某雷达冷板双轴肩搅拌摩擦焊接工艺试验*

栾兆菊，孙建彬

(中国电子科技集团公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

某雷达冷板双轴肩搅拌摩擦焊接工艺试验*

栾兆菊，孙建彬

(中国电子科技集团公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

文中介绍了某雷达MB8镁合金冷板的双轴肩搅拌摩擦焊接试验。双轴肩搅拌摩擦焊接技术对夹具设计以及应用环境的要求较常规搅拌摩擦焊接低。本试验中搅拌头转速设计为1 000～1 600 r/min，焊接速度设计为100～160 mm/min。通过测量冷板焊接接头处的拉伸强度和硬度，分析了焊接工艺参数对接头力学性能影响的机制。试验结果表明，MB8镁合金冷板双轴肩搅拌摩擦焊接接头处没有出现未焊透、气孔和夹杂等镁合金熔焊常见的缺陷，接头处的拉伸强度为199～211 MPa，平均拉伸强度达到母材强度的91%，接头处布氏硬度为30～39 HBS，相比母材略有下降。试验结果说明双轴肩搅拌摩擦焊接技术非常适合用于冷板以及其他结构件的焊接。

镁合金；双轴肩搅拌摩擦焊接；力学性能

引 言

目前，雷达产品向着大功率和高功率密度方向发展，尤其是其电子器件组装密度的不断提高，其热流密度也在迅速增加，有效解决高热流密度元器件的散热问题，可以极大地提高电子设备的寿命和稳定性[1]。某雷达的散热装置采用液冷冷板，该结构具有如下优点：一是稳定梯度小，热分布均匀，热负载能力是风冷系统的5倍；二是该结构的间接冷却方式可以有效降低各种污染，提高工作的可靠性；此外，该结构简单、紧凑便于维修。拟采用双轴肩搅拌摩擦焊接技术实现该冷却装置盖板和底板的连接。

常规搅拌摩擦焊接技术(FSW)经常遇到装夹困难、焊接过程锻压力大、夹具要求苛刻等难题[2]。双轴肩搅拌摩擦焊接(SR-FSW)作为一种新型的搅拌摩擦焊接方法有效解决了上述问题。在双轴肩搅拌摩擦焊接过程中，上下双轴肩与搅拌针共同旋转并与被焊材料表面相互作用，由于在搅拌头内部对工件上下表面形成闭合的内力，大大降低了焊接过程中工件厚度方向承受的载荷；同时，下轴肩代替常规搅拌摩擦焊的背部垫板，增加了零件装配及施焊的灵活性[3]。因此，在焊接薄壁中空结构及其他复杂形状和特殊位置的工件，如曲线或双曲率结构件的搅拌摩擦焊接等方面，该方法显示出明显的优势。

1 试验设计

1.1 试验材料

某雷达冷板采用MB8镁合金材料制备。MB8镁合金属于镁-锰系不可热处理强化的变形镁合金，在合金中加入了少量的稀土元素，使得晶粒细化从而改善了力学性能。该合金没有应力腐蚀倾向，切削加工及焊接性能良好，可以在200 ℃以下长期工作。MB8镁合金具体成分和物理性能见表1和表2[4]。本试验中使用的搅拌头形状如图1所示。

表1 MB8镁合金成分 %

表2 MB8镁合金物理性能

熔化温度/℃抗拉强度/MPa硬度/HBS645～650199～26651

图1 双轴肩搅拌摩擦焊接搅拌头结构

1.2 试验方法

采用双轴肩搅拌摩擦焊接方法实现某型冷板液冷通道的对接焊接成型，图2为某型号冷板焊缝位置的横截面示意图，液冷通道由2块凹槽对接拼焊而成，FSW焊接的具体参数如表3所示。

