6061铝合金接头成形质量及性能与搅拌摩擦焊工艺参数关系的研究

2017-09-03彭春明孙金睿唐华坤尹志远

焊接 2017年7期

关键词：纹路成形铝合金

朱海孙龙彭春明孙金睿唐华坤尹志远

(1.东北林业大学机电工程学院，哈尔滨 150040; 2.宝鸡钢管克拉玛依有限公司,陕西宝鸡 834000)

6061铝合金接头成形质量及性能与搅拌摩擦焊工艺参数关系的研究

朱海1孙龙1彭春明2孙金睿1唐华坤1尹志远2

(1.东北林业大学机电工程学院，哈尔滨 150040; 2.宝鸡钢管克拉玛依有限公司,陕西宝鸡 834000)

针对3 mm厚6061铝合金板，进行搅拌摩擦焊工艺参数对接头成形质量与性能的方向研究。轴肩下压量主要影响接头成形，搅拌头转速和焊接速度主要影响接头质量，通过改变上述一次参数，观察并分析接头成形和抗拉强度的变化情况。结果表明，当轴肩下压量为0.2 mm时，焊缝表面成形好、缺陷少且抗拉强度高；搅拌头转速较高或焊接速度较低时，焊缝表面成形好、强度高且鱼鳞状纹路稳定、明显；当搅拌头转数为950 r/min、焊接速度为37.5 mm/min时，焊接接头成形好、抗拉强度最大，并且只有在搅拌头转速与焊接速度相匹配的条件下，才能获得高抗拉强度的焊接接头。

搅拌摩擦焊 6061铝合金接头质量抗拉强度

0 序言

搅拌摩擦焊自1991年发明以来，凭借成本低，无污染，接头无气孔、裂纹等缺陷，且焊后残余应力及变形小等诸多优点[1]，如今得到长足发展和应用。在焊接过程中，搅拌针周围被焊材料的产热、塑化及流动行为是形成接头的基础[2]，如果焊接工艺参数选取不当，焊接接头会出现不同形式的缺陷，如飞边、孔洞、沟槽等[3]。而搅拌摩擦焊对于不同材料、不同系列、不同规格的被焊件，有着不同且独立的最佳工艺窗口，所以研究焊接工艺参数对3 mm厚6061铝合金焊接接头成形和抗拉强度的影响具有必要性和重要意义。

6061铝合金具有良好的塑性和耐腐蚀性[4]，同时冷加工性和焊接性能优异[5]，所以作为结构材料被广泛使用。而铝合金由于热导率高，熔焊时易形成气孔和热裂纹[6]，故焊后力学性能较差。特别是薄板铝合金焊后变形大，但搅拌摩擦焊对薄板铝合金来讲，是一个很好地解决方案。

1 试验材料及方法

试验所用材料为3 mm厚6061-T6铝合金轧制板材，焊前用砂纸打磨铝合金待焊表面，并将其用压板及夹具固定在10 mm厚钢质垫板上。搅拌摩擦焊设备为安装搅拌头的X52K立式铣床。搅拌头材料为热作模具钢H13，搅拌针为锥形结构，直径为3.4 mm，长2.7 mm，轴肩底面为平面，直径为10.4 mm；搅拌头倾斜角固定为2°。文中把能够直接控制的工艺参数称为一次参数，包括：搅拌头形状和尺寸、搅拌头转数、焊接速度、轴肩下压量、搅拌头倾角；把摩擦热、温度场、位移场等受一次参数影响，不宜直接控制和测量的参数，称为二次参数。一次参数对焊接质量的影响存在交互作用，单独考虑一次参数的变化不能获得良好的接头质量，还需分析试验参数的相互影响。该试验中主要变量为一次参数，包括：搅拌头转速、焊接速度和轴肩下压量，其他条件不变。通过设置这三个参数，获得不同的焊接接头，观察接头成形情况并对其进行拉伸试验。

2 试验结果与分析

2.1 一次焊接参数对焊缝的成形质量的影响

焊接接头的成形由多种因素决定。一般认为焊缝表面鱼鳞状纹路清晰，无明显缺陷的焊接接头成形质量良好。若搅拌头形状、轴肩下压量、焊接速度、搅拌头转速等参数选取不当，会产生飞边、孔洞、沟槽、未焊透等缺陷，细微观察后发现，工艺参数对焊缝表面鱼鳞状纹路的形成也有影响。下面主要分析不同主要工艺参数下焊接接头的成形情况。

