2219-T6铝合金静止轴肩搅拌摩擦焊接工艺及接头组织性能

李金全 刘会杰



2219-T6铝合金静止轴肩搅拌摩擦焊接工艺及接头组织性能

李金全1刘会杰2

（1.首都航天机械公司，北京 100076；2.哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室，哈尔滨 150006）

自主研制静止轴肩搅拌摩擦焊（SSFSW）焊具，并且成功应用于高强铝合金2219-T6的焊接。当静止轴肩相对深压与搅拌针根部的小轴肩形成“内浅外深”的状态时，更能充分发挥SSFSW的作用。对接头焊缝成形、显微组织、显微硬度及拉伸性能分别开展了试验研究。结果表明：SSFSW消除了焊缝减薄问题，以搅拌针起主要的搅拌作用有效地减小了焊缝宽度在板厚方向上的差异，减小了热机影响区和热影响区的范围。在恒定焊接转速800转/min的条件下，当焊接速度增大到300mm/min时，接头抗拉强度达到354MPa（母材的79.6%），拉伸断裂发生在焊缝后退侧的热机影响区边缘。

搅拌摩擦焊；静止轴肩；高强铝合金；组织性能

1 引言

自1991年搅拌摩擦焊接（FSW）在英国焊接研究所TWI发明以来，经过20多年的研究和发展，适用于铝合金、镁合金、铜合金、钛合金及不锈钢的同种和异种材料焊接，广泛应用于航天航空和轨道车辆等领域中[1]。静止轴肩搅拌摩擦焊（SSFSW）是基于常规FSW发展而来的一种新型FSW技术。在焊接过程中，搅拌针旋转而轴肩不旋转[2]。因此，焊接热源主要来源于搅拌针与工件的摩擦产热以及材料的塑性变形产热，不旋转的轴肩主要起抑制搅拌区域内的塑化材料被挤出以及保证焊缝表面成形的作用。因此，焊接时沿板厚度方向热量输入比较均匀，轴肩的挤压作用也可以降低对工件的装卡要求。

目前，国内外对于SSFSW研究报导较少。Wichita大学的Widener等人[3]为了解决高转速FSW焊接过程不稳定、焊缝成形较差的问题，加入了静止轴肩，在6061-T6铝合金的焊接中获得了显著的效果并推广至低转速的常规FSW中。Sheffield 大学的Wynne和TWI的Threadgill等人[4]针对导热性差的钛合金开展了SSFSW研究，有效地解决了焊缝表面成形差且能获得良好焊缝成形的工艺参数区间窄等问题。Martin等人[5]将SSFSW应用到T形接头角焊缝的焊接中，得到了无缺陷的焊缝，极大地拓宽了SSFSW的应用范围。在国内，Li等人[6]开展了2219-T6铝合金SSFSW研究，主要利用静止轴肩保障焊缝成形，接头抗拉强度达到母材的69%，但仍有进一步发挥静止轴肩的作用以提高接头性能的空间。申浩等人[7]成功地将SSFSW应用于6061-T6铝合金的焊接中，焊缝成形良好且接头抗拉强度达到母材的71.5%。总体而言，SSFSW技术研究仍待进一步深入，以充分发挥其在高强铝合金焊接中的优势，提高焊接接头的性能。

2 试验材料及方法

试验材料为航空航天领域广泛应用的2219-T6高强铝合金（6.48Cu, 0.32Mn, 0.23Fe, 0.06Ti, 0.08V, 0.04Zn, 0.49Si, 0.20Zr, wt.%），其抗拉强度和延伸率分别为445MPa和11.4%。规格为300mm×80mm×5.0mm的板材，长度方向垂直于轧制方向。焊接前，板材的表面和对接端面用钢丝刷打磨以去除氧化皮，并且用丙酮进行清洗以防止对焊缝的污染。通过夹具装卡板材，对接缝置于垫板中心线上，采用FSW-3LM-003龙门式数控FSW系统，SSFSW焊具自行设计。

