6xxx系鋁合金材料中厚板攪拌摩擦焊工藝研究

林若琛 徐漢斌

武漢理工大學 湖北 武漢 430070

引言

隨著時代的發展，輕量化的材料開始不斷取代較重的傳統鋼鐵材料。作為地球地殼中豐度第三的元素，鋁資源在世界分布較廣，我國的鋁土資源也非常豐富，非常適合還在不斷發展的工業產業[1]。鋁合金比重低﹑比強度高，具有較好的其他各項物理性能。其中6xxx系鋁合金又被稱為超高強鋁合金，是目前各種科研工作的重點實驗材料[2-3]。

鋁合金在應用焊接工藝時，具有如下一般問題：鋁的熱導率高，散熱快，焊接時需要較大的熱輸入量；鋁合金的線膨脹系數較大，若工件為薄板形，則接頭可能會有大殘余應力和明顯變形[4-5]；鋁合金化學性質活潑，焊件表面產生的氧化膜（Al2O3）會在焊縫中形成夾雜物；焊后易產生氫氣孔﹑熱裂紋等缺陷[6]。

Rhodes等對7075鋁合金攪拌摩擦焊焊縫微觀形貌進行觀測，發現焊縫中心是再結晶組織，其晶粒大小為2μm~4μm，在焊接時產生高溫，使得固溶體中的強化相發生溶解，當焊接結束溫度下降使接頭冷卻[7]，焊接頭組織發生再結晶，強化相再次析出。

傅志紅等對7A52鋁合金攪拌摩擦焊工藝參數研究，發現垂直于焊接方向截面的顯微硬度分布呈左右對稱的“W”形[8]，其中熔核區硬度較低，低于母材，硬度最低值出現在前進側（AS）的熱影響區內。

現在，鋁合金的攪拌摩擦焊工藝探索仍是研究熱門[9]。本文旨在探索FSW對6xxx系鋁合金性能和組織的影響以及在不同工藝參數下對6xxx系鋁合金執行FSW，探索給定設計范圍內更好的焊接工藝參數。

1 實驗材料、設備及方法

1.1 實驗材料

本次實驗使用6xxx鋁合金，是一種析出強化型鋁合金。選用10mm厚6xxx鋁合金，采用對接接頭，焊前進行表面清理。

1.2 實驗設備

1.2.1 攪拌摩擦焊設備。常用的攪拌摩擦焊設備大致可以分為懸臂式﹑C型和龍門式3大類型。根據所要焊接的材料和厚度選用通用龍門式攪拌摩擦焊設備。

1.2.2 攪拌頭。攪拌頭是重要零件，用于攪拌摩擦焊從而來獲得高質量焊接接頭，是攪拌摩擦焊的施焊工具，包括軸肩和攪拌針兩部分，材質選用H13鋼，材料穩定可靠，經濟性好。本文選用錐形螺紋攪拌針。攪拌頭尺寸如表1所示。

表1 攪拌頭尺寸

1.2.3 多功能試驗機。拉伸速率為4mm/min。實驗在CMT-5205型多功能試樣機上進行，將焊接后的樣板切除引收弧，制備的試樣盡量和焊縫方向垂直。

2.3 實驗方法

設計攪拌頭中軸線沿焊接相反方向偏移，與焊機的主軸成2.5°夾角；攪拌頭下扎速度5mm/min，拔出速度100mm/min，停留時間10s；初始下扎量設置為2mm，焊接過程中可手動調整下壓量；攪拌頭轉速500~1500r/min，焊接速度80~120mm/min。

2.3.1 焊接工藝參數的選擇。

（1）攪拌頭旋轉速度。在一定范圍內使轉速增加，熱輸入增加對提高軟化材料填充空腔的能力有好處，接頭中沒有缺陷，從而能避免接頭中形成缺陷。但是，如果轉速過高，會增加材料的應變速率，并影響焊縫的再結晶，例如超過10000r/min。在本實驗中，攪拌頭的轉速分別為500r/min﹑800r/min和1500r/min。

（2）焊接速度。對于焊接速度在攪拌摩擦焊中的體現，通常總結為以下兩種：攪拌頭沿焊接方向前進的速度，或被焊材料對于攪拌頭的后退速度。被焊材料厚度﹑生產效率（焊接速度越快，生產效率越高）﹑焊接現場條件（焊機機型﹑焊接環境及其他現場因素）等因素是焊接速度選取的主要參考，最后確定出有一個對應的數值窗口，可允許焊接速度在一定的范圍進行微調。本次實驗選擇焊接速度為80mm/min﹑100mm/min和120mm/min分別進行實驗。

（3）攪拌頭仰角。攪拌摩擦焊時，攪拌頭一般會有角度傾斜（一般為0°~5°）。攪拌頭的傾斜將使攪拌頭在焊接過程中向前和向下對轉移的熱塑性金屬施加鐓粗力。這種力是確保焊接成功的一個重要因素。整體攪拌頭傾角的選取基于“薄板小角度，厚板大角度”的原則，對于厚度小于10mm的薄板采用1～3°傾角，對于厚度大于 10mm的中厚板，則用3～5°。攪拌頭的仰角與攪拌頭軸肩的尺寸和待焊接工件的厚度有關。在本實驗中，攪拌頭的仰角分別為θ=1o﹑θ=2o和θ=3o。

