螺紋對攪拌摩擦焊接材料流動和接頭性能的影響

孫震，李琰，武傳松，洪新偉

1.山東大學工程訓練中心 山東濟南 250002

2.山東大學材料學院 山東濟南 250061

3.北京理工大學重慶創新中心 重慶 500112

1 序言

攪拌摩擦焊接依靠高速旋轉的非消耗攪拌頭與被焊工件摩擦產生熱量，使金屬達到塑性狀態，隨著攪拌頭的運動，塑性材料從前進側遷移到后退側，同時攪拌頭會在塑性金屬上作用一定的頂鍛力，使金屬實現緊密可靠的連接[1]。攪拌摩擦焊接過程中，軸肩產熱占據了焊接過程總產熱的85%左右[2]，足夠的熱輸入可以有效保證充分的材料流動。然而，在工件厚度方向上，軸肩的影響范圍有限，攪拌針就成了決定工件下方材料流動好壞的關鍵。因此，軸肩對焊接過程的主要貢獻是產熱，而攪拌針對焊接過程的主要貢獻是促進材料流動。從材料塑性流態決定最終焊縫成形角度來看，攪拌針是決定最終焊縫成形的關鍵因素。

提高攪拌針對材料的驅動作用主要可以從兩個方面考慮：一是提高攪拌針周圍材料的溫度，提高材料自身的流動性；二是提高攪拌針對材料的驅動能力。提高攪拌針周圍材料流動的方法有很多，如增加輔助能量（電弧熱、電阻熱、激光能及超聲波能量等）[3-7]，但這些方法需要額外增加設備，增加了工藝復雜性，在很多場合并不適用。焊接參數主要是通過影響溫度分布來影響焊接接頭的組織和性能[8-13]，與普通的平軸肩+圓柱/圓臺形攪拌針相比，選擇合理的攪拌針幾何尺寸與形狀也能夠有效地提高攪拌針對工件材料的驅動作用，減小攪拌頭的受力，調整焊接熱輸入，改善焊縫組織和接頭性能[14-23]，該方法更簡單有效。

研究者們嘗試在攪拌針上加工不同的幾何特征以期望可以促進材料混合，減小焊接過程中的攪拌頭受力。THOMAS等[24]設計了幾種復雜形狀攪拌針（WorlTM、MX TrifluteTM、Flared-TrifluteTM和A-SkewTM），其中WorlTM和MX TrifluteTM兩種攪拌針雖然體積僅為傳統圓臺形攪拌針的60%和70%，卻改善了材料流動和產熱，減小了攪拌頭受力，使塑性材料更易流動，促進了材料豎直方向上的運動，增大了攪拌針與工件的接觸面積，從而引起產熱增加。ZHAO等[25]在2014鋁合金的攪拌摩擦焊接中使用4種不同形狀的攪拌針（圓柱、圓柱+螺紋、圓臺、圓臺+螺紋），結果顯示，使用圓臺形螺紋攪拌針時獲得的接頭性能最優。ILANGOVAN等[26]研究了3種不同攪拌針形狀（圓柱無螺紋、圓錐無螺紋、圓柱有螺紋）對AA6061-AA5086異種鋁合金攪拌摩擦焊接接頭微觀組織和拉伸性能的影響。結果顯示，使用有螺紋錐形攪拌針時接頭的顯微硬度和抗拉強度都更高。IKUTA等[27]研究了螺紋對異種鋁合金攪拌摩擦點焊接頭力學性能的影響，在低攪拌頭轉速情況下使用螺紋攪拌針時得到的焊接接頭強度最高（Al 5754/Al 6111）；而在焊接Al 5052/Al 6061時，螺紋的主要作用是促進材料在豎直方向上的流動，對接頭的力學性能影響不大。盡管針對攪拌頭形狀和尺寸的研究工作已經很多，但是專門進行攪拌針螺紋對塑性材料流動形態及接頭力學性能影響的研究還較少，有待進一步深入研究。本研究采用無螺紋和有螺紋錐形攪拌針進行攪拌摩擦焊接試驗，采用標記材料和CT斷層掃描技術，研究螺紋對焊接過程中塑性材料流動的影響規律，并通過力學性能試驗測試了不同工藝參數下使用無螺紋和有螺紋錐形攪拌針時所得接頭的力學性能，從材料流動角度分析了攪拌針螺紋對焊接接頭力學性能的影響規律。

