對接間隙對雙軸肩攪拌摩擦焊接頭成形與性能的影響

李充, 李朔晗, 齊振國, 孟祥晨, 黃永憲

(1.河北京車軌道交通車輛裝備有限公司，河北 保定072150;2.先進焊接與連接國家重點實驗室，哈爾濱工業大學，哈爾濱 150001)

0 前言

攪拌摩擦焊接(Friction stir welding, FSW)是由英國焊接研究所(The Welding Institute, TWI)于1991年針對難以進行熔化焊接的鋁合金、鎂合金等輕質有色金屬開發的一種新穎而具有巨大發展潛力的固相焊接技術，其焊接過程中的峰值溫度為(0.6～0.9)Tm(Tm為待焊材料的熔點)[1-4]。該技術具有接頭質量高、焊接變形小、焊接過程綠色無污染、自動化程度高、焊接成本低等一些列優點，被譽為“繼激光焊后又一次革命性的焊接技術”。隨著對FSW技術深入的研究和應用，諸多基礎性的問題逐漸浮現。基于焊接過程特點，FSW技術存在3個固有模式：①背部需剛性支撐且易出現背部弱連接，導致接頭難以成形并降低接頭強度[5-6]；②有效承載厚度減薄，導致焊縫邊緣產生應力集中和疲勞失效[7-8]；③焊縫尾部的匙孔不可避免，造成“木桶效應”，降低力學性能[9-12]。

為了克服鋁合金中空及密閉結構在無剛性墊板支撐條件下常規FSW技術難以焊接和焊縫根部易出現弱連接等問題，國內外學者開發了自持式FSW技術，其包含雙軸肩攪拌摩擦焊(Bobbin tool friction stir weld-ing, BT-FSW)[13-15]和自支撐攪拌摩擦焊(Self-support friction stir welding, SSFSW)[5,16]方法。焊接過程中，自持式FSW焊具由上軸肩、攪拌針和下支撐體組成，焊具以一定的速度旋轉進入被焊工件對接面，分別與工件上、下表面緊密接觸，產生摩擦熱和塑性流動，實現待焊材料的背部無剛性支撐下的優質連接。目前，通過焊具結構設計、焊接工藝參數優化(旋轉速度、焊接速度、下壓量)等已經實現了2XXX和6XXX系列鋁合金的優質連接。在實際應用條件下，由于板材制造精度累計誤差或裝配間隙等均會使待焊板材之間產生一定的間隙，造成接頭成形差和性能低等問題[17]。

文中以6082鋁合金為主要研究對象，重點研究裝配間隙對BT-FSW接頭成形與性能影響機制，討論不同裝配間隙條件下接頭成形、組織演變與拉伸性能之間的作用規律，為BT-FSW技術在軌道交通領域的應用奠定基礎并提供保障。

1 試驗材料與方法

試驗采用BT-FSW對4 mm厚的6082-T6鋁合金進行對接試驗，6082-T6鋁合金的化學成分見表1。待焊的6082-T6鋁合金試板尺寸為500 mm×250 mm×4 mm。采用HTM-30KM260(AB)攪拌摩擦焊設備進行BT-FSW，雙軸肩攪拌頭采用H13模具鋼，其結構及焊接過程示意如圖1所示，對接間隙裝配如圖2所示。控制對接間隙分別為0 mm，0.3 mm，0.5 mm，0.7 mm，1.0 mm，為保證焊縫區的微減薄，雙軸肩的壓入量均為0.1 mm，攪拌頭旋轉速度為700 r/min，焊接速度為300 mm/min。

表1 6082-T6鋁合金化成成分(質量分數，%)

圖1 BT-FSW焊具及焊接過程示意圖

圖2 對接間隙示意圖

采用Keyence VHX-1000E超景深顯微鏡觀察接頭橫截面宏觀形貌；采用HXD-1000TM數字式顯微硬度儀表征試樣橫截面硬度分布，其中加載載荷為1.96 N，保載時間為10 s。用線切割設備沿垂直于BT-FSW焊接方向切取拉伸試樣，拉伸試樣尺寸按照ISO 4136: 2012《Destructive tests on welds in metallic materials—transverse tensile test》標準制備，示意圖如圖3所示，采用SHIMADZU EHF-UV200K2型液壓伺服試驗機進行強度測試，拉伸速度為3 mm/min；用Zeiss Merlin Compact型掃描電子顯微鏡(Scanning electron microscope, SEM)對拉伸斷口形貌進行表征和分析。

圖3 拉伸試樣尺寸示意圖

2 試驗結果與分析

2.1 宏觀形貌與微觀組織

圖4為不同對接間隙BT-FSW的接頭正、背面成形。旋轉的軸肩帶動塑化的材料發生周向運動，由于軸肩邊緣處線速度較大，而塑化材料受到的向心摩擦力較小，容易溢出軸肩，在使用優化攪拌頭后，各對接間隙下均能形成良好表面形貌，焊縫表面均勻連續一致，目視檢測未發現表面裂紋與溝槽。焊接過程中采用的攪拌針帶有螺紋，在螺紋的作用下，材料更容易沿板厚方向向下流動，因此在焊縫下表面附近材料瞬時密度相對較大，在軸肩和攪拌針的共同作用下，材料流動行為更加的明顯和劇烈，因此導致焊縫下表面飛邊嚴重的問題。

圖4 不同對接間隙BT-FSW的接頭正、背面成形

圖5為不同對接間隙焊縫截面形貌。由于焊接過程中，前進側(AS)距離攪拌頭不同距離處存在著方向相反的兩個流場，而后退側(RS)塑性材料的各流場方向保持一致，導致前進側熱機影響區與焊核區界線明顯，而后退側熱機影響區與焊核區界線更為模糊，整個過渡區更為平緩。此外，在焊核中心靠近前進側位置存在著一個條帶區，該區域是由上、下兩個不同速度的流場最后匯合產生，并在接合面處可觀察到一條由Al2O3顆粒的產物形成的“S”線。隨著對接間隙的增大，上下軸肩之間的金屬難以完全填充焊縫，在“擠壓-抽吸”作用下接頭截面靠近下表面處容易產生孔洞缺陷。

