1060 铝合金搅拌摩擦焊焊缝金属流动机理

王 楠，高中华，王 军

（河北科技大学，河北石家庄050000）

1060 铝合金搅拌摩擦焊焊缝金属流动机理

王 楠，高中华，王 军

（河北科技大学，河北石家庄050000）

对1060铝合金进行搅拌摩擦焊，研究搅拌头旋转方向、焊接速度、主轴转速和搅拌针偏移方向等不同因素对金属流动的影响。结果表明，5 mm厚1060铝合金在主轴转速1 000～1 100 r/min、焊接速度200～300 mm/min时，可获得无缺陷焊缝。在焊缝上部区域，轴肩的热力作用大于搅拌针对焊缝金属的作用。搅拌针的旋转方向及螺纹旋向对塑性金属流动具有重要影响。当搅拌头偏移的方向不同时，焊接质量相差较大。

1060铝合金；焊接工艺；流动机理

0 前言

搅拌摩擦焊（FSW）作为一种新兴的绿色固态焊接方法，焊接过程中无烟雾、无飞溅、无弧光、无辐射。与传统熔焊相比，其焊接接头性能更加可靠，从根本上解决了铝合金、镁合金等轻质金属焊接时产生的热裂纹、气孔等缺陷。由于具有低残余应力、低形变、高强度、高可靠性等特点，搅拌摩擦焊技术已被广泛应用于航空航天、船舶、高速列车等行业。

搅拌摩擦焊焊缝塑性金属的流动状态直接关系到焊缝组织的各项性能。为了解焊缝塑性金属流动形态差别产生的原因，国内外学者开展了大量研究。常用的方法主要有嵌入标记材料法、急停法、物理模拟法、数值模拟法等。

Paul D.Edwards焊接6 mm厚Ti-6Al-4V时采用铁粉作为示踪金属，发现焊缝中心处的铁粉随搅拌针的转动呈半圆弧状分布，从回退侧延伸到前进侧[1]。柯黎明等人采用铜箔作为标示材料，铜箔与铝板在厚度方向上交替叠放，试验表明，金属在焊缝厚度方向存在一定的塑性流动。而搅拌针上的螺纹旋向导致了焊缝金属在试板厚度方向上产生不同的流动形态[2]。P.B.Prangnell采用急停法观察2195铝合金匙孔区横切面形貌，热机影响区组织随搅拌针的转动均被拉长。前进侧的组织沿焊接方向弯曲，与焊核区有清晰的边界线，临近搅拌针前沿出现了一个细长的变形带。回退侧的热影响区相对较宽，这是搅拌针与流动到此处的前进侧金属共同作用的结果[3]。为便于观察焊缝焊缝组织形态，国内外学者采用彩泥、高聚物等模型[4-6]。B.C.Liechty采用青/红色彩泥模拟对接焊缝，试验表明，焊缝塑性区微小的温度变化会对塑性材料流动的推力产生重大影响。S.D.Ji采用FLUENT软件建立三维模型模拟焊缝金属流动，结果表明，随着距焊缝上表面距离及距搅拌针中心距离的增加，塑性金属流动速率逐渐减缓，与此同时，增加搅拌头倾角和加深搅拌针表面螺纹均增加金属流动速率[7]。焊缝塑性金属的流动状态对焊缝质量有着重要影响，但其他学者没有对焊缝塑性金属在其横截面方向的流动进行详细研究，故在此对其进行分析。

搅拌摩擦焊焊缝金属流动机理较为复杂，搅拌针运动的情况对焊缝金属流动有着决定性作用。本研究通过材料示踪法，分析焊缝金属的流动形貌，并分析了不同焊接工艺对焊缝金属流动的影响。

1 实验方法

试验采用300 mm×150 mm×5 mm的1060铝合金板材，采用0.6 mm厚2A12铝合金条作为示踪金属。示踪金属镶嵌方法如图1所示。试验采用FSWLM-BM16-2D龙门式搅拌摩擦焊设备。搅拌头规格如图2所示，轴肩为同心圆环槽形，搅拌针为三棱锥形带右旋螺纹。控制轴肩压入量0.2 mm，焊接倾角2.5°。焊接工艺分组如表1所示。

图1 示踪金属镶嵌方式示意Fig.1Schematic of trace metal mosaic

图2 搅拌头规格示意Fig.2Schematic of tool size

表1 搅拌摩擦焊工艺Tab.1Friction stir welding process

焊后采用Keller试剂（2 ml HF+3 ml HCl+5 ml HNHO3+190mlH2O）腐蚀试件横截面，在LEICA S8AP0体式显微镜上观察焊缝宏观显微组织。

2 试验结果及分析

2.1 搅拌头旋转方向对金属流动的影响

在主轴转速1 000 r/min、焊接速度200mm/min时，搅拌头逆时针和顺时针旋转时的焊缝截面形貌如图3所示，图中白色涡流线为示踪金属2A12，焊缝下部的黑色团状物为未达到热塑性状态的2A12。2A12铝合金因未达到热塑性状态，未能与母材形成紧密连接，故腐蚀后呈黑色。

