異種鋁合金攪拌摩擦焊搭接工藝試驗研究

尹啟朋，高嵩，安少杰，吳程浩，劉濤，王志森，景元坤

1.齊魯工業(yè)大學（山東省科學院) 機械工程學院 山東濟南 250300

2.中研智連工業(yè)科技（濟南）有限公司 山東濟南 250013

3.山東省機械設(shè)計研究院 山東濟南 250300

1 序言

鋁合金的密度低、重量輕，具有很高的強度，并且具有良好的加工性和耐蝕性，被廣泛應(yīng)用于飛機、汽車等交通工具制造領(lǐng)域[1-4]。在鋁合金焊接中，攪拌摩擦焊已經(jīng)成為一種主要的焊接方法。焊接時通過攪拌頭的摩擦和攪拌作用，在高溫和高壓作用下，實現(xiàn)了金屬材料的固態(tài)連接，并且無需添加焊接材料，避免了傳統(tǒng)焊接中的焊接變形、氣孔和裂紋等缺陷。

ILANGOVAN等[5]采用3種不同的攪拌頭，通過攪拌摩擦焊接工藝連接AA 6061和AA 5086鋁合金，發(fā)現(xiàn)采用螺紋錐形攪拌頭有利于兩種合金間的材料流動，形成無缺陷攪拌區(qū)。ANANDAN等[6]采用焊接速度為25mm/min、45mm/min、65mm/min和85mm/min，通過攪拌摩擦焊接工藝連接AA 7050-T7651和AA 2014A-T6鋁合金。結(jié)果表明，當焊接速度為65mm/min時，由于適當?shù)牟牧匣旌锨耀@得了更細的晶粒，從而使焊接接頭獲得更高的極限拉應(yīng)力。ENVELOPE等[7]采用攪拌摩擦焊接工藝對異種鋁合金AA 6063和AA 7075進行了焊接，通過改變主軸轉(zhuǎn)速為800r/min、1000r/min、1200r/min，焊接速度為1.66mm/s、2mm/s、2.5mm/s的工藝參數(shù)，對不同合金攪拌摩擦焊接頭進行了研究，發(fā)現(xiàn)在1000r/min、2.5mm/s的條件下焊接，焊接效果最好。

本試驗旨在研究異種鋁合金攪拌摩擦搭接焊工藝，通過優(yōu)化工藝參數(shù)、調(diào)整攪拌頭轉(zhuǎn)速，來實現(xiàn)異種鋁合金的可靠焊接，提高焊接接頭的力學性能。

2 試驗方法

試驗所用母材為6061-T6和2024-T4鋁合金板材，其尺寸分別為200m m×90m m×2.5m m和200mm×90mm×2.8mm。6061-T6鋁合金和2024-T4鋁合金的抗拉強度分別為330MPa、390MPa，硬度分別約為98HV、120HV。母材的化學成分見表1。

表1 母材化學成分（質(zhì)量分數(shù)）（%）

采用FSW-3LM-3012的龍門式攪拌摩擦焊機進行焊接工藝試驗，接頭形式為搭接，6061-T6鋁合金作為上板，2024-T4鋁合金作為下板，搭接寬度為30m m。試驗所用攪拌針為帶有螺紋的圓錐形結(jié)構(gòu)，針長4.45mm。焊接時，軸肩下壓量為0.05mm，固定焊接速度為100mm/min，調(diào)節(jié)攪拌頭轉(zhuǎn)速分別為400r/min、600r/min和800r/min。

焊接結(jié)束后，利用電火花線切割在垂直焊縫方向上獲取接頭金相試樣和拉伸試樣。金相試樣打磨拋光后，利用Keller試劑（1mLHF＋1.5mLHCL＋2.5mLHNO3＋95mLH2O）對其進行腐蝕，然后分別采用光學顯微鏡（Stemi DV4）和超景深三維觀察顯微系統(tǒng)（VHX-5000）觀察焊縫橫截面宏觀形貌和微觀組織。采用電子萬能試驗機（WDW-100AE）對接頭進行剪切拉伸試驗。

3 結(jié)果分析與討論

不同攪拌頭轉(zhuǎn)速下的焊縫表面成形（固定焊接速度100mm/min）如圖1所示。由圖1可看出，在所考察的焊接參數(shù)下均能獲得表面成形較為完好的攪拌摩擦搭接焊接頭。焊接時，在攪拌頭的劇烈攪拌作用下，接頭后退側(cè)材料隨著攪拌頭的旋轉(zhuǎn)堆積在前進側(cè)并被擠出工件表面，從而形成了飛邊。隨著轉(zhuǎn)速從400r/min增大到600r/min，即焊接熱輸入升高，從圖1可明顯看出，焊縫表面變得更加光滑平整，而當轉(zhuǎn)速增加到800r/min時，焊縫表面反而出現(xiàn)了毛刺、材料粘連等現(xiàn)象。這說明過大或過小的熱輸入，都會對焊縫表面成形產(chǎn)生不利影響。