圖5 不同對接間隙焊縫截面形貌

2.2 顯微硬度分布

BT-FSW接頭不同區域由于受到的機械攪拌作用不同，受到的焊接熱輸入大小也不相同，從而導致接頭頂部到底部、前進側到后退側的晶粒形貌及沉淀相形態、大小和分布不同，最終導致顯微硬度值在接頭各區域呈現出一定程度的差異性。圖6所示為不同對接間隙條件下BT-FSW接頭硬度分布云圖。通過對比可以看出，不同對接間隙條件下的BT-FSW接頭的顯微硬度分布趨勢大致相似，其中顯微硬度值最高處位于母材區，其次是焊核和熱機影響區，而接頭熱影響區附近的顯微硬度值最低。此外，對比不同對接間隙條件下接頭顯微硬度分布情況，可以發現前進側熱機影響區和熱影響區過渡處的顯微硬度值明顯低于后退側。當對接間隙為0.3 mm時焊縫材料流動填充和軸肩摩擦產熱行為相匹配，接頭焊核區硬度分布較為均勻且接頭熱影響區軟化程度最低。此外，隨著對接間隙的增加，下軸肩作用區域出現缺陷，導致接頭下表面區域硬度降低，如圖6e所示。

圖6 不同對接間隙條件下BT-FSW接頭硬度分布云圖

2.3 拉伸性能分析

綜上所述，通過對6082-T6鋁合金BT-FSW對接間隙的調整，不僅會影響接頭內部材料的流動和接頭成形，并且會間接影響到接頭內部的晶粒尺寸分布，從而影響接頭的力學性能。圖7為在不同對接間隙條件下BT-FSW接頭的拉伸力學性能測試結果。綜合對比可以看出，當對接間隙控制在0.3 mm時獲得的BT-FSW接頭抗拉強度為226.6 MPa，能夠達到6082-T6鋁合金母材的71.8%，明顯優于其他4種對接間隙條件下的接頭。當對接間隙為0 mm時軸肩作用區和焊縫材料之間的摩擦作用劇烈，焊接熱輸入增加，熱影響區晶粒和沉淀相在焊接熱作用下發生粗化，接頭軟化效果嚴重，力學性能低于對接間隙為0.3 mm的接頭。隨著對接間隙的增加，焊縫金屬材料難以完全填充雙軸肩之間的作用區域，焊接接頭在減薄的同時容易在焊縫根部的中心區域產生缺陷，如圖5所示，從而導致接頭強度的降低。同時由于接頭內部焊接缺陷的存在，其不同取樣位置接頭的力學性能穩定性降低，表現為抗拉強度和斷后伸長率數值波動范圍的增加。

圖7 母材及BT-FSW接頭拉伸力學性能

圖8為不同對接間隙拉伸斷裂宏觀形貌，由拉伸斷裂位置圖可知，拉伸試樣存在明顯的頸縮現象，斷口位于接頭的熱影響區(HAZ)，且沿45°斷裂，呈現出典型塑性斷裂特征。接頭的組織決定其相應的力學性能。拉伸斷裂位置位于焊接接頭的HAZ，結合顯微硬度分析拉結果可知，HAZ為焊縫的薄弱環節，HAZ在熱循環的作用下，晶粒粗化，強化相溶解；在焊后的自然冷卻過程中，HAZ的強化相析出，力學性能大大降低，成為整個接頭最薄弱的區域。在拉伸過程中，HAZ優先發生斷裂，由于鋁合金塑性較好，接頭整體呈現45°剪切斷裂特征。

圖8 不同對接間隙拉伸斷裂宏觀形貌

為了進一步揭示BT-FSW接頭的拉伸斷裂行為，采用掃描電鏡對接頭的斷口形貌進行分析，如圖9所示。通過對比可以看出，當接頭對接間隙為0～0.7 mm時，接頭斷口均表現為典型的韌窩形貌，說明接頭斷裂符合典型的韌性斷裂特征，同時在韌窩底部可以看到大量析出的第二相顆粒。可以看出，在相同的放大倍數條件下，當對接間隙為0.3 mm時接頭斷口的韌窩尺寸最大，說明在該對接間隙條件下接頭的塑性較好；此外，當接頭的對接間隙達到1.0 mm時，焊縫金屬材料難以實現完全填充，接頭下軸肩附近出現肉眼可見的焊接缺陷，如圖8所示，在拉伸過程中裂紋在該缺陷位置附近萌生并迅速擴展。

圖9 BT-FSW接頭斷口形貌

3 結論

(1)采用BT-FSW在不同對接間隙條件下對4.0 mm厚6082-T6鋁合金進行焊接。當攪拌頭旋轉速度為700 r/min、焊接速度為300 mm/min且對接間隙在0～1.0 mm條件下接頭上下表面宏觀成形良好。

(2)當對接間隙在0～0.3 mm時接頭組織致密且無孔洞等微觀缺陷，接頭抗拉強度達到226.6 MPa，達到母材抗拉強度的71.8%，拉伸接頭表現為明顯的韌性斷裂特征。

(3)隨著對接間隙的進一步增加，上下軸肩之間的金屬難以完全填充焊縫，在“擠壓-抽吸”作用下，下軸肩作用區容易產生孔洞缺陷，接頭力學性能下降；當對接間隙為1.0 mm時拉伸接頭在缺陷處斷裂。