6016-T4和5182-O铝合金回填式搅拌摩擦点焊力学性能研究

何玉松，叶青亮，吉 华，朱 君

（1.上海汽车集团股份有限公司 乘用车公司，上海 200245；2.航天工程装备苏州有限公司，上海 200245）

6016-T4和5182-O铝合金回填式搅拌摩擦点焊力学性能研究

何玉松1，叶青亮1，吉 华2，朱 君2

（1.上海汽车集团股份有限公司 乘用车公司，上海 200245；2.航天工程装备苏州有限公司，上海 200245）

利用回填式搅拌摩擦点焊（FSSW）技术焊接6016-T4和5182-O异种金属接头，研究其显微组织及力学性能。以剪切拉伸性能为评价指标，得出最优工艺参数是：下压深度1.5 mm，旋转速度2 200 r/min，焊接时间2.5s，平均剪切力2950N。疲劳极限载荷F=296N，疲劳断裂时裂纹起源于上下板搭接处，同时向板厚和板宽方向扩展。接头显微组织中没有铸态的柱状晶，均为等轴晶和较母材晶粒略有长大的组织，接头性能良好。

回填式搅拌摩擦焊；力学性能；6016-T4铝合金；5182-O铝合金

0 前言

填充式搅拌摩擦点焊（Refill Friction Stir Spot Welding，FSSW）属于一种单点连接方法，采用与搅拌摩擦焊相同的技术原理，将旋转的搅拌头插入被焊的两层工件，利用摩擦生热和搅拌头高速旋转形成的金属塑性流动而形成焊点[1－3]。搅拌摩擦点焊是一种可靠、节能、环保的轻金属单点固相连接技术，具有焊点强度高、质量好、工艺简单、焊接工具寿命长、缺陷少、变形小、节省能源及成本、清洁等优点，目前已成功应用在飞机机身、汽车车身及铝合金轮圈等结构件上[2－4]。上海航天设备制造总厂自主研发的机器人型填充式搅拌摩擦点焊机FSSW-SK-003原理如图1所示，搅拌工具由压紧套、搅拌套以及搅拌针组成，焊接过程主要分为四步：（1）摩擦预热阶段；（2）搅拌套下压及搅拌针回抽阶段；（3）搅拌针下压及搅拌套回抽阶段；（4）平磨形成平整焊点阶段。

图1 填充式搅拌摩擦点焊原理

随着搅拌摩擦焊技术在铝合金焊接方面的广泛应用，国内外对于不同型号铝合金搅拌摩擦点焊的研究也越来越多[2－5]，但是多针对同种金属接头，而异种金属接头少有研究。在此主要研究6016-T4和5182-O铝合金接头的最优参数和力学性能。

1 试验材料和方法

母材为6016-T4铝合金和5182-O铝合金，其化学成分如表1所示，板厚1 mm。采用搭接接头，搭接尺寸25mm×25mm，焊接时6016搭接在5182上方。

表1 铝合金母材的化学成分 %

焊前必须严格清理表面，去除氧化膜，清理后应及时焊接。对焊接后的取样试件进行接头剪切拉伸试验和疲劳试验。根据搅拌摩擦点焊接头静载性能，选取最优工艺参数焊接疲劳试样。采用正弦应力控制方式（应力比0.1，最大载荷为0.5倍的接头抗拉强度，加载频率20 Hz）进行接头疲劳测试，选取5个应力等级，绘制载荷与疲劳寿命的关系，即F-N曲线。采用DNS100型万能拉伸试验机进行拉伸试验，使用JSM-7001F扫描电子显微镜观察疲劳断口。

表2 6016-T4和5182-O铝合金接头工艺参数正交分析表

2 试验结果分析

2.1 剪切拉伸试验及工艺参数确定

采用正交试验方法确认摩擦点焊工艺参数，每个参数设定3个水平，旋转速度分别为1400r/min、1 800 r/min、2 200 r/min，焊接时间分别为2.5 s、3.5 s、4.5 s，下压深度分别为0.9 mm、1.2 mm、1.5 mm。设计L9（33）三因素三水平正交试验，以剪切拉伸性能作为评价标准进行焊接工艺评定，确定合适的焊接工艺参数，每组焊接参数选取3～5个，在DNS100型万能拉伸试验机上进行剪切拉伸试验，结果取其平均值。利用正交分析表（见表2）及正交分析原理分析试验结果，选出最优参数组合。

极差越大，该因素对结果的影响越大。对于6016-T4和5182-O铝合金接头搅拌摩擦点焊，从表2可知，下压深度的极差值最大，旋转速度次之，焊接时间最小。最佳试验条件为：下压深度1.5 mm，旋转速度2 200 r/min，焊接时间2.5 s。这个参数组合在正交试验表中，已进行焊接试验，焊点成形良好，此时剪切拉伸力最大2 950 N。

2.2 疲劳试验

根据疲劳试验结果，绘制载荷与疲劳寿命的关系，即F-N曲线，以指数形式表达为FnN=C，以对数形式表达为lgF=A-BlgN，如图2所示。将疲劳试验所得数据运用Origin绘图软件进行直线拟合，通过拟合获得lgF和lgN的关系式以及在疲劳寿命N= 106时的疲劳极限载荷F。

图2 6016-T4和5182-O铝合金接头F-N曲线

图3 6016-T4和5182-O铝合金接头疲劳断口形貌

由图2可知，搅拌摩擦点焊lgF和lgN的关系式为lgF=3.93-0.24lgN，并根据关系式求得N=106时疲劳极限载荷F=296 N。

2.3 疲劳断口形貌分析

采用SUPRA55型场发射电子扫描显微镜观察6016-T4/5182-O（6016-T4为上板，5182-O为下板）铝合金板FSSW接头疲劳断口形貌，如图3所示。