垂直于焊缝截取试样，进行金相分析、显微硬度测试以及拉伸性能测试。金相试样采用金相砂纸逐级磨制，采用金刚石抛光剂进行抛光处理，经过Keller试剂（2ml HF+3ml HCl+5ml HNO3+190ml H2O）腐蚀后借助Olympus SZX12体式显微镜和Olympus G71光学显微镜分别观察和分析焊缝宏观形貌以及接头各区域的显微组织特征。在金相试样上采用HVS-1000型维氏硬度计进行显微硬度测试，测试过程沿三个厚度层（距离焊缝上表面1.0mm、2.5mm和4.0mm）从焊缝中心向两侧延伸，加载500g且保持时间为10s。拉伸试验参照GB/T2651—2008和ASTM E08在Instron-1186型电子万能试验机上进行，拉伸速率为1.0mm/min，拉伸试验后采用Olympus SZX12体式显微镜对拉伸断裂位置进行分析，并且采用Hitachi S4700型扫描电镜对接头拉伸断口形貌进行分析。

3 静止轴肩搅拌摩擦焊焊具的设计

根据SSFSW基本原理，在常规FSW中起主要产热作用的轴肩转速为零，可以有效地减小焊接过程中的产热以及材料的塑性流动，从而降低焊接热循环对焊接接头的软化作用，从而提高接头性能。因此，轴肩与搅拌针应采用分体式设计，轴肩与搅拌针在轴向上的相对位置关系以及两者之间的间隙是关键因素。

图1所示是SSFSW焊具的总体结构。SSFSW焊具是由静止轴肩端盖、上端盖、中间筒体、轴承、静止轴肩的夹持板、静止轴肩的固定支架以及带小尺寸凹形轴肩和锥形螺纹搅拌针的中间轴等部分组成（图1a）。静止轴肩与下端盖为一体，由中间筒体和上、下端盖经螺栓紧固组合而成的静止轴肩装配体通过夹持板与连接在FSW设备端部的固定支架相连，从而实现轴肩在焊接过程中不转动；带小尺寸凹形轴肩和锥形螺纹搅拌针的中间轴与FSW设备的主轴端部相连，焊接过程中随着设备主轴旋转。静止轴肩装配体的中间筒体通过一组轴承与中间轴配合，借助中间轴上的台阶和上、下端盖以保证静止轴肩和小尺寸凹形轴肩的轴向相对位置，并且更换不同厚度的静止轴肩端盖可以实现不同相对下压量的SSFSW。设计的SSFSW焊具能与FSW系统实现良好的匹配（图1b）。

在SSFSW焊具中，静止轴肩和带小尺寸凹形轴肩的搅拌针的尺寸是主要参数，如表1所示。其中，锥形螺纹搅拌针参考常规FSW搅拌头的搅拌针[1，8]，静止轴肩参考常规FSW搅拌头的轴肩直径[9]。在SSFSW 过程中，搅拌针旋转、轴肩不旋转，为防止搅拌针受热膨胀或受到前进阻力而发生弯曲造成与静止轴肩的摩擦，搅拌针与静止轴肩之间设计0.1mm间隙。在搅拌针上设计小尺寸的凹形轴肩，目的是限制焊接过程中塑化材料从静止轴肩和搅拌针之间的间隙内挤入。

图1 SSFSW焊具的总体结构图

表1 SSFSW焊具的主要特征尺寸

4 静止轴肩搅拌摩擦焊的焊缝成形特点

根据静止轴肩与搅拌针根部的小尺寸凹形轴肩的相对下压量，当静止轴肩的下压量小于小轴肩的下压量时为“内深外浅”SSFSW，当静止轴肩的下压量大于小轴肩的下压量时为“内浅外深”SSFSW。

