搅拌头转速对铝合金双轴肩搅拌摩擦焊接头组织性能影响的研究*

邓 军，赵运强，谭锦红，董春林

广东省焊接技术研究所(广东省中乌研究院)，广东 广州 510650

搅拌头转速对铝合金双轴肩搅拌摩擦焊接头组织性能影响的研究*

邓 军，赵运强，谭锦红，董春林

广东省焊接技术研究所(广东省中乌研究院)，广东 广州 510650

在不同搅拌头转速下对3 mm厚的6063-T4铝合金进行双轴肩搅拌摩擦焊接．结果表明：当焊接速度为200 mm/min时，搅拌头转速在400～700 r/min的范围内，均可获得成形美观、无内部缺陷的接头；随着转速的增加，接头搅拌区范围有所降低，晶粒尺寸有所增大，沉淀相粗化更为明显；同时，热机影响区范围有所增加，晶粒变形更为剧烈，与搅拌区组织的差异更为明显；各区域硬度值均有所降低，热影响区范围也有所增大．当转速为400 r/min时，接头强度达到最高为173 MPa，接头强度系数为85%，伸长率18.3%．

6063铝合金；双轴肩搅拌摩擦焊；微观组织；力学性能

搅拌摩擦焊(Friction stir welding，FSW)是近年来发展起来的新型固相连接技术，与传统熔化焊相比，具有焊接热软化作用小、接头的力学性能高及焊接变形小等诸多优点，现已被广泛应用于铝合金等低熔点金属的焊接．双轴肩搅拌摩擦焊是从常规单轴肩搅拌摩擦焊衍生而来，用上下两个轴肩的搅拌头对工件进行焊接，焊接时搅拌针穿透被焊工件的同时，下轴肩代替常规搅拌摩擦焊的垫板对工件进行背部支撑．该技术不仅可以实现有中空结构部件的搅拌摩擦焊接，而且还可改善接头厚度方向组织的不对称性，消除根部未焊合等常规搅拌摩擦焊的不足，进而改善接头的力学性能[1]．

铝合金储量大，其具有比强度高、易于加工等诸多优点，被广泛应用于航空航天、轨道客车及汽车制造等领域中[2-3]．具有中空结构的铝合金型材被大量应用于高铁行业中，而铝合金型材的焊接技术成为高铁车身生产技术的关键．传统的熔化焊存在焊接变形大、接头软化严重的问题，严重降低了产品的可靠性和安全性[4-5]．针对上述问题，本文开展针对铝合金的双轴肩搅拌摩擦研究，通过揭示搅拌头转速这一关键工艺参数对材料接头组织性能影响，从而优化焊接工艺，为双轴肩搅拌摩擦焊的应用推广提供理论基础及技术指导．

1 试验部分

1.1 试 样

选用尺寸为3 mm × 50 mm × 300 mm的6063-T4铝合金板材作为被焊材料，其化学成分和力学性能列于表1．

1.2 方 法

所用双轴肩搅拌头为平轴肩配合柱状搅拌针，上下轴肩直径为16 mm、轴肩间隙为2.9 mm、搅拌针直径为8 mm，焊接试验在FSW-3LM-003型龙门式搅拌摩擦焊机上进行．焊前工件经机械打磨后用

表1 6063-T4铝合金化学成分及力学性能

丙酮擦拭，以去除表面氧化膜及油污．焊接时固定焊接速度为v=200 mm/min，变化搅拌头转速ω=400～800 r/min，在不同的搅拌头转速下对工件进行焊接，以研究不同的搅拌头转速对接头组织及力学性能的影响．

焊后沿垂直于焊接方向截取接头的横截面，经打磨和抛光处理后，用混合酸溶液(1 mL氢氟酸+1.5 mL盐酸+2.5 mL硝酸+95 mL水)对试样进行腐蚀，用光学显微镜(OM)对接头微观组织进行分析．在抛光试样的横截面上，沿厚度中线进行显微硬度测试．按照国标GB/T2651-2008焊接接头拉伸测试方法，用数控电火花切割机将接头加工成标准拉伸试样．在不同工艺参数下所获得的接头选取三个拉伸试样，在INSTRON-1186型力学性能测试机上进行拉伸试验，试验结果的平均值作为拉伸性能评价标准，同时用扫描电镜(SEM)对拉伸试验样的断口特征进行分析．

