6061-T4鋁合金攪拌摩擦焊T型接頭缺陷及性能

周 光， 楊新岐， 徐效東， 張照華

(天津大學材料科學與工程學院天津市現代連接技術重點實驗室，天津300072)

T型接頭(簡稱T接)是鋁合金薄板結構組裝中的重要連接形式，在航空航天、汽車工業及高速客車車體制造等領域具有廣泛應用，但是目前國內尚未見到把FSW技術應用到T型接頭工藝的研究報導［1］。而近年來國外T型接頭FSW已引起人們普遍關注并進行了基礎研究。Buffa［2～7］等對同種和異種鋁合金分別采用攪拌摩擦焊T型連接，并致力于T型接頭力學性能研究。他們的研究表明:在相同焊接條件下6082同種鋁合金T型接頭，無論從接頭抗拉強度系數還是焊接缺陷消除方面都明顯好于2024鋁合金T型接頭;圓錐形攪拌頭焊接的6082鋁合金T型接頭拉伸性能高于圓柱形攪拌頭焊接的接頭，且當攪拌頭的傾角為3°時無缺陷接頭的抗彎性能最好;采用較小的軸肩焊接2024-T4與7075-T6組成的異種材料T型接頭時，常會出現隧道及孔洞等缺陷，采用較大軸肩焊接可消除隧道缺陷并可得到抗拉強度稍低于 2024母材的 T型接頭。Donati［8］同樣也指出采用大軸肩焊接可獲得高的抗拉強度。Tavares［9，10］等對6056/7075兩種鋁合金構成的T型接頭進行了FSW力學性能測試，發現T接壁板方向的拉伸性能與6056鋁合金對接接頭性能相當，但是T型接頭的伸長率急劇下降;而沿T型接頭垂直于壁板方向進行三點彎曲試驗時，其抗彎強度也只有6056鋁合金對接接頭的一半。雖然這些結果對研究生產具有較好的指導作用，但是，關于T型接頭研究報導相對還是較少。

本研究對工業上廣泛應用的6061-T4鋁合金進行攪拌摩擦焊T型接頭焊接研究。詳細探討了焊接速率及旋轉速率對T型接頭焊接缺陷及力學性能的影響。

1 實驗

實驗材料為3mm厚6061-T4(固溶處理+自然時效)鋁合金，其化學成分如表1所示。

攪拌工具由H13工具鋼制備，其軸肩直徑為12mm，攪拌頭為錐形，其長度為5mm，根部直徑為6mm，頂端直徑為3mm，攪拌工具傾角為2.5o。

T型接頭構件由尺寸為300mm×60mm的長方形壁板和尺寸為300mm×65mm筋板焊接而成，如圖1所示。為了實現焊接過程，設計研制了專用的鋁合金T型接頭FSW夾具裝置，夾具圓角半徑采用2.5mm。焊接時對鋁合金表面進行打磨除去表面氧化膜，在銑床改進的FSW焊機上安裝特制的夾具裝置來固定壁板和筋板完成T型接頭構件的焊接，焊接工藝參數如表2所示。

焊后截取各個參數下試樣的橫截面用光學顯微觀察可能存在的隧道缺陷，并對不規則的缺陷采用帶標尺高倍放大拍照，而后分割成規則圖形求出缺陷的近似面積。用維氏硬度計測量沿焊縫截面硬度分布，加載載荷為3kgf，保載為15s，最后用線切割把焊件切成寬為25mm的試樣，每種工藝參數下5個試樣。其中2個沿著壁板方向拉伸，另外3個沿著筋板方向使用特制夾具拉伸，加載采用力-位移控制的方式，加載速率為1mm/min。

表1 AA6061鋁合金的化學成分(質量分數/%)Table 1 Chemical compositions of AA 6061 aluminum alloy (mass fraction/%)

圖1 FSW T接示意圖Fig.1 Sketch of the FSW T-joint

表2 焊接工藝參數Table 2 Welding parameters

2 結果與分析

2.1 焊接缺陷

金相觀察表明，在所研究的全部工藝參數范圍內，T接壁板焊縫不存在任何焊接缺陷;但在筋板焊縫前進側(AS)圓角過渡邊緣都出現不同程度的隧道缺陷。典型的隧道缺陷如圖2所示。從采用放大后分割計算所得到的隧道缺陷面積來看，ω/v= 1008/218 r/mm時缺陷最大，約為0.467mm2，而在ω/v=1541/142 r/mm時存在最小隧道孔洞缺陷，其面積僅為0.0036 mm2。

圖2 典型的隧道缺陷和“Z”線 (a)ω/v=1008/218 r/mm;(b)ω/v=1541/142 r/mmFig.2 Typical tunnel defects and“Z”line (a)ω/v=1008/218 r/mm;(b)ω/v=1541/142 r/mm

為了定量研究隧道缺陷面積(A)隨工藝參數的變化趨勢，繪制了A隨ω/v的變化圖，見圖3。圖3表明當v不變時，缺陷面積隨著ω增加急劇降低。由于FSW焊接過程中，焊接壓入量(Plunge depth)變化很小(表2)，可以近似認為FSW焊接線能量與ω/v呈正比關系。若保持v不變、ω增大可使焊接線能量明顯增加，從而使得金屬塑性流動體積增大，同時在攪拌工具的擠壓和頂鍛作用下，塑性金屬向圓角過渡區填充更加充分，缺陷面積將明顯減小。但在實驗過程出現了ω/v=1541/142 r/mm缺陷面積比ω/v= 2256/142 r/mm稍大的反常情況，這可能與焊接過程中ω/v=2256/142 r/mm出現的異常塑性攪動有關，具體的原因有待進一步研究。