圖1 不同攪拌頭轉(zhuǎn)速下的焊縫表面成形

不同攪拌頭轉(zhuǎn)速下的接頭橫截面宏觀形貌如圖2所示。根據(jù)焊接過程中材料受熱力狀態(tài)和組織形貌的不同，可將接頭劃分為界面區(qū)（IZ）、焊核區(qū)（WNZ）、熱力影響區(qū)（TMAZ）、熱影響區(qū)（HAZ）和母材（BM）。從圖2可發(fā)現(xiàn)，3組接頭均未發(fā)現(xiàn)孔洞等焊縫內(nèi)部缺陷，接頭界面前進側(cè)（AS）形成了典型的搭接“鉤狀”缺陷，而在后退側(cè)（RS）界面向上板凸起。

圖2 不同攪拌頭轉(zhuǎn)速下的接頭橫截面宏觀形貌

隨著攪拌頭轉(zhuǎn)速的增加，可以看到界面處6061和2024鋁合金的混合程度明顯增大。同時，當攪拌頭轉(zhuǎn)速從600r/min增加到800r/min時，2024鋁合金材料進入上板6061鋁合金在厚度和寬度方向上的距離均有所增加。這是因為隨著攪拌頭轉(zhuǎn)速的增大，也就是焊接熱輸入的增加，使得單位時間內(nèi)可塑性流動材料體積增加，繼而在攪拌頭的強烈作用下兩種鋁合金材料混合更加均勻。

6061-T6和2024-T4鋁合金母材的金相組織如圖3所示。從圖3可看出，母材微觀組織為典型的軋制組織，晶粒較為粗大且互相平行。推測圖3中的黑色點狀物是腐蝕坑或者第二相粒子。

圖3 母材金相組織

轉(zhuǎn)速為600r/min時接頭焊核區(qū)不同位置的金相組織如圖4所示。焊接時，該區(qū)域處在攪拌頭的正下方，同時受到攪拌頭軸肩和攪拌針的攪拌混合作用，經(jīng)歷高溫應(yīng)變后產(chǎn)生了劇烈的塑性變形。從圖4可看到，與母材相比，焊核區(qū)晶粒細小且分布均勻。這是由于在焊接過程中，該區(qū)域受到攪拌針強烈的攪拌作用，發(fā)生了一定程度的再結(jié)晶過程，最終形成了細晶組織。此外，對比圖4a、b發(fā)現(xiàn)，焊核區(qū)下部比上部晶粒更加細小，推測與焊核區(qū)下部材料受到攪拌作用更為強烈有關(guān)。

圖4 接頭焊核區(qū)金相組織

不同攪拌頭轉(zhuǎn)速下接頭的拉伸剪切性能如圖5所示。從圖5可看到，隨著攪拌頭轉(zhuǎn)速的增大，接頭失效載荷先增大后減小，當轉(zhuǎn)速為600r/min時，失效載荷達到最大值。轉(zhuǎn)速從400r/min增大到600r/min時，失效載荷隨之從2.74kN增加到4.84kN，增加幅度高達76.6%，當轉(zhuǎn)速進一步增大至800r/min時，接頭失效降至4.49kN，減小幅度為7.2%。這一點也證實了之前的推論，過小或過大的熱輸入對接頭質(zhì)量均會產(chǎn)生不利的影響。同時，剪切拉伸性能隨轉(zhuǎn)速的變化與圖2橫截面宏觀形貌中焊核區(qū)材料混合程度的變化規(guī)律具有一致性。

圖5 焊接接頭的拉伸剪切性能

攪拌頭扭矩、軸向力隨時間的變化曲線如圖6所示。從圖6可明顯看出，隨著攪拌頭轉(zhuǎn)速的增加，攪拌頭扭矩及軸向力逐漸減小，尤其是攪拌頭轉(zhuǎn)速由600r/min增加到800r/min時，變化最為明顯，減小幅度為30%～40%。這是因為隨著轉(zhuǎn)速的增加，鋁板受到攪拌頭的熱輸入越高，材料的軟化就越明顯，焊接過程中攪拌頭受到的力及扭矩也就越小。

圖6 攪拌頭扭矩、軸向力隨時間的變化曲線

4 結(jié)束語

采用攪拌摩擦焊實現(xiàn)了異種6061-T6和2024-T4鋁合金板材的搭接連接，通過觀察焊接接頭組織和性能，得到如下結(jié)論。

1）當攪拌頭轉(zhuǎn)速為600r/min時，焊縫表面最光滑平整，說明過大或過小的熱輸入，都會對焊縫表面成形產(chǎn)生不利的影響。隨著攪拌頭轉(zhuǎn)速的增大，在攪拌頭的強烈作用下兩種鋁合金材料混合得更加均勻。

2）當攪拌頭轉(zhuǎn)速由400r/min增加到800r/min時，接頭失效載荷先增大后減小。當攪拌頭轉(zhuǎn)速為600r/min時，接頭表現(xiàn)出最好的剪切拉伸性能。

3）隨著攪拌頭轉(zhuǎn)速的增大，即熱輸入逐漸增大，攪拌頭受到的焊接載荷（扭矩及軸向力）逐漸減小。