2 试验结果及分析

2.1 焊缝成形

图1为不同搅拌头转速下焊缝表面成形．从图1可见：当转速较低时，焊缝表面成形良好，鱼鳞纹细密均匀(图1(a)和图1(b))；随着转速的增加，鱼鳞纹更加细密，但是在较大的焊接热输入下材料的粘度有所降低，跟随搅拌头的旋转流动的能力有所降低，因此在焊缝后退侧的飞边有所增加(图1(c)和图1(d))；进一步增加焊接转速，较大的焊接热输入造成焊缝金属粘度进一步降低，从而无法很好地跟随旋转搅拌头进行流动，此时前进侧所产生的瞬时空腔无法获得很好的回填，最终滞留在焊缝后退侧的塑性金属形成了较大飞边，在焊缝前进侧形成了明显的沟槽缺陷(图1(e)和图1(f))．

图1 不同搅拌头转速下焊缝表面成形(a) ω =400 r/min，上表面；(b) ω =400 r/min，下表面；(c) ω =600 r/min，上表面；(d) ω =600 r/min，下表面；(e) ω =800 r/min，上表面；(f) ω =800 r/min，下表面Fig.1 Weld formations at different tool rotation speeds(a)ω =400 r/min，up surface；(b) ω =400 r/min，down surface；(c) ω =600 r/min，up surface；(d) ω =600 r/min，down surface；(e) ω =800 r/min，up surface；(f) ω =800 r/min，down surface

2.2 接头的微观组织

图2 不同搅拌头转速下接头横截面Fig.2 Cross-sections of joints at different tool rotation speeds (a)ω =500 r/min；(b) ω =600 r/min；(c) ω =700 r/min

不同搅拌头转速下接头横截面宏观形貌如图2所示．从图2可见：与单轴肩搅拌摩擦焊相类似，可将双轴肩搅拌摩擦焊接头分为搅拌区(SZ)、热机影响区(TMAZ)和热影响区(HAZ)；由于双轴肩搅拌摩擦焊上下两个轴肩对称的热机作用，最终形成上下表面宽而中间窄的特征，与常规单轴肩搅拌摩擦焊碗装的接头特征相比，这将显著提高接头厚度方向组织的对称性；随着搅拌头转速的增加，搅拌区的范围有所减小，这是由于当搅拌头转速较高时，较高的焊接热输入造成塑性金属粘度较小，能够跟随旋转搅拌头发生塑性流动的塑性金属也较少，因此搅拌区的范围较窄．

图3为不同搅拌头转速下接头搅拌区的微观组织．在所选工艺参数内，搅拌区金属经历较大的塑性变形和热输入，发生动态再结晶而形成细小的等轴晶，第二相质点分布在晶界处及基体内．从图3可见，随着转速的增加，冷却时第二相质点析出有所增多，晶界更为明显，而晶粒尺寸变化不大．这是由于转速高时，塑性金属位错密度大，再结晶时形核率高，但较大的热输入使晶粒长大作用更明显，在两种因素的作用下晶粒尺寸变化不大．

图4为不同转速下热机影响区的微观组织．从图4可见，随着转速的增加，热机影响区的范围变大，晶粒变形更为剧烈．这主要是由于转速较高时，较大的热输入导致热机影响区的材料软化更为严重，同时搅拌头的搅拌作用也更强烈，因此该区域材料发生更为剧烈的塑性变形．同时热机影响区与搅拌区的组织差异也更为明显，分界线更为清晰．

图3 不同转速下搅拌区微观组织Fig.3 Microstructures of joints at at different tool rotation speeds(a)ω=400 r/min；(b) ω=500 r/min；(c) ω=600 r/min

图4 不同转速下热机影响区微观组织Fig.4 Microstructures in TMAZs at different tool rotation speeds(a)ω=400 r/min；(b) ω=500 r/min；(c) ω=700 r/min

