5052/6061异种铝合金薄板搅拌摩擦焊接工艺研究

王勇强，王进，王梦婷，李宝阁，张会

5052/6061异种铝合金薄板搅拌摩擦焊接工艺研究

王勇强，王进，王梦婷，李宝阁，张会

（青岛理工大学 机械与汽车工程学院，山东 青岛 266000）

研究焊接速度、搅拌头旋转速度和下压量对异种铝合金搅拌摩擦焊接头力学性能的影响，找出最佳工艺参数，从而进一步提高接头的力学性能。采用正交实验法对1.5 mm厚5052/6061异种铝合金搅拌摩擦焊接进行实验设计，焊接完成后，观察焊缝宏观形貌，然后将试件制成标准拉伸试样进行拉伸实验，拉伸实验完成后用扫描电镜观察焊接接头的断口形貌，最后运用极差分析法和方差分析法分别对实验结果进行分析。在选取的工艺参数范围内，搅拌头旋转速度影响最大，其次是焊接速度，下压量影响最小。当焊接速度为120 mm/min、转速为1 400 r/min、下压量为1.5 mm时，接头抗拉强度达到了最大值194 MPa，伸长率也达到了最大值9.62%。在一定工艺参数范围内，提高焊接速度或搅拌头的旋转速度能显著提高接头的力学性能，而下压量对接头力学性能影响不显著。

异种铝合金；搅拌摩擦焊；接头力学性能；正交实验

铝合金以其密度低、耐腐蚀性能好、导电导热性能优良等优点，广泛应用于航空航天、汽车工业、机械制造等领域[1]。不同种类的铝合金性能相差较大，导致每种铝合金的应用场合有所不同，但是在一些高要求的场合中，零件的不同部位需要具有不同的使用性能，单一铝合金不能满足其要求，因此，异种铝合金材料的焊接显得尤为重要[2]。英国焊接研究所研发的一种新型固相连接技术——搅拌摩擦焊，具有焊接接头质量高、焊件变形小、对环境污染小等特点[3]。不同材料的力学性能、物理化学性能及微观结构等存在较大差异，但是搅拌摩擦焊比传统焊接方法对材料的适应性更强，从而能够有效克服这些性能差异对焊接造成的困难，故而使用搅拌摩擦焊连接异种材料具有很大的应用前景[4]。搅拌摩擦焊在薄板焊接时有其独特的优势，并且特别适用于铝合金薄板的焊接[5]。

近年来国内外许多研究者对异种铝合金的搅拌摩擦焊接进行了相关研究。Ravi等[6]对AA6061和A6082铝合金搅拌摩擦焊接头的力学性能和温度变化进行了优化分析，研究表明，焊接接头的抗拉强度随刀具转速的增加而增加，焊接接头具有一致的非对称硬度分布，焊接截面搅拌区晶粒尺寸明显小于相邻的热机械影响区和热影响区。Anil等[7]针对AA3103和AA7075铝合金板材进行了搅拌摩擦焊接，优化了其工艺参数，研究发现，在搅拌头旋转速度为1 200 r/min、焊接速度为15 mm/min时，采用三角销型工具进行搅拌摩擦焊接，可以生产出高质量的焊缝。Shunmugasundaram等[8]将搅拌摩擦焊接工艺应用于不同铝合金AA6063和AA5052板的焊接，并采用正交实验设计对工艺参数进行了优化，结果显示，工具头转速为850 r/min、焊接速度为20 mm/min、搅拌头倾斜角度为2° 时，焊接接头抗拉强度达到最大。Msomi等[9]研究了1050-H14和5083-H111铝合金搅拌摩擦焊接头的质量，结果发现，焊接接头的拉伸性能高于AA1050-H14母材，但低于AA5083-H111母材，搅拌区显微硬度高于AA1050-H14母材，但与AA5083-H111母材在相同范围内，搅拌区晶粒尺寸接近AA5083-H111母材，搅拌区形貌也与母材AA5083-H111相似，显微硬度的测定结果与拉伸性能一致。常学斌等[10]研究了板材的相对位置对5083和6082铝合金板材焊接接头力学性能的影响，研究发现，在前进侧时，6×××系铝合金的焊接接头力学性能要好于5×××系铝合金。Dewangan等[11]研究了焊接速度对7075和5083同种与异种铝合金搅拌摩擦焊接接头质量的影响，研究发现，在20 mm/min的焊接速度下，AA7075和AA5083异种铝合金的焊接接头质量更高，同种铝合金的搅拌摩擦焊在45 mm/min的焊接速度下可以获得更高质量的接头，与同种铝合金焊接相比，异种铝合金焊接需要更高的热输入量。Kumar等[12]基于响应面法研究了不同工具参数（工具头直径、工具头偏移量、工具头倾角）对5083-H111和6082-T6异种铝合金搅拌摩擦焊接接头力学性能的影响，结果表明，当工具头直径为18 mm、偏移量为0 mm、倾角为1°时，焊接接头的力学性能最好。Raturi等[13]研究了不同搅拌头旋转速度、焊接速度和工具销轮廓对AA6061-T6和AA2014-T6异种铝合金搅拌摩擦焊接头拉伸和冲击性能的影响，结果表明，与TIF（带有3个断续的平面）工具销相比，使用TPZ（截顶的方形金字塔形）工具销在较低的搅拌头旋转速度和焊接速度下，就能得到抗拉强度和抗冲击性能较好的焊接接头。Ramana等[14]研究了刀具转速和进给速度对5082和6061同种与异种铝合金搅拌摩擦焊接头的影响，结果表明，对于5082同种铝合金，在刀具转速为2 600 r/min和进给速度为20 mm/min时，焊接接头的力学性能得到了改善，抗拉强度提高了22.2%；对于6061同种铝合金，刀具转速和进给速度对接头力学性能影响不大；对于5082和6061异种铝合金焊接件，在低速（20 mm/min）和高速（1 600 r/min）的进给速度下，焊接接头的力学性能都会得到改善。