图3 不同的搅拌头旋转方向的焊缝截面形貌Fig.3Weld section topography of different direction tool rotation

由图3可知，搅拌头旋转方向不同时，轴肩作用区的金属流动情况基本类似，示踪金属为椭圆形的涡流线，由焊缝中心向两侧延伸，呈现中间低、两边高的分布趋势，在搅拌针的作用下，示踪金属随搅拌针由焊缝中心流向回退侧。焊缝塑性金属流动情况是热与力综合作用的结果。焊缝上部金属的流动区域与焊缝轴肩作用区基本重合。塑性金属在轴肩的热力作用下由焊缝中心一层一层向外侧流动，而热机影响区金属未达到热塑性状态，对焊缝中心的金属流动产生阻碍及支撑作用。随着距焊缝中心距离的增加，涡流线呈现上升趋势。

焊缝上部的涡流线主要分为四层，这与搅拌针的螺纹层数一致。在搅拌针前沿，焊缝温度较低，尤其加入示踪金属后，对金属导热有一定的影响。搅拌针与焊缝前沿金属接触时，温度较低，金属软化程度低，流动性差，金属形变的临界剪切力较大。搅拌针上的螺纹对焊缝金属产生挤压、破碎作用，把不能整体变形的焊缝前沿金属剪切为与搅拌针螺纹形状相契合的长条状，减小变形抗力[8]。

焊缝下部金属流动方向较为紊乱。搅拌针为右旋螺纹，顺时针转动时，焊缝塑性金属在搅拌针的作用下向下运动，同时受到周围非塑性金属及垫板的支撑力，故其流动时受到的阻力较大，摩擦产热较多，温度升高，有利于塑性金属的流动。所以焊缝底部塑性金属流动区较宽，示踪金属与母材金属结合紧密扎实，如图3b所示。

搅拌针采用逆时针转动时，焊缝金属在搅拌针的作用下向上运动，焊缝下部金属受到的剪切、挤压作用较小，温度较低（见图3a），焊缝下部金属流动不充分，未达到塑性状态的黑色示踪金属较多且偏向前进侧。焊缝下部金属随搅拌针的转动向焊缝上部流动，挤压力及摩擦力较小，导致焊缝底部温度较低，临界形变能较高，焊缝金属熔合不良。根据瞬时空腔原理，焊缝底部金属向上流动后，产生瞬时空腔[2]，焊接参数制定不合理，焊缝底部温度较低时，没有塑性金属填充空腔，易产生孔洞及隧道形缺陷[9]。

搅拌头逆时针转动，塑性金属向上运动；顺时针转动，塑性金属向下流动。但搅拌头采用不同的旋转方向时，焊缝上部塑性金属涡流线分布一致，焊缝下部周边区域的塑性金属在焊缝上部金属带动下向热机影响区附近流动。由此可知，在焊缝上部区域，轴肩的热力作用远大于搅拌针对焊缝金属的作用。

2.2 焊接速度对金属流动的影响

根据搅拌摩擦焊产热式（1）[10]，搅拌头的半径是确定值，摩擦系数及焊接压力也是稳定值，因此可将其简化为热输入常量系数k。主轴旋转速度与焊接速度是直接影响焊接热输入的重要变量。主轴转速与焊接速度匹配合理，搅拌头对母材的摩擦搅拌作用及金属自身的塑性变形产热可使焊缝金属达到塑性变形温度区间，进入塑性状态。旋转速度过高或焊接速度过慢，焊缝热输入过大，导致焊接过程中金属随搅拌头运动打滑，热输入不均匀，局部出现过热、熔化；旋转速度过低或焊接速度过快，焊缝热输入不足，焊缝金属温度低，塑性变形阻力大，金属流动不充分，导致焊缝根部出现“吻接”，甚至焊缝中部出现孔洞缺陷及搅拌针折断等情况，不能形成可靠连接。

式中ω为搅拌头旋转速度；μ为摩擦系数；P为焊接压力；R1，R2为搅拌头轴肩和搅拌针的半径；k为热输入常量系数；v为焊接速度。

搅拌针逆时针转动、转速1 000 r/min，不同焊速下的焊缝截面形貌如图4所示。焊接速度100mm/min时（见图4a），可清晰地观察到示踪金属规整的分布在焊缝中，焊缝金属流动充分，但焊缝上部几乎没有层状涡流线，可见热输入过大；焊接速度为200mm/min、300 mm/min时，如图4b、4c所示，焊缝下部随着焊接速度的提高，焊缝热输入减小，金属过热度减小，涡流线清晰可见；焊接速度达到300 mm/min时，部分示踪金属未能从回退侧流动到前进侧，金属流动性随着焊接速度的提高而逐渐减小；焊接速度增加到400mm/min、500mm/min时，焊缝下部几乎观察不到示踪金属的流动踪迹，轴肩作用区的深度也随着焊接速度的提高变浅。由于主轴采用逆时针旋转，焊缝下部金属流动性较差，示踪金属未能与母材金属形成有效连接。