2 試驗材料與方法

試驗所用母材為6mm厚的6061-T6鋁合金板材，板材的長和寬分別為200mm、75mm。6061鋁合金的主要元素為Mg和Si，并形成Mg2Si相，使合金具有失效強化功能，廣泛應用于具有一定強度和耐蝕性要求的工業結構件中，如車輛、塔式建筑、船舶等行業，其化學成分見表1。實測6061鋁合金的力學性能見表2。采用對接焊的形式進行焊接，焊前打磨工件的上下表面，去除界面上的氧化膜，并用丙酮擦拭，去除待焊接面的氧化膜和油污，然后固定在工作臺上進行焊接。

表1 6061-T6鋁合金的化學成分（質量分數）（%）

表2 6061-T6鋁合金的力學性能（實測）

無螺紋錐形攪拌針（Unthreaded Pin，UP）側面如圖1a所示，攪拌針根部和端部的直徑分別為6mm和3.5mm，攪拌針長度為5.7mm；軸肩是內凹角為9°的斜面，軸肩的直徑為15mm。在圖1a中的錐形攪拌針表面加工螺距為1.0mm的右旋螺紋，形成了有螺紋錐形攪拌針（Threaded Pin，TP），如圖1b所示。試驗中使用的設備為FSW-3LM-3012龍門式攪拌摩擦焊接系統，焊接過程中攪拌頭向前傾斜2.5°。在焊接參數的選擇上，攪拌頭轉速分別為400r/min、600r/min、800r/min和1000r/min，焊接速度分別為90mm/min、150mm/min、210mm/min和270mm/min，下壓量（軸肩的壓入深度Δz）為0.05mm。

圖1 焊接過程中所使用的攪拌頭

焊完后參照國標GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》設計并加工拉伸試樣，其尺寸如圖2所示。為了避免產生加工硬化層，保證試驗精度，拉伸試樣采用線切割加工制備，切割完成后用砂紙去除焊縫周圍的線切割痕跡，每一個焊接參數下測試6個拉伸試樣。拉伸試樣取自3塊不同的焊接試板，每塊焊接試板上取2個拉伸試樣。所有的拉伸測試均在室溫環境下進行，拉伸過程采用應變速率控制，橫梁的移動速率為1.0mm/min。本文對無螺紋錐形攪拌針和有螺紋錐形攪拌針兩種情況下得到的焊接接頭進行了拉伸試驗，以探究攪拌針螺紋對攪拌摩擦焊接接頭性能的影響。選用名義厚度為0.2mm的純銅作為標記材料，其化學成分和力學性能分別見表3、表4。比較6061-T6鋁合金與純銅的力學性能可以發現，兩者在抗拉強度、伸長率和顯微硬度上都很相近，因此，焊接過程中兩者的流動性也較為相似，用純銅作為標記材料可以很好地還原單純焊接鋁合金時攪拌頭周圍的材料流動。由于銅和鋁的密度相差較大，且對X射線的吸收系數差別較大，用純銅作標記材料時在X射線照射下可以較好地區分兩者。因此，本文通過在焊接過程中添加純銅作為標記材料，然后將焊后的接頭放到CT設備下進行掃描，得到標記材料純銅在焊縫中的三維分布，以此來分析使用不同形狀攪拌針時的材料流動差異。試驗過程中標記材料的配置方案如圖3所示，可以用來觀察標記材料在水平方向和工件厚度方向上的分布變化。將純銅片放置在待焊工件的中間，采用對接焊方式，攪拌頭的軸線與焊縫中心線對齊。為了能夠保留住攪拌頭前進過程中攪拌頭周圍的材料流動情況，在焊接過程結束的瞬間采用“急?！眲幼?，此時通過觀察標記材料在匙孔周圍的分布便可以用于分析焊接過程中攪拌頭周圍的材料流動情況。