2.3 接头的力学性能

2.3.1 显微硬度分布

不同转速下接头硬度分布如图5所示．从图5可以看出，硬度曲线大体呈W形，搅拌区硬度值高于热影响区，但低于母材．这是由于搅拌区域内金属组织发生动态再结晶且晶粒细小，因此该区的硬度值高于热影响区的；但由于焊核温度较高，弥散强化相发生粗化，使沉淀强化作用减弱，导致该区的硬度值低于母材的．热影响区受到焊接热作用影响，沉淀相同样粗化并转变为与基体非共格的β相，使沉淀强化作用减弱且晶粒尺寸大于搅拌区的，因此最低硬度值出现在热影响区，成为接头的薄弱环节．与常规搅拌摩擦焊相比，双轴肩搅拌摩擦焊接头热影响区范围更大，达到15～20 mm，随着与焊缝中心距离的增大，材料受热减小，硬度值逐渐增高至与母材等强．从图5还可见，随着搅拌头转速的提高，硬度值有所降低，这是由于搅拌区在较大热输入作用下沉淀相更为粗化，晶粒尺寸有所增加造成的；同样随着搅拌头转速的提高，热影响区范围也有所增大，最低硬度值也略有降低．

图5 不同转速下接头限位硬度分布Fig.5 Hardness distributions in joints at different tool rotation speeds

2.3.2 拉伸性能

图6为不同搅拌头转速下接头的抗拉强度及断后伸长率．从图6可见：随着焊接转速的增加，在转速400～700 r/min范围内接头的抗拉强度略有下降，断裂位置均处于前进侧热影响区；伸长率呈现先增大后减小的趋势．当ω=400 r/min时，接头强度达到最高为173 MPa，接头强度系数为85%，伸长率为18.3%；当转速提高到800 r/min时，由于热输入过大，焊缝产生严重沟槽缺陷，接头的力学性能显著下降．

3 结 论

(1)当焊接速度为200 mm/min时，搅拌头转速在400～700 r/min的范围内，均可获得成形美观且无内部缺陷的接头．

图6 不同转速下接头抗拉强度及断后伸长率Fig.6 Tensile strength and elongations of joints at different tool rotation speeds

(2)随着转速的增加，接头搅拌区的面积有所降低，晶粒尺寸有所增大，沉淀相粗化更为明显．同时，热机影响区范围有所增加，晶粒变形更为剧烈，与搅拌区组织的差异更为明显．

(3)随着转速的增加，搅拌区的硬度值有所降低，热影响区范围也有所增大，最低硬度值略有降低，断裂位置为接头的热影响区．

(4)当ω=400 r/min时，接头强度达到最高为173 MPa，接头强度系数为85%，伸长率18.3%．

[1] 刘会杰，赵运强，侯军才．自持式搅拌摩擦焊研究[J]．焊接，2010(11)：7-10．

[2] 董春林，栾国红，关桥．搅拌摩擦焊在航空航天工业的应用发展现状与前景[J]．焊接，2008 (11)：25-31．

[3] 周利，刘朝磊，王计，等．双轴肩搅拌摩擦焊技术研究现状[J]．焊接，2015 (16)：14-18．

[4] 张健，李光，李从卿，等．2219-T4铝合金双轴肩FSW与常规FSW接头性能对比研究[J]．焊接，2008 (11)：50-52．

[5] 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．

Effect of tool rotation speed on microstructure and mechanical properties of bobbin tool friction stir welded aluminum alloy joints

DENG Jun，ZHAO Yunqiang，TAN Jinhong，DONG Chunlin

GuangdongWeldingInstitute(China-UkraineE.O.PatonInstituteofWelding)，Guangzhou510650，China

Bobbin tool friction stir welding was applied to join 3mm thick 6063-T4 aluminum alloy．When the welding speed was 200 mm/min and the tool rotation speed was in range from 400 to 700 mm/min，the sound weld with good formation and without defects can be obtained．With the increase of tool rotation speed，the size of the stir zone (SZ) decreased，the grain and precipitates sizes in this zone increased．In addition, with the increase of tool rotation speed，the size of thermo-mechanically affected zone (TMAZ) increased，the deformation of the grains was more intense，and the microstructure difference between the TMAZ and SZ was more obviously．The hardness in each zone decreased with the increase of tool rotation speed，and the size of heat affected zone increased．The tensile strength of the optimal joint was 173 MPa with the joint coefficient of 85% and the elongation of 18.3% at the tool rotation speed of 400rpm．

6063 aluminum alloy；bobbin tool friction stir welding；microstructure；mechanical property

2017-05-22

广东省科学院实施创新驱动发展能力建设专项资金项目(2017GDASCX-0847)；广东省应用型科技研发专项资金项目(2015B090922011)；广东省重点实验室建设项目(2012A061400011)

邓军(1983-)，男，湖南永州市人，本科，工程师.

1673-9981(2017)02-0084-05

TG453.9

A