图2 “内深外浅”SSFSW的焊缝成形特征

图2所示是“内深外浅”SSFSW的焊缝成形特征。搅拌针转速800转/min，焊接速度100mm/min，搅拌头倾角2.5°，小轴肩与静止轴肩的下压量分别为0.2mm和0.1mm。焊缝表面的小轴肩的作用区域具有明显的弧形纹特征，形成机理与常规FSW焊缝相同；静止轴肩的作用区域是由静止轴肩沿焊接方向的平动摩擦和挤压作用形成，具有明显的刮擦特征。静止轴肩的下压量相对较小，因而焊缝中心区域并未受到静止轴肩的明显的挤压作用。静止轴肩限制了塑化材料从焊具两侧被挤出，可以消除飞边缺陷，即使有塑化材料从小轴肩两侧被挤出也被静止轴肩的平动刮擦而去除。

图3所示是2219-T6铝合金在不同相对下压量时的焊缝成形特征，其中主轴转速和焊接速度均分别为800转/min和100mm/min。“内深外浅”SSFSW，可以限制搅拌区内的塑化材料被挤出而形成飞边缺陷，但是静止轴肩对焊缝中间区域的作用较小，焊缝表面的弧纹特征是由小尺寸凹形轴肩的作用而形成的（图3a）。“内浅外深”SSFSW，静止轴肩对整个焊缝宽度都起到显著的挤压作用，因而焊缝宽度等于静止轴肩直径并且焊缝表面也更光滑和平整，焊缝表面因静止轴肩的平动挤压而形成沿焊接方向的直线纹特征（图3b）。同时，“内深外浅”SSFSW接头抗拉强度最大仅达到母材的69%[6]，表明在这种条件下仍然不可完全避免塑化材料的损失，接头性能未能得到进一步的提高。因此，为充分发挥静止轴肩在整个焊缝宽度上的作用，后续均采用“内浅外深”的相对压深条件。

a “内深外浅”SSFSW b “内浅外深”SSFSW

a 50mm/min b 100mm/min c 200mm/min d 300mm/min

图4所示是2219-T6铝合金“内浅外深”SSFSW在不同焊接速度条件下的焊缝成形。在恒定主轴转速800转/min时，焊接速度在50～300mm/min内均获得良好的焊缝成形，无飞边和孔洞等缺陷，未出现焊缝减薄现象。SSFSW接头由焊核区（WNZ）、热机影响区（TMAZ）、热影响区（HAZ）和母材区（BM）等部分组成。随着焊接速度增大，搅拌针和小尺寸凹形轴肩对材料的切削作用增大、搅拌作用逐渐减小；焊接热输入量逐渐减小，使WNZ和TMAZ内材料的塑性变形能力逐渐减小，因而焊接接头的各区域也逐渐减小。焊缝上表面宽度约等于静止轴肩的外径，表明静止轴肩对整个焊缝宽度都起到明显的作用。

5 静止轴肩搅拌摩擦焊的焊缝显微组织

在“内浅外深”SSFSW接头中，WNZ由等轴再结晶晶粒组成，随着焊接速度由50mm/min逐渐增大到300mm/min，等轴再结晶晶粒的尺寸逐渐减小，如图5所示。焊接过程中，WNZ受搅拌针的直接搅拌作用，高温和大塑性变形的作用使该区域发生动态再结晶、形成等轴晶粒；随着焊接速度增大，动态再结晶晶粒尺寸减小，表明焊接热输入量对再结晶晶粒的最终尺寸起主导性作用。图6所示是焊接速度对SSFSW接头TMAZ显微组织的影响。虽然焊接接头的TMAZ在焊接过程中并未受到搅拌针的直接搅拌作用，但该区域内的晶粒也发生明显的塑性变形。随着焊接速度逐渐增大，焊接热输入量逐渐减小使TMAZ内材料的塑性变形能力减小，WNZ外围材料向上的塑性流动程度逐渐减小，因而TMAZ内晶粒向上拉长变形的程度也逐渐减小，且变形的范围也变窄。对于TMAZ外侧的HAZ，在焊接过程中并未发生塑性变形而仅经受焊接热循环的作用，因而晶粒形态和晶粒尺寸均与母材晶粒类似，晶粒形态在不同焊接速度时基本相同。