A～E区域的微观断口形貌如图3a所示。在A处靠近上板正面呈冰糖状形貌，属于脆断型瞬断区；在B处可以清楚地看到条纹状形貌,如图3b所示，说明裂纹是向板厚方向扩展，且环绕焊核；且疲劳纹是从上表面往内部扩展，这进一步表明疲劳裂纹源位于两板的搭接面处，如图中D区所示，疲劳纹如图3b所示；在D处还可以看到在疲劳扩展过程中形成的疲劳台阶，说明疲劳裂纹源不止一个，图3b中至少有3处台阶疲劳纹；E处为焊核周围疲劳断裂后，疲劳裂纹继续板宽方向扩展形成的疲劳扩展区，在E处可发现大量的韧窝分布；F处为疲劳瞬断区，可以看到准解理河流呈乌鸦爪状解理花样，如图3c所示。由此可知，裂纹起源于上下板搭接处，从焊点的一侧向另一侧周向扩展，同时裂纹向板厚和板宽方向同时扩展。

2.4 接头微观组织形貌分析

不同母材连接方式下搅拌摩擦点焊的微观组织形貌如图4所示。由于点焊过程主要发生在上板，焊点上部区域较宽，呈盆状，如图4a所示。根据微观组织特征，依次可将接头组织划分为母材区BM（见图4b）、焊核区SZ（见图4c）、热影响区HAZ（见图4d）及热机影响区TMAZ（见图4e）。

由图4可知，6016-T4和5182-O铝合金接头搅拌摩擦点焊焊核区位于板材表面的包铝层形成的粘连韧带以上区域，长度方向约等于套筒直径尺寸，搅拌工具的搅拌作用以及搅拌针和搅拌套之间的相对运动产生的热与力搅拌的综合作用使得晶粒发生了动态再结晶，形成细小的等轴再结晶组织，如图4c所示。热影响区组织在焊接过程中仅受到热循环的作用，晶粒长大趋势明显，尤其是在厚度方向上大于母材晶粒，如图4d所示。在搅拌工具的搅拌作用下，热机影响区和焊核区晶粒发生了严重的塑性变形，然而与焊核区相比，热机影响区材料的应变速率较低，没有动态再结晶的发生，晶粒在材料流动方向上被拉长，如图4e所示。

3 结论

（1）6016-T4和5182-O铝合金接头的搅拌摩擦点焊最优工艺参数为：下压深度1.5 mm，旋转速度2200r/min，焊接时间2.5s，最大平均剪切力2950N。

（2）搅拌摩擦点焊lgF和lgN的关系式为lgF= 3.93-0.24lgN，疲劳极限载荷F=296 N。

（3）裂纹起源于上下板搭接处，从焊点的一侧向另一侧周向扩展，与此同时，裂纹向板厚方向扩展；在焊点边缘扩展结束后，继而向板宽方向扩展。

（4）接头组织表现为等轴晶（焊核区、热机影响区）和较母材晶粒度略有长大的组织（热影响区）。

图4 6016-T4和5182-O铝合金接头微观组织形貌

[1]Z Shen，X Yang，Z Zhang，et al.Microstructure and failure mechanisms of refill friction stir spot welded 7075-T6 aluminum alloy joints[J].Materials&Design，2013（44）：476-486.

[2]Z Shen，XYang，SYang，etal.Microstructureandmechanical properties offrictionspotwelded6061-T4 aluminum alloy[J].Materials&Design，2014（54）：766-778.

[3]Z Shen，X Yang，Z Zhang，et al.Mechanical properties and failure mechanisms of friction stir spot welds of AA 6061-T4 sheets[J].Materials&Design，2013（49）：181-191.

[4]申志康，杨新岐，张照华，等.铝合金回填式搅拌摩擦点焊组织及力学性能分析[J].焊接学报，2013，34（6）：73-76.

[5]申志康，杨新岐，张照华，等.6061-T4铝合金回填式搅拌摩擦点焊显微组织及力学性能研究[EB/OL].http://www.paper.edu.cn/releasepaper/content/201303-620.

Research on mechanical properties of refill friction stir spot welding of 6016-T4 and 5182-O aluminum alloy

HE Yusong1，YE Qingliang1，JI Hua2，ZHU Jun2
（1.SAIC Motor Passenger Vehicle Co.，Ltd.，Shanghai 200245，China；2.China Aerospace Science and Technoloy Co.，Shanghai 200245，China）

Weld 6016-T4 and 5182-O dissimilar metal joint by refill type friction stir spot welding(FSSW)technology，to study the microstructure and mechanical properties.Shear tensile properties as the main evaluation index to get the optimal process parameters the depth of 1.5 mm，rotate speed is 2 200 r/min，welding time is 2.5 s，the average shear force is 2 950 N.Fatigue limit load F=296 N，the fatigue fracture cracks originate in the joint that between two plates，at the same time extend in the direction of thickness and width.There is no as-cast columnar crystal in the microstructure of the joints，and are isometric crystal and slightly bigger organization than parent metal grain，having good joint properties.

refill type friction stir spot welding；mechanical property；6016-T4 aluminum alloy；5182-O aluminum alloy

TG407

A

1001－2303（2017）02－0080-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.02.15

2016-11-28；

2016-12-15

何玉松（1984—），男，上海人，工程师，学士，主要从事材料的开发与认可工作。

献

何玉松，叶青亮，吉华，等.6016-T4和5182-O铝合金回填式搅拌摩擦点焊力学性能研究[J].电焊机，2017，47（02）：80-83.