图2 某型冷板焊缝位置局部示意图

液冷通道编号搅拌头转速/(r·min-1)焊接速度/(mm·min-1)盖板厚度/mm110001602212001402314001202416001002

1.3 焊缝性能检测

用相控阵水浸超声C扫描系统检测SR-FSW接头是否存在未焊透、夹杂等焊接缺陷。采用线切割方法沿垂直于焊缝方向切取金相试样，采用苦味酸5 g+醋酸5 mL+蒸馏水10 mL+酒精100 mL混合制成金相腐蚀液，将抛光后的试样浸于溶液中5～10 s，然后用去离子水和酒精清洗试样并吹干，在Olympus光学显微镜下进行焊缝及焊缝附近区域金相组织分析及显微硬度测试。在MTS-810电子拉伸试验机上进行拉伸试验。采用MH-3型数显显微硬度计对接头的显微硬度进行测定。

2 试验结果分析

2.1 焊缝形貌

图3为液冷通道SR-FSW焊接后的表面形貌，其表面焊接成型质量良好，整条焊缝纹路均匀，飞边较少，并且在无垫片的情况下，薄壁的液冷通道变形也较小。

图3 SR-FSW焊缝表面形貌

图4为MB8 镁合金母材和焊缝横截面微观形貌。不同焊接参数下，焊缝微观组织变化不大。图4(a)中母材组织均匀，一系列团聚的深色组织均匀分布于镁基体中，这主要和MB8镁合金板材的轧制过程有关。图4(b)为编号为2的试样的微观形貌，图4(b)中明显分为母材区、热影响区、热机影响区和焊核区。焊核区自上而下晶粒均呈现出均匀、细小的特点，这主要是由于焊接过程中，MB8镁合金薄壁的上下表面同时受到轴肩的旋转摩擦而产生热量，并且该热量从焊缝的上下表面向焊缝中心传递，改变了焊核区结晶温度场。另一方面，焊核区受到搅拌针强烈的机械搅拌作用，经受了较高的焊接热循环，使得焊核区发生动态再结晶，并且发生动态再结晶的晶粒来不及长大就被搅拌针打碎，从而形成细小的等轴晶[5]。研究结果表明，细小的等轴晶粒对于改善焊缝处的力学性能非常有利。

图4 焊缝微观组织形貌

此外，热机影响区和热影响区的晶粒较为粗大，主要是由于离搅拌针较远，受到机械搅拌作用较弱，并且在搅拌热量的作用下，发生了动态回复。

2.2 接头拉伸性能

试验选用的MB8镁合金母材的拉伸强度为255 MPa，屈服强度为118 MPa，断裂后伸长率为12%。表4中列出了不同焊接参数下试样的拉伸性能。

表4 MB8镁合金SR-FSW接头拉伸性能

从表4中可以看出，接头综合性能最好的是2号试样，其拉伸强度为211 MPa，达到母材的93.8%，并且其断裂后的伸长率略高于母材金属。此外，4种不同焊接参数下，接头的平均拉伸强度为205 MPa，达到母材的91%。接头处平均屈服强度为105 MPa，达到母材的88.9%。此外，4种试样的断裂后平均伸长率为11.8%，基本接近母材金属。由此可见，MB8 镁合金双轴肩搅拌摩擦焊接技术不仅能够实现金属的有效连接，而且接头处的力学性能相比母材金属变化不大。

图5为拉伸断裂试样宏观形貌。由图可见，试样的断裂位置均在搅拌头的后退侧，位于热机影响区和热影响区的交接处，这主要是由于金属材料塑性流动不完全，在搅拌头的后退侧容易产生微小的孔洞等缺陷，从而导致焊缝的后退侧一般属于薄弱处。

图5 拉伸断裂试样宏观形貌

2.3 接头显微硬度分布

MB8镁合金经过双轴肩搅拌摩擦焊接后，焊缝接头处发生了一定程度的软化。测试结果表明，在4种不同焊接工艺参数条件下，接头处的显微硬度分布规律类似，均呈现出“W”型，如图6所示。