圖2 拉伸試樣示意

圖3 標記材料配置示意

表3 純銅的化學成分（質量分數） （%）

表4 純銅的力學性能

3 結果與分析

3.1 攪拌針螺紋對接頭力學性能的影響

通過CT對標記材料在匙孔周圍的分布進行三維重建，然后觀察不同斷面處的標記材料分布情況。圖4所示為使用有螺紋錐形攪拌針時獲得的接頭經過CT掃描后提取出來的水平面（z=3.0mm）照片（為了觀察方便，對圖片中的灰度值進行了反轉操作）。物體的密度越大，對X射線的吸收系數越高，空氣、鋁合金、純銅對X射線的吸收系數的大小關系為：空氣＜鋁合金＜純銅，并且三者的密度差別較大，在CT圖中可以分辨。圖4中灰度值較?。ê谏┑膮^域為純銅，灰度值中等的區域為鋁合金母材，灰度值較大（白色）的區域為空氣。本研究采用圖片灰度值來測量標記材料在垂直于焊縫方向上的分布寬度。取灰度值小于某一數值（此處臨界值取120）時認為開始有標記材料（純銅）的分布，將灰度值小于臨界值的區域寬度定義為標記材料分布的寬度。所有的CT照片均是在同一掃描參數下得到的，照片處理過程中用的所有參數均一致。

圖4 CT拍攝結果中提取的照片

圖5所示為不同水平面上的標記材料分布情況，圖5中顏色較深的黑色區域表示標記材料（純銅），顏色較淺的灰色區域表示母材（鋁合金），白色區域表示空氣。圖5a、c、e分別展示了距離工件底部為1.5mm、3.0mm和4.5mm時無螺紋錐形攪拌針周圍的標記材料分布。圖5b、d、f分別展示了距離工件底部為1.5mm、3.0mm和4.5mm時有螺紋錐形攪拌針周圍的標記材料分布。觀察圖5中匙孔位置可以發現，使用有螺紋錐形攪拌針時，匙孔的形狀接近規則的圓形，這說明攪拌針周圍充滿材料，材料流動較為充分。而使用無螺紋錐形攪拌針時，匙孔的形狀并不是規則的圓形，在攪拌針后方的前進側容易產生材料填充不良的現象，這就容易引起如圖5c中所示的隧道形缺陷。標記材料在繞過攪拌針后，會在攪拌針后方垂直于焊縫的方向分散開來。從圖5可看出，隨著到軸肩距離的減小，標記材料在垂直于焊縫方向上的分布范圍逐漸加寬，這說明越靠近軸肩區域，材料的流動越充分，而越靠近攪拌針端部，材料流動越差。通過圖5中無螺紋錐形攪拌針和有螺紋錐形攪拌針對比可看出，采用有螺紋錐形攪拌針時，標記材料在垂直于焊縫方向上的分布范圍明顯變寬。在距離工件底部1.5mm、3.0mm和4.5mm的水平面上，使用有螺紋錐形攪拌針時，標記材料在垂直于焊縫方向上的分布寬度分別增加了19.0%、33.2%和8.0%。同時，從標記材料的分布還可以看出，使用無螺紋錐形攪拌針時，標記材料容易聚集在一起（見圖5黑色較深區域），而使用有螺紋錐形攪拌針時，標記材料變得更加分散，這說明使用有螺紋錐形攪拌針時，材料的混合更加充分。

圖5 不同水平面上有無螺紋錐形攪拌針周圍的標記材料分布（n＝800r/min，v＝150mm/min）

為了能從多維度觀察標記材料流經攪拌針后的變化，圖6展示了攪拌頭后方焊縫橫斷面上的標記材料分布情況。從圖6可看出，最明顯的差別在于使用無螺紋錐形攪拌針時標記材料聚集在一起，分布的形狀較為規則，且在圖6a中可看到很多白色的區域（空氣），說明使用無螺紋錐形攪拌針時在焊縫區域容易產生孔洞型缺陷。而使用有螺紋錐形攪拌針時，標記材料與鋁合金母材混合較為充分，整個橫斷面上標記材料的分布較為分散。綜合標記材料在水平面和橫斷面上的分布可以看出，有螺紋錐形攪拌針可以促進攪拌針周圍的材料混合，對避免或減小焊接缺陷有非常重要的作用。