2.1.1 轴肩下压量的影响

轴向下压力是通过搅拌头轴肩压入量的大小加以控制。试验选择三种轴肩下压量，分别为0.1 mm,0.2 mm和0.4 mm。当轴肩下压量为0.1 mm时，焊接接头成形较差，力学性能较低，出现沟槽和未焊合缺陷，如图1a～1b所示。当下压量为0.1 mm时，焊接时轴向压力过小，热输入严重不足且发生塑性形变的材料大量减少，进一步造成了材料的流动性降低，造成前进侧的塑性材料从后退侧绕流以后不能回填到前进侧，在焊缝表面形成孔洞，在孔洞的范围发生扩展后，最终形成了贯通焊缝上表面的沟槽缺陷；同时，根部的金属没有发生充分搅拌与塑性变形，导致未焊透。当压入量为0.2 mm时，焊缝无明显缺陷且表面鱼鳞状纹路清晰，成形良好，如图1c所示。当压入量为0.4 mm时，焊缝表面形成大量飞边，如图1d所示。焊接焊缝表面的飞边主要受轴肩下压量的影响，搅拌头轴肩、搅拌针和未熔化的金属形成一个“挤压模”，塑性变形的金属材料在“挤压模”中流动，当轴肩压入量为0.4 mm时，焊接压力过大，“挤压模”的体积小于正常焊接时的体积，导致较多的塑性材料从轴肩两侧挤出，冷却后沿焊缝一侧或两侧形成飞边，故力学性能较低。

图1 轴肩下压量对焊缝成形的影响

2.1.2 焊接速度的影响

当金属流动不够充分时，接头会出现孔洞缺陷，孔洞缺陷主要受焊接速度的影响。文中试验在压入量为0.2 mm、搅拌头转数为750 r/min、焊接速度为95 mm/min时，接头成形虽好，但底部出现孔洞缺陷，如图2所示。这是由于搅拌头转速较低、焊接速度较快时，搅拌针产热及搅拌作用不足使焊接过程中热输入不足，金属的流动不充分，无法形成一个密闭的空腔，从而使接头底部材料未完全闭合形成孔洞。

2.1.3 搅拌头转速、焊接速度的交互影响

其他条件不变的情况下，固定搅拌头转数或焊接速度其中之一，改变另一个参数，发现不同工艺参数影响焊缝表面鱼鳞状纹路的形成。鱼鳞状纹路的出现表示焊接两侧材料流动性好，接头质量高；同时，鱼鳞状纹路的间距越小，材料流动更加均匀，可以得到更好的焊接接头。文中通过多组试验，发现在较高的搅拌头转速和适当的焊接速度下，焊接接头形成良好且稳定的鱼鳞状纹路；相同转速下，焊接速度减小会得到鱼鳞状纹路间距小的接头。当压入量为0.2 mm、搅拌头转速为600 r/min、焊接速度为60 mm/min时，得到无明显鱼鳞状纹路的直线型焊缝表面，如图3a所示；当压入量为0.2 mm、搅拌头转速为1 180 r/min、焊接速度为60 mm/min时，表面可获得稳定的鱼鳞状纹路，如图3b所示；当压入量为0.2 mm、搅拌头转速为1 180 r/min、焊接速度为37.5 mm/min时，表面可获得间距更小的鱼鳞状纹路，如图3c所示。这是由于在焊接速度一定时，搅拌头转速越高，热输入比较高，焊核区大且层状结构更加稳定，进而塑性金属流动性较好，接头成形好；当转速一定时，随着焊接速度适当减小，焊核区变形大，焊缝两侧材料流动更加均匀，接头质量高。

图2 焊接接头孔洞缺陷

图3 工艺参数对焊缝表面鱼鳞状纹路的影响

2.2 一次工艺参数对接头力学性能的影响

2.2.1 焊接速度与抗拉强度的关系

在其他条件不变的情况下，设置轴肩下压量为0.2 mm、搅拌头倾角为2°。固定搅拌头转速，改变不同焊接速度进行焊接，得到的焊接焊缝表面成形较好，对其进行拉伸试验。焊接接头抗拉强度与焊接速度的关系如图4所示。