a 50mm/min b 100mm/min c 200mm/min d 300mm/min

a 50mm/min b 100mm/min c 200mm/min d 300mm/min

6 静止轴肩搅拌摩擦焊的接头力学性能

图7所示是2219-T6铝合金“内浅外深”SSFSW接头的显微硬度分布特征。对于焊接速度为100mm/min时获得的典型接头，随着到焊缝上表面的距离的增大，焊接接头软化区的宽度逐渐减小，且WNZ内的显微硬度值最小（图7a）。在SSFSW焊具中，搅拌针为带螺纹的锥状特征，带有小尺寸的凹形轴肩。焊缝上表面处，小尺寸凹形轴肩的热机作用更显著，焊缝近表面的峰值温度较高且高温停留时间较长；同时，搅拌针是圆锥状结构且与焊缝底部接触的垫板具有一定的散热作用。因此，焊接接头软化区的宽度在板厚方向上存在差异，上部比下部略宽，与焊缝的宏观形貌形成良好的对应。然而，静止轴肩不旋转产热且搅拌针根部到尖端的直径差异较小，因而SSFSW接头软化区的宽度在板厚方向上的差异与常规FSW相比明显较小。在不同厚度层，显微硬度最小值出现的位置也有差异：距离焊缝上表面1.0mm的厚度层，出现在焊缝后退侧的TMAZ/WNZ界面处；距离焊缝上表面2.5mm 的厚度层，在焊缝中心和焊缝两侧TMAZ/WNZ界面处显微硬度均为最小值；距离焊缝上表面4.0mm的厚度层，则出现在焊缝中心。总体而言，SSFSW接头的WNZ内的显微硬度值在沿厚度方向和宽度方向的变化都并不显著。随着焊接速度的逐渐增大，焊接热输入量逐渐减小，使得焊接接头软化区宽度逐渐减小、显微硬度值逐渐增大（图7b）。

a 典型接头100mm/min b 焊接速度的影响

图8 “内浅外深”SSFSW接头拉伸性能

图8所示是2219-T6铝合金“内浅外深”SSFSW接头的拉伸性能。在恒定主轴转速800转/min时，焊接速度由50mm/min逐渐增大到300mm/min，接头抗拉强度呈现逐渐增大的趋势，而断后伸长率则逐渐减小。焊接速度为50mm/min时，接头拉伸断后伸长率达到最大值7.7%（母材的67.5%），但抗拉强度319MPa为最小值（母材的71.7%）；焊接速度为300mm/min时，接头抗拉强度增大至354MPa（母材的79.6%）且断后伸长率也能达到6.4%（母材的56.1%）。在不同的焊接速度条件下，焊接接头拉伸性能的极限误差都较小，可见在各焊接速度时的焊接过程稳定、在焊缝长度上接头性能也稳定。调整静止轴肩与中间的小尺寸凹形轴肩的相对下压量，由“内深外浅”SSFSW转变为“内浅外深”SSFSW，焊接接头抗拉强度的最大值由307MPa显著提高至354MPa，接近旨在提高高强铝合金焊接接头性能的水浸FSW的最优接头性能[10]。由此可见，静止轴肩与小尺寸凹形轴肩的相对下压量是SSFSW的关键参数之一。然而，静止轴肩的下压量过大，则焊接过程中前进阻力过大，容易导致焊具中间轴发生完全而发生破坏。并且，焊接速度过快也将导致焊接过程中的前进阻力过大。