2.3.2 力學性能檢測方法。拉伸速度為2mm/min，拉伸引伸儀標距為25mm。

3 實驗結果及分析

3.1 焊接參數對焊縫的影響

3.1.1 攪拌頭旋轉速度對焊縫的影響。旋轉速度過低，熱輸入不足以形成連續的黏塑性流動層，這可能引起設備抖動﹑焊縫成形差﹑內部缺陷等，嚴重時會因為徑向阻力過大而發生攪拌針斷裂；提高轉速，焊接溫度峰值增大。當旋轉速度為1500r/min時，由于熱輸入過高而在焊縫中形成隧道缺陷；當旋轉速度為500r/min時，厚度中心位置存在孔洞缺陷；由圖1可見，當旋轉速度為800r/min時，接頭內沒有缺陷；綜上所述，經過實驗驗證，攪拌頭旋轉速度為800r/min時焊接效果為最佳。

圖1 攪拌頭旋轉速度為800r/min時焊縫效果圖

3.1.2 焊接速度對焊縫的影響。焊接速度對焊縫也有很大的影響。采用使其他變量不變的方法繼續進行試驗，焊接速度改變，保持其他參數不變。當焊接速度為80mm/min時，焊縫表面粗糙，焊縫表面有大量絲狀鋁屑產生；當焊接速度為100mm/min時，焊縫表面有絲狀鋁屑產生不多，焊縫表面比較不光滑；當焊接速度為120mm/min時，從圖2中可以發現，焊縫表面產生絲狀鋁屑少，焊縫表面比較光滑，焊縫成形美觀。綜上所述，當焊接速度為120mm/min時，焊縫表面成形好。

圖2 焊接速度為120mm/min時焊縫效果圖

3.1.3 攪拌頭仰角對焊縫的影響。對于高強度鋁鋰合金，在n=800r/min﹑v=120mm/min的條件下，當θ=1°和θ=2°時，焊縫表面飛邊較大，而且在焊縫表面形成了宏觀溝槽缺陷；當θ=3°時焊縫表面成形良好，如圖3，形成了致密的弧形紋。主要原因在于傾斜角度的增大減小了焊具軸肩的距離，使軸肩對材料起到了壓緊和碾壓的作用，獲得的焊縫表面無缺陷且接頭成形美觀。

圖3 攪拌頭仰角為3°時焊后焊縫效果圖

3.2 焊接參數對焊核顯微組織的影響

3.2.1 攪拌頭旋轉速度對焊核顯微組織的影響。當攪拌頭旋轉速度為800r/min時，呈密集小球形狀，沉淀較小形狀均勻。500r/min﹑1500r/min顯微鏡下的形狀成塊。如圖4可見，當攪拌頭旋轉速度為800r/min時所獲得的組織最好。

圖4 攪拌頭旋轉速度800r/min時焊核區顯微組織

3.2.2 焊接速度對焊核顯微組織的影響。圖5顯示了焊接速度為100mm/min時接頭熔核區域的微觀結構圖像。可以看出，熔核區的組織由細小的等軸晶粒組成，所以當焊接速度為100mm/min時所獲得的組織最好。

圖5 焊接速度100mm/min時焊核區顯微組織

熔核區的晶粒尺寸也受焊接速度的影響。當焊接速度為80mm/min時，析出物有局部聚集區，分布不均勻，形狀大且不規則，隨著焊接速度的增加，熔核區晶粒尺寸先減小后增大。所以當焊接速度為100mm/min時所獲得的組織最好。隨著焊接速度的變化，晶界析出相的大小和分布也發生了變化。所以當焊接速度為100mm/min時所獲得的組織最好。

3.3 焊接參數對焊接接頭拉伸性能的影響

在最佳旋轉速度800r/min﹑最佳仰角為3°參數不變的工況下，不同焊接速度實驗結果如表2所示。試驗結果顯示，在100mm/min的速度下，焊接接頭拉伸性能較好。

表2 不同速度下的焊接接頭拉伸性能

綜上，經過幾次對比實驗確定的最優參數如表3所示。

4 焊接接頭力學性能檢測及分析

4.1 焊接接頭力學性能及分析

4.1.1 焊接接頭拉伸性能及分析。對用最優參數焊接后的焊接接頭進行拉伸試驗，能夠較直觀地看出焊縫性能的好壞。在拉伸試驗前，需要將焊縫余高打磨掉，以防止其產生較大的應力集中。表4為母材拉伸試驗結果，表5為焊后接頭拉伸實驗結果。

表4 6xxx母材拉伸試驗結果

表5 焊接接頭拉伸試驗結果

焊接接頭的性能比較良好。由表可見，在延伸率方面達到了11.3%，在抗拉強度方面達到了母材的84.8%。

4.2.2 焊接接頭硬度及分析。本次實驗測量7個點，每個點測量3次，取其平均值。以焊縫中心為原點，點與點的距離為1.5mm。得出結果如表6所示。

表6 顯微硬度平均值

可以看到原點即焊縫中心的硬度為50HV，而18mm也就是母材處的硬度為70HV。先在焊核區和熱機影響區逐漸減小，隨后在熱機影響區和熱影響區逐漸增大。母材和焊縫交界處的軟化區硬度最低為45HV。

5 結論

課題主要對6xxx鋁合金攪拌摩擦焊接工藝進行了研究。得出以下結論：

當焊接頭旋轉速度較低時，接觸區形成的焊縫質量較差，攪拌頭后側形成溝槽狀缺陷。隨著旋轉速度的增大，溝槽的寬度減小，當旋轉速度提高到一定程度時，接觸區形成焊縫質量良好，基材內部孔洞也逐漸消失。

斷口形貌均為韌窩型斷口，斷裂性質屬于韌性斷裂。

焊縫中心的顯微硬度達到50HV。硬度最低為45HV，焊縫中心到母材之間有軟化區。

綜上，通過在不同的參數下對10mm厚6xxx鋁合金進行攪拌摩擦焊接進行了實驗對比研究，確定出最佳工藝參數：攪拌頭旋轉速度800r/min﹑焊接速度100mm/min﹑攪拌頭仰角3°。