圖6 焊縫橫斷面上的標記材料分布（n＝800r/min，v＝150mm/min）

3.2 攪拌針螺紋對接頭力學性能的影響

焊縫區域較均勻的材料流動必然有助于提高焊接接頭的力學性能，為此，對不同焊接參數下使用無螺紋錐形攪拌針和有螺紋錐形攪拌針時獲得的焊接接頭進行了分析。圖7所示為不同焊接參數下的焊接接頭力學性能。圖7a中攪拌頭轉速從400r/min增大到1000r/min，焊接速度為150mm/min；圖7b中攪拌頭轉速為800r/min，焊接速度從90mm/min變化到210mm/min。從圖7a可看出，焊接速度為150mm/min時，在不同的攪拌頭轉速下，使用有螺紋錐形攪拌針時獲得的接頭抗拉強度均大于使用無螺紋錐形攪拌針時獲得的接頭抗拉強度。在攪拌頭轉速為600r/min和800r/min時，使用有螺紋錐形攪拌針時獲得的接頭抗拉強度達到最大值228MPa。從圖7a中很明顯地可以看出，在低轉速時，螺紋對接頭抗拉強度的影響比高轉速時更為明顯。這主要是因為低轉速時，熱輸入較低，材料的流動性較差，此時螺紋對材料的強制驅動作用更容易顯現出來了。而在較高轉速時，熱輸入較大，材料的流動性好，即使攪拌針側面沒有螺紋特征，攪拌頭周圍的材料流動依然較好，因此，螺紋提高材料流動性的作用就變得沒有那么明顯。圖7b中的結果也說明了這一點，焊接速度較低時，熱輸入較充足，材料的流動較充分，攪拌針側面沒有螺紋時得到的接頭抗拉強度甚至超過了使用有螺紋錐形攪拌針時獲得的接頭抗拉強度，這應該是由于使用有螺紋錐形攪拌針時熱輸入過大，導致熱影響區晶粒變粗大，抗拉強度反而下降。而當焊接速度提高后，熱輸入減小，螺紋的作用就體現出來，使用無螺紋錐形攪拌針時獲得的接頭抗拉強度急劇減小，而當焊接速度為210mm/min，使用有螺紋錐形攪拌針時，接頭的抗拉強度達到了232MPa（為母材抗拉強度的74%）。

圖7 不同工藝參數下的焊接接頭抗拉強度

圖8所示為使用有無螺紋錐形攪拌針時接頭斷后伸長率隨焊接參數的變化情況。從圖8可看出，在所有的焊接參數下，使用有螺紋錐形攪拌針時的接頭斷后伸長率比使用無螺紋錐形攪拌針時得到的接頭斷后伸長率要高出很多，這也說明螺紋促進了接頭組織的均勻性，提高了接頭的塑性。

圖8 不同工藝參數下的焊接接頭斷后伸長率

4 結束語

1）從攪拌針的幾何形狀出發，選取了無螺紋錐形攪拌針和有螺紋錐形攪拌針的攪拌頭，開展了6061-T6鋁合金攪拌摩擦焊接工藝試驗，對標記材料和接頭強度分布進行了分析。

2）采用純銅作為對接焊的標記材料，借助CT技術對焊縫中的標記材料進行三維重建，研究分析了螺紋對焊接過程中材料流動的影響規律。比較使用無螺紋錐形攪拌針和有螺紋錐形攪拌針時的標記材料分布情況可以看出，螺紋可以有效地提高標記材料分布的均勻性，對避免或減小焊接缺陷有非常重要的作用，這必然有助于焊接接頭強度的提高。

3）研究了焊接參數及螺紋特征對接頭拉伸性能的影響。結果顯示，螺紋可以有效提高焊接接頭的抗拉強度，由于螺紋對工件材料的強制驅動作用，螺紋對接頭抗拉強度的提高在低熱輸入時更為明顯。當焊接速度為210mm/min，無螺紋錐形攪拌針得到的接頭抗拉強度僅有190MPa，而有螺紋錐形攪拌針獲得的接頭抗拉強度達到了232MPa。使用有螺紋錐形攪拌針時，接頭的斷后伸長率也有了比較明顯的提高。