文中以1.5 mm厚5052/6061异种铝合金薄板为研究对象。在正交实验的基础上，通过改变每个工艺参数的水平对2种不同铝合金进行搅拌摩擦焊接，然后通过拉伸实验得出不同工艺参数下焊缝的抗拉强度和伸长率，并对实验结果分别进行极差分析和方差分析。

1 实验

1.1 材料与设备

实验所用材料为广西南南铝加工有限公司提供的5052和6061铝合金，供货状态为O态（O态铝合金为退火态铝合金，是工厂经过退火处理后得到的产品），其化学成分和各项参数性能分别如表1和表2所示（材料的化学成分与各项参数性能均由厂家提供），尺寸为120 mm×60 mm×1.5 mm。

表1 铝合金5052和6061的化学成分（质量分数）

Tab.1 Chemical composition of aluminum alloys 5052 and 6061 (mass fraction) %

表2 铝合金5052和6061的各项参数性能

Tab.2 Properties of aluminum alloys 5052 and 6061 under various parameters

焊接实验在航天工程装备有限公司制造的HT-JC6×8/2型二维搅拌摩擦焊接设备上进行。采用对接焊接，搅拌头轴肩直径为10 mm，搅拌针端部直径为4 mm，搅拌针长1.2 mm（搅拌头形貌如图1所示）。

图1 搅拌头形貌

1.2 实验方案

选取搅拌头焊接速度、旋转速度、下压量作为正交实验的3个因素，每个因素取3个水平，正交实验各因素水平如表3所示，具体实验方案和结果如表4所示。实验过程中，6061始终保持在前进侧，5052始终保持在后退侧。

表3 正交实验各因素水平

Tab.3 Factors and levels of orthogonal experiment

表4 正交实验方案和结果

Tab.4 Orthogonal experiment scheme and results

2 结果与分析

2.1 实验结果

在搅拌摩擦焊机床上按照正交实验方案进行焊接，实验完成后，将焊接接头加工成标准拉伸试样。在WDW-50KN型拉伸机上进行室温拉伸实验，拉伸速度为1 mm/min。

焊缝的宏观形貌如图2所示。通过对焊接接头宏观形貌进行观察可以发现，图2a中试样焊缝表面良好无缺陷；图2c中试样焊缝表面有大量毛刺，还有起皮现象出现，毛刺和起皮现象的出现都可能与焊接参数选择不当导致热输入量较大有关；图2b中试样焊缝表面有大量飞边出现，飞边的产生与搅拌头的下压量密切相关，下压量越大，产生的飞边越多，飞边影响焊缝的美观，但通常并不影响接头的力学性能[15]。