a 50mm/min b 100mm/min C 200mm/min d 300mm/min

a 50mm/min b 100mm/min c 200mm/min d 300mm/min

图9所示是不同焊接速度时“内浅外深”SSFSW接头的拉伸断裂位置。焊接速度在50～300mm/min的范围内，焊接接头的拉伸断裂均发生在焊缝后退侧的TMAZ边缘，拉伸断裂的扩展路径与拉伸方向基本成45o夹角，表现出典型的剪切断裂特征。图10所示是各焊接接头拉伸断裂的断口形貌。虽然焊接速度对接头拉伸断裂位置的影响并不显著，但是不同的拉伸性能将在断口形貌上表现出不同的特征。在较低焊接速度50mm/min时，断口表面以小尺寸的韧窝为主，同时塑性变形的特征尤为明显（图10a），因而接头抗拉强度较低但断后伸长率最大；当焊接速度增大到100mm/min时，断口表面仍以小尺寸的韧窝为主，但是塑性变形的特征明显减少（图10b），因而接头抗拉强度增大但断后伸长率降低；当焊接速度进一步增大到200～300mm/min时，断口表面韧窝的尺寸明显增大并且在大尺寸韧窝底部存在明显的破碎的第二相颗粒，断裂属于微孔聚集型断裂（图10c和10d）。起主要强化作用的第二相颗粒随着焊接速度的增大而增多，因而焊接速度300mm/min时接头抗拉强度最大。

7 结束语

a. SSFSW分为“内深外浅”和“内浅外深”SSFSW两种情况，两者均能获得良好的焊缝成形，焊缝无飞边缺陷。但是，“内浅外深”SSFSW静止轴肩能在整个焊缝宽度上起热机作用，更能发挥SSFSW的作用。

b. SSFSW接头由WNZ、TMAZ、HAZ和BM等区域组成，仅搅拌针起主要搅拌作用，WNZ和TMAZ均明显减小，因搅拌作用而引起的材料在板厚方向上的塑性流动也明显减小，仅在低焊接速度50mm/min时形成了明显的沿板厚方向上的材料流动。

c. SSFSW中搅拌针起主要搅拌作用且搅拌针在板厚方向上的直径差异较小，因而焊缝软化区宽度在板厚方向上的差异较小，显微硬度分布特征与之对应。

d. SSFSW接头抗拉强度随焊接速度的增大而增大，而断后伸长率随焊接速度的增大而减小。在焊接速度300mm/min时，接头抗拉强度达到354MPa，达到母材的79.6%。

e. SSFSW接头的拉伸断裂主要发生焊缝后退侧的TMAZ边缘，对应焊缝显微硬度值最低的区域，接头拉伸断裂属于典型的微孔聚集型断裂。

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10 Zhang H J, Liu H J. Mathematical model and optimization for underwater friction stir welding of a heat-treatable aluminium alloy[J]. Maerials and Design, 2013(45): 206～211

Researches on Stationary Shoulder Friction Stir Welding Process of Aluminum Alloy 2219-T6 and Microstructures and Mechanical Properties of Welded Joints

Li Jinquan1Liu Huijie2

(1. Capital Aerospace Machinery Company, Beijing 100076; 2. State Key Laboratory of Welding and Joining, Harbin Institute of Technology, Harbin 150006)

In this paper, a tool system for the stationary shoulder friction stir welding was self-designed and applied successfully to weld the high-strength aluminum alloy 2219-T6. When the plunge depth of the stationary shoulder was larger than that of the sub-size concave shoulder at the root of the tool pin, the SSFSW could exert its greatest effects. The researches of weld formation, microstructures, hardness distribution and tensile properties of the welded joints were conducted. The phenomenon of weld thinning was eliminated completely through the SSFSW process. The stirring effect was mainly caused by the tool pin, thus the variation of weld width was obviously reduced along the thickness direction. Meanwhile, both the thermo-mechanically affected zone (TMAZ) and heat-affected zone were decreased. At a constant rotation speed of 800 rpm, the tensile strength reached 354 MPa (79.6% of the base material) when the welding speed increased to 300 mm/min, and the tensile fracture occurred at the edge of the TMAZ on the retreating side.

friction stir welding；stationary shoulder；high-strength aluminum alloy；microstructures and mechanical properties

李金全（1984），博士，焊接专业；研究方向：膜盒精密焊接技术研究、铝合金搅拌摩擦焊接技术研究、导管全位置焊接技术研究以及导管三维数字化制造技术研究等。

2017-11-20