayer

HAN Shi-wei1, LUO Zhan1, JIANG Xiao1, TAN Pan2, LI Xiao-fei2, XU Hui-bin2

(1. Chongqing Tiema Industry Group Co., Ltd., Chongqing 400050, China; 2. School of Materials Science and Engineering, Chongqing University of Technology, Chongqing 400054, China)

The work aims to study the effect of the diameter of thread stirring pin on the microstructure and properties of 6061 aluminum alloy/304 stainless steel friction stir welding joint through wire filling friction stir welding. By using thread stirring heads of three kinds of different diameter, the evolution law of weld formation and joint micro morphology was observed, and the mechanical properties were tested to study the influence of the structure of stirring head on the joint performance strengthening. When the diameter of the thread stirring needle increased from M4 to M6, the weld surface became rough gradually, and large-scale steel chips were likely to be produced in the joint weld; In addition, with the increase of the diameter of the thread stirring pin, hook defects were likely to form at the joint interface, and steel chips were likely to gather in the area near the interface; Therefore, the tensile strength of the joint decreased with the increase of the diameter of the thread stirring pin. When the diameter of the thread stirring needle was M4, the tensile strength of the joint reached the maximum value of 156 MPa. Through the use of M4 diameter thread stirring head, the joint with the best comprehensive performance can be obtained.

diameter of diameter of thread stirring pin; dissimilar metals; friction stir welding; Al-Si fill metal

10.3969/j.issn.1674-6457.2021.02.018

TG456.9

A

1674-6457(2021)02-0111-05

2020-09-29

重慶市自然科學基金（cstc2018jcyj-AX0705）；重慶市重點產業(yè)共性關鍵技術創(chuàng)新專項（cstc2015zdcy- ztzx600100）；重慶市高校創(chuàng)新研究群體（CXQT20023）；重慶英才·創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)領軍人才計劃（CQYC201903051）；重慶理工大學研究生創(chuàng)新項目（ycx20192038）

韓世偉（1976—），男，高級工程師，主要研究方向為焊接自動化和異種金屬連接及工程應用。

許惠斌（1971—），男，教授，碩導，主要研究方向為異種金屬的攪拌摩擦焊和特種釬焊技術。