图2 焊缝的宏观形貌

图3为5052/6061异种铝合金搅拌摩擦焊接头室温拉伸实验的工程应力-应变曲线。由图3可以看出，应力-应变曲线没有明显的屈服阶段，试样会产生均匀塑性变形，在出现明显颈缩后断裂[16]。由图3还可以明显观察到，不同工艺参数下焊接接头的力学性能差别很大。其中，5#试样的抗拉强度和伸长率最高，分别为194 MPa和9.62%，9#试样的抗拉强度最低和伸长率最低，分别为165 MPa和3.35%。由此可见，焊接工艺参数对接头的拉伸性能具有非常重要的影响。

图3 焊接接头室温拉伸实验工程应力-应变曲线

焊接接头断裂的宏观形貌如图4所示，从焊接接头的宏观形貌可以看出，接头的断裂位置都集中在焊缝区，这是因为焊接过程中，在摩擦热和机械力的作用下，焊缝区的金属晶粒会发生细化和重新分布，并且第二相粒子也会出现细化和重新分布，从而降低了材料的断裂韧性，直接导致焊缝区材料的断裂抗力下降[17-18]。

采用扫描电镜对试样接头断口形貌进行观察，试样接头形貌如图5所示。从图5可以看出，焊缝区断口为典型韧窝断裂，断口上布满了大小不一的韧窝。此外，大韧窝的窝里还分布着许多小韧窝，大韧窝的平均直径为30 μm，小韧窝的平均直径为10 μm。进一步观察还可以发现断口处存在着许多撕裂状韧窝，说明接头塑性较好，为韧性断裂。韧性断裂是微孔形成、变大和连接的过程，而韧窝是断裂过程中微孔分离的痕迹[19]。

2.2 极差分析

运用极差分析的方法分析表4中的数据，分析结果见表5。极差越大，表明因素对实验结果的影响也越大[20]。从极差分析的结果可以发现，对接头抗拉强度影响最大的是因素（搅拌头旋转速度），其次是（焊接速度），（下压量）影响最小。通过极差分析得到的最佳实验方案为223，即5#实验方案，其最大抗拉强度为194 MPa，达到了5052母材的91.51%，6061母材的93.72%，伸长率为9.62%。

图4 焊接接头断裂的宏观形貌

表5 极差分析计算结果

Tab.5 Range analysis and calculation results

以各实验方案的因素水平为横坐标，以抗拉强度和伸长率为纵坐标，绘制随着各因素水平的变化抗拉强度和伸长率的变化趋势，如图6所示。由图6a可知，随着焊速的增加，焊接接头的抗拉强度先略有增加，然后缓慢下降，这是因为当焊速过快时，搅拌摩擦焊接产生的热量来不及让其周围的金属达到热塑性状态，因此无法形成完美的焊缝，但是当焊速太慢时，搅拌头摩擦产生的热量过多，当焊核区的金属温度快要达到金属熔点时，会使焊缝表面变得不平整，并且会因为过烧使内部金属出现疏松现象[15]。因此，要想得到性能良好的焊接接头，必须要保持一定的焊接速度。由图6b可知，随着搅拌头旋转速度的增加，焊接接头的抗拉强度先小幅度上升，后显著下降，这是因为当搅拌头的旋转速度较低时，产生的摩擦热不足以形成塑性流动层，其结果是不能实现良好的固相连接，焊缝中易形成孔洞等缺陷，从而导致接头抗拉强度较低，随着搅拌头转速的提高，摩擦热源增大，热塑性流动层由上而下逐渐增大，从而使焊缝中的孔洞逐渐减小，当搅拌头旋转速度增加到一定值时，孔洞便会消失，然后就会形成致密的焊缝[21]，但如果搅拌头转速过高，则搅拌针周围和轴肩下方的材料温度会过高，形成其他缺陷，从而导致接头抗拉强度降低[15]；由图6c可知，随着下压量的增加，焊接接头的抗拉强度只有小幅度上升，但是基本趋于稳定状态，说明下压量对抗拉强度的影响较小。