2.3 主轴转速对金属流动的影响

焊接速度400 mm/min、搅拌头逆时针旋转、不同主轴转速下的焊缝截面形貌如图5所示。转速为800 r/min时（见图5a），焊缝金属流动性差，轴肩作用区深度浅，焊缝中部区域出现孔洞缺陷；随着主轴转速的提高，如图5b、5c所示，轴肩作用区逐步加深；主轴转速达到1 000 r/min时，可观察到焊缝示踪金属由回退侧流经搅拌针后方到达焊缝前进侧。焊缝下部黑色示踪金属由块状变为丝状，分布区域扩大。由此可见，随着主轴转速的提高，焊缝金属流动性加强。当主轴转速达到1 100 r/min时，如图5d所示，涡流线清晰，黑色示踪金属基本消失，搅拌针对焊缝的热输入充分，金属的变形抗力变小，流动速率提高。

图4 主轴转速为1 000 r/min，不同焊速下的焊缝截面形貌Fig.4Weld section topography of different welding speed and tool rolling speed is 1 000 r/min

图5 焊接速度400 mm/min，不同主轴转速下的焊缝截面形貌Fig.5 Weldsectiontopographyofdifferenttoolrollingspeed and welding speed is 400 mm/min

2.4 搅拌针偏移方向对金属流动的影响

在实际的焊接过程中，零件装卡定位、对刀等过程中产生误差，导致搅拌头偏移中心位置，影响焊接质量。搅拌头偏离焊缝中心，其轴肩对母材的顶锻力和摩擦力基本保持不变，焊接过程中由于搅拌针偏移，对焊缝金属的挤压、切割作用将会改变。搅拌摩擦焊焊缝金属前进侧与回退侧的金属流动方式有区别，焊缝前沿前进侧金属与搅拌针摩擦产热，随着搅拌针的转动温度逐渐升高，由前进侧向回退侧流动，经由搅拌头后侧，流回前进侧。

试验设定主轴逆时针旋转、转速1 000 r/min、焊接速度400 mm/min时，搅拌头分别偏移前进侧、回退侧1.5 mm，如图6所示。当搅拌头向前进侧偏移1.5 mm，即焊缝中心落在搅拌针回退侧，如图6a所示，焊缝中出现孔洞缺陷，主要是因为焊缝及示踪金属处于搅拌头回退侧，缺少由前进侧向回退侧流动过程，其挤压、剪切、摩擦作用大大减弱，温度较低，金属流动性差，特别是示踪金属，未能达到塑性流动温度，几乎观察不到示踪金属的流动痕迹。当搅拌头向回退侧偏移1.5 mm，即焊缝中心落在搅拌针的前进侧，如图6b所示，焊缝中涡流线规整清晰，塑性金属流动较为充分，示踪金属与母材连接紧密。由此可见，塑性金属由前进侧经过搅拌针前沿流动到回退侧是焊缝金属流动的关键过程，焊缝处于搅拌针前进侧并未对焊缝的热输入量产生较大影响。焊缝下部未观察到示踪金属的流动情况，涡流线从焊缝中心右侧流向回退侧，焊缝下部塑性金属流动距离小于一周。

3 结论

（1）针对5 mm厚1060铝合金，采用合理的焊接线能量，即主轴转速为1 000～1 100 r/min、焊接速度200～300 mm/min时，可获得无缺陷焊缝。

（2）在焊缝上部区域，轴肩的热力作用大于搅拌针对焊缝金属的作用。搅拌针上的螺纹可促进焊缝金属的流动，搅拌针的旋转方向及螺纹旋向对塑性金属流动方向具有重要影响。

图6 搅拌头分别偏移前进侧、回退侧1.5 mm时焊缝截面形貌Fig.6Weld section topography of tool respectively offset 1.5 mm on advance side and retreat side

（3）搅拌头在垂直于焊缝方向，向回退侧偏移时对焊接结果影响不大，向前进侧偏移时焊缝金属流动性变差，易出现缺陷。

（4）焊缝塑性金属流动过程中，塑性金属由前进侧经过搅拌针前沿流动到回退侧是焊缝金属产热的主要时期，是焊缝金属流动的关键过程。

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Study on metal flow mechanism of welds on 1060 aluminum alloy in FSW

WANG Nan，GAO Zhonghua，WANG Jun
（Hebei University of Science&Technology，Shijiazhuang 050000，China）

Through the research on FSWtechnologyof1060 aluminumalloy，the metal flowinfluenced bydifferent factors is analyzed such as the tool rolling direction，welding speed，tool rolling speed and tool pin offset direction.The results showthat no defect weld is obtained when the tool rolling speed is 1 000～1 100 r/min and the welding speed is 200～300 mm/min for 5 mm thickness 1060 aluminum alloy.In the upper part of welds，the thermal effect of tool shoulder is greater than the effect of tool pin on the weld metal.Tool pin's rolling and thread directions have an important influence on the plastic metal flowing.The welding qualities are significantly different when the tool offset directions are different.

1060 aluminum alloy；welding technology；flow mechanism

TG456

A

1001－2303（2016）06－0019-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.06.04

2015-09-08

王楠（1989—），女，河北石家庄人，在读硕士，主要从事焊接工艺方面的工作。