图4 不同焊接速度时抗拉强度曲线图

由图4可知，4条曲线对应搅拌头转速分别为600 r/min,750 r/min,950 r/min和1 180 r/min时焊接接头的抗拉强度。分析图4可知，当转速为600 r/min时，无论焊接速度在23.5～60 mm/min内如何变化，其抗拉强度都较低，并且随着焊接速度的增加，接头抗拉强度逐渐降低；当转速提高到750 r/min时，接头抗拉强度得到一定提高，随着焊接速度的增加，抗拉强度在37.5 mm/min时达到最大，然后又开始逐渐降低，但整体上强度仍处于较低水平；当转速提高到950 r/min时，出现抗拉强度明显升高的区间，在焊接速度为37.5 mm/min时，抗拉强度达到峰值，为208 MPa，达到母材73.66%；当转速达到1 180 r/min时，具有与950 r/min相似的规律，不同的是在焊接速度为47.5 mm/min时，抗拉强度达到峰值，为203 MPa，达到母材72.09%。转速较低的两条曲线在焊接速度为23.5 mm/min时的抗拉强度均高于60 mm/min时的抗拉强度，这是因为低转速时，焊接速度的增加会导致热输入降低，塑性化金属流动和回填能力降低，接头抗拉强度减弱。

对比搅拌头转速为950 r/min和1 180 r/min这两条曲线，可以看出：搅拌头转速为950 r/min时，焊接速度自23.5 mm/min到47.5 mm/min这段曲线与搅拌头转速为1 180 r/min时，焊接速度自37.5 mm/min到60 mm/min这段曲线趋势非常相似，由此可大致认为对于搅拌头转速为1 180 r/min的焊接参数来说，950 r/min的接头抗拉强度较高的区域向较高的焊接速度方向有了一个平移，即搅拌头转速越高时，若要获得抗拉强度较大的焊接接头，焊接速度需要更大。只有在转速与焊接速度相匹配的条件下，焊接过程中的热输入在一个适合的区间，才能得到高抗拉强度的接头；焊接参数不匹配，会影响热输入和塑性化金属的流动与回填，使接头抗拉强度有所下降。

由以上分析可知：用搅拌摩擦焊焊接3 mm厚6061铝合金板时，当搅拌头转速较高时，接头抗拉强度较高，但是在转速不变时，过低和过高的焊接速度都得不到高强度的焊接接头。对应每个转速，都存在一个焊接速度的合适区间，在此区间中，能得到高强度的焊接接头。

2.2.2 搅拌头转速与抗拉强度的关系

在其他条件不变的情况下，设置轴肩下压量为0.2 mm、搅拌头倾角为2°。固定焊接速度，改变搅拌头转速进行焊接，得到的焊接焊缝表面成形较好，对其进行拉伸试验。焊接接头抗拉强度与搅拌头转速的关系如图5所示。

图5 不同搅拌头转速下抗拉强度曲线图

图5中，4条曲线分别对应着焊接速度为23.5 mm/min,37.5 mm/min,47.5 mm/min和60 mm/min时焊接接头的抗拉强度。当焊接速度为23.5 mm/min时，无论搅拌头转速如何变化，接头抗拉强度均处于较低水平，最大值出现在转速为600 r/min时，为194 MPa，并且随着转速的提高，焊接接头的抗拉强度不断降低；当焊接速度为37.5 mm/min时，接头强度得到较高，呈现升高后降低的趋势，在950 r/min时达到峰值208 MPa，但是当转速达到1 180 r/min时，接头抗拉强度明显下降；而对于高焊接速度47.5 mm/min和60 mm/min这两条曲线来说，低转速时接头抗拉强度都比较低，随着转速的升高，接头的抗拉强度逐渐升高。焊接速度为47.5 mm/min时，曲线上各点的抗拉强度均大于焊接速度为60 mm/min时对应各点的抗拉强度，而且在转速大于950 r/min时，抗拉强度均有明显的升高，两条曲线的斜率也相似，均有保持高抗拉强度的趋势。

从图5可以得出，当焊接速度不断增大，必须提高搅拌头转速才能得到抗拉强度较高的接头；当焊接速度一定时，存在一个合适的搅拌头转速区间，在此区间内接头抗拉强度才能达到较高值，如果超过这个范围，焊接工艺参数不匹配，则造成抗拉强度降低。