伸长率越大，说明焊接接头的塑性越好。由图6可以看出，伸长率的变化趋势与接头抗拉强度的变化趋势基本保持一致，说明工艺参数的改变会同时引起抗拉强度和伸长率的改变，并且改变趋势基本相同。当抗拉强度达到最大值194 MPa时，伸长率也达到了最大值9.62%，是5052母材的56.59%，6061母材的64.13%。

2.3 方差分析

由于极差分析不能估计实验过程和测定实验结果中必然存在的误差大小，故不能保证分析结果的准确性，而方差分析方法能够区分由因素水平和误差波动引起的实验结果之间的差异，从而弥补了极差分析法的不足[22]，所以文中又进行了方差分析，相应的方差分析结果见表6。在统计学中常根据值分析显著性水平表，从而得到相应的值（概率），其中规定当<0.05时为显著影响因素，当<0.01时为极其显著影响因素。由方差分析结果可以看出，3种工艺参数中（焊接速度）和（搅拌头旋转速度）对焊接接头力学性能有显著影响，且影响极其显著，（下压量）影响不显著，这与极差分析结果相同，进一步证明了极差分析的准确性。

图6 抗拉强度与伸长率随各因素水平变化趋势

表6 方差分析计算结果

Tab.6 Variance analysis and calculation results

3 结论

运用正交实验法分析了搅拌摩擦焊接工艺参数对5052/6061异种铝合金焊接接头力学性能的影响，观察了焊缝的宏观形貌与焊接接头的断口形貌，并结合极差分析与方差分析，研究了不同工艺参数对焊接接头力学性能的影响顺序与显著性水平，主要结论如下。

1）通过焊接接头的断口形貌可以观察到，焊缝区断口上布满了大小不一的韧窝，并且还存在着许多撕裂状韧窝，说明接头塑性较好，为韧性断裂。

2）搅拌头旋转速度对焊接接头的力学性能影响最大，其次是焊接速度，下压量影响最小。另外，由极差分析得到的最佳实验方案为223，其最大抗拉强度为194 MPa，伸长率为9.62%。

3）通过方差分析得出搅拌头旋转速度对焊接接头力学性能影响最显著，其次是焊接速度，下压量对接头力学性能影响不大，并且进一步证明了极差分析的准确性。

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Friction Stir Welding Process of 5052/6061 Dissimilar Aluminum Alloy Sheet

WANG Yong-qiang, WANG Jin, WANG Meng-ting, LI Bao-ge, ZHANG Hui

(School of Mechanical and Automotive Engineering, Qingdao University of Technology, Shandong Qingdao 266000, China)

The work aims to study the effects of welding speed, stirring head rotation speed and reduction amount on mechanical properties of friction stir welding joint of dissimilar aluminum alloy and find out the best process parameters, so as to further improve the mechanical properties of the joint. The orthogonal experiment method was used to design the friction stir welding of 5052/6061 dissimilar aluminum alloy with a thickness of 1.5 mm. After the welding was completed, the macroscopic morphology of the weld was observed, and then the specimens were made into standard tensile specimens for tensile test. After the tensile test was completed, the fracture morphology of the welded joint was observed by scanning electron microscope. Finally, range analysis and variance analysis were used to analyze the experimental results. Within the range of selected process parameters, the rotation speed of the stirring head had the greatest effect, followed by the welding speed, and the effect of the reduction amount was the least. When the welding speed was 120 mm/min, the rotating speed was 1 400 r/min, and the reduction amount was 1.5 mm, the tensile strength of the joint reached the maximum of 194 MPa, and the elongation also reached the maximum of 9.62%. In a certain range of process parameters, increasing the welding speed or the rotating speed of the stirring head can significantly improve the mechanical properties of the joint, while the reduction amount has no significant effect on the mechanical properties of the joint.

dissimilar aluminum alloy; friction stir welding; mechanical properties of joints; orthogonal experiment

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.04.015

TG456.9

A

1674-6457(2022)04-0122-07

2021-06-10

山东省重点研发计划（2019GGX102023）

王勇强（1994—），男，硕士生，主要研究方向为铝合金搅拌摩擦焊和拼焊板渐进成形。

王进（1978—），男，博士，副教授，主要研究方向为渐进成形、旋压成形和搅拌摩擦焊。

责任编辑：蒋红晨