图6 焊缝接头处显微硬度分布

图6显示了2号试样显微硬度分布特征。图中焊缝中心处的显微硬度约为39 HBS，随着测试点离焊缝中心的距离变大，显微硬度逐渐下降。在前进侧热机影响区和热影响区，显微硬度约为34 HBS，而在后退侧热机影响区和热影响区，显微硬度仅为30 HBS，这主要是由于随着搅拌头的高速旋转，搅拌针前进侧的软化层从前进的一侧流动到后退侧，造成后退侧热量累积[6]，因而使后退侧经受的焊接高温作用时间大于前进侧，导致后退侧软化程度和软化区间均高于前进侧。此结果也表明，MB8镁合金双轴肩搅拌摩擦焊接时，后退侧的力学性能较差[7]。随后，随着测试点进入母材区域，显微硬度上升到约50 HBS。

3 结束语

本文实现了MB8镁合金冷板双轴肩搅拌摩擦焊接，并且焊缝成型美观，洋葱环纹路均匀明显。

SR-FSW接头微观组织可以分为焊核区、热机影响区、热影响区以及母材区域，焊核区组织主要为细小的等轴晶粒，热机影响区的晶粒被拉长，沿某一方向倾斜，热影响区的晶粒较为粗大。

SR-FSW接头的拉伸性能以及伸长率相比母材金属变化不大，平均拉伸强度为母材金属的91%，平均屈服强度为母材金属的88.9%，平均伸长率为11.8%。此外，拉伸接头断裂处均位于焊缝的后退侧。

4)SR-FSW接头的显微硬度分布呈现“W”型，母材的硬度最高，焊核区域次之，热机影响区和热影响区的硬度最小，并且焊接接头后退侧的显微硬度低于前进侧。

[1] 王建峰. 固态有源相控阵雷达热控制技术[J]. 电子机械工程, 2007, 23(6): 27-32.

[2] 苏斌, 贺地求, 杨坤玉, 等. 3 mm厚6061铝合金板固定双轴肩搅拌摩擦焊接头的显微组织与拉伸性能[J]. 机械工程材料, 2013, 37(5): 59-61.

[3] 赵衍华, 李延民, 郝云飞, 等. 2219铝合金双轴肩搅拌摩擦焊接头组织与性能分析[J]. 宇航材料工艺, 2012, 42(6): 70-75, 91.

[4] 中国航空材料编辑委员会. 中国航空材料手册第3卷[S]. 北京: 中国标准出版社, 2001: 499-508.

[5] 王希靖, 李常锋, 金玉花, 等. LY12搅拌摩擦焊焊缝成型及接头微观组织分析[J]. 热加工工艺, 2006, 35(23): 24-27.

[6] 谢广明, 马宗义, 耿林. 搅拌摩擦焊接参数对ZK60镁合金接头微观组织和力学性能的影响[J]. 金属学报, 2008, 44(6): 665-670.

[7] 冯吉才, 王大勇, 王攀峰. 铝锂合金接头组织及力学性能[J]. 中国机械工程, 2004, 15(10): 932-935.

栾兆菊(1981-)，女，博士，主要从事微波组件先进连接技术研究。

Experiment of Bobbin-tool Friction Stir Welding for a Radar Cold Plate

LUAN Zhao-ju，SUN Jian-bin

(The38thResearchInstituteofCETC,Hefei230088,China)

Bobbin-tool friction stir welding (BTFSW) experiment of the MB8 magnesium alloy cold plate of a radar is presented in this paper. Requirements for welding jig and environment in BTFSW technology are lower than traditional friction stir welding (FSW). The rotating speed of stir head is designed to be 1 000～1 600 r/min and the welding speed is designed to be 100～160 mm/min. Based on the measurement results of tension strength and hardness in welding joint, the effect of welding parameters on joint mechanical properties is analyzed. Experiment results show that poor penetration, blowholes and inclusions which are common defects in magnesium alloy fusion welding are not found in MB8 welding joint after BTFSW, the tension strength in welding joint is 199～211 MPa, the average tension strength reaches 91% of base metal and the hardness is 30～39 HBS which has small decrease comparing with base metal. It also indicates that BTFSW technology is impactful in the welding of cold plate and other structure parts.

magnesium alloy; bobbin-tool friction stir welding; mechanical properties

2015-02-14

TG457

A

1008-5300(2015)03-0050-03