另外實驗還發現，T接焊縫區存在類似對接焊縫中出現的“弱連接”線痕跡，即貫穿T接筋板焊縫截面的“Z”曲線［11～13］。但受到錐形攪拌頭向下的擠壓作用，“Z”線位置已偏移原始連接界面，下移到T接筋板焊核中，且工藝參數對“Z”線的形貌和位置影響不大，見圖2。“Z”線在后退側(RS)圓角區域較為明顯并且向左下角傾斜，而前進側“Z”線較模糊且近似為水平直線(圖2)。“Z”線是一種“弱連接”線痕跡，但可顯示T接中金屬流動，即后退側圓角區域金屬向下流動較前進側圓角區向下流動明顯。

圖3 隧道缺陷面積與焊接工藝參數關系Fig.3 Relationship between tunnel defects area and welding parameters

2.2 硬度分布

圖4表示不同工藝參數下沿T壁板焊縫橫截面中心的硬度分布。焊縫兩側由于受熱產生明顯的軟化。軟化區最低硬度基本上都位于軸肩下方，對應于微觀組織中的熱影響區(HAZ)，其中ω/v=2256/142 r/mm對應的軟化作用最明顯，硬度最低，為46.2HV，與母材62.7HV相比下降了25.4%。當旋轉速率ω由1008r/min增加到2256 r/min時，熱輸入增加，熱影響區變大，軟化區域的范圍有所擴大(如圖4a，b和c)。焊核區由于晶粒細化引起硬度上升，同時由于受到靠近前進側焊核部位的晶粒變形大，畸變能增加，加工硬化等原因的影響，致使靠近前進側的焊核硬度稍高于靠近后退側的焊核硬度，且焊核區硬度隨ω增大顯著增高。這是因為ω=2256 r/min對應接頭的熱輸入比ω=1008 r/min和ω=1541 r/min接頭要多，焊核區晶粒可能會相對較大，包含的無強化相區域會相應減少，而無強化相區域多少將會顯著影響細小晶粒材料的硬度但對較大的晶粒影響較小［14］，從而致使ω=2256 r/min的硬度最高，超過母材16%以上。

圖4 T接壁板焊縫顯微硬度分布 (a)ω=1008r/min;(b)ω=1541r/min;(c)ω=2256r/minFig.4 Hardness profiles along the skin section of T welded joints (a)ω=1008r/min;(b)ω=1541r/min;(c)ω=2256r/min

圖5表示沿T接筋板焊縫橫截面中心的硬度分布。可以看出，不同工藝參數下硬度分布近似呈現“N”形。壁板焊核表面軸肩熱作用大導致硬度降低，ω由1008r/min增加到2256r/min時，表面最低硬度稍有減少。同時受筋板焊核與母材過渡熱力影響區(TMAZ)位置強化相部分溶解的影響也出現一個低硬度區域，但各個工藝參數對此區域的最低硬度變化影響不大，其硬度約為52HV，與母材相比降低17%，這與筋板處熱力區熱輸入較小有關。兩個低硬度區之間受到動態再結晶形成的細小晶粒影響出現一個隨轉速增大而升高的高硬度區。

無論是壁板上的HAZ的軟化還是筋板上的TMAZ的軟化都將有可能是影響其強度變化的原因。

2.3 拉伸性能

為了評價焊接隧道缺陷、“Z”線及局部組織軟化對T型接頭力學性能的影響，測試了拉伸性能。圖6a沿壁板方向(T)拉伸測試裝卡圖，6b沿筋板方向(L)拉伸測試裝卡圖。抗拉強度的結果見圖7。

圖5 T接筋板焊縫橫截面顯微硬度分布 (a)ω=1008r/min;(b)ω=1541r/min;(c)ω=2256r/minFig.5 Hardness profiles along the stringer section of T welded joints (a)ω=1008r/min;(b)ω=1541r/min;(c)ω=2256r/min

從沿T方向拉伸的結果來看，當旋轉速率由1008r/min變到2256r/min，強度稍有上升，但所有的強度都在170～180MPa之間波動(圖7)，這與壁板在焊前就是一個整體有關。其中，ω/v=2256/218 r/mm時，接頭抗拉強度可達到母材的73.8%。各個工藝參數下接頭強度下降與前面討論的硬度下降相當(硬度下降20%～25%)，且斷裂位置位于軸肩下方硬度最低的區域，因此可以說明組織軟化區是引起T方向拉伸強度降低的原因。另外在本實驗中發現，當ω/v＞10r/mm時斷裂多發生在前進側硬度最低區域;而當ω/v＜10r/min時都在后退側硬度最低區域斷裂。無論是在前進側還是后退側斷裂，斷口均呈鋸齒狀或與加載方向成45°夾角剪切狀(圖8a)。

圖6 T型接頭中加載方式 (a)沿壁板方向(T)(b)沿筋板方向(L)Fig.6 Loading methods for T-joints (a)along skin direction(T);(b)along stringer direction(L)

圖7 T型接頭的抗拉強度Fig.7 Tensile strength of T-joints

沿L方向加載時，除轉速為1008r/min的抗拉強度變化較大外，其余抗拉強度變化在185～201MPa之間(圖8)。其中ω/v=1008/75 r/mm時，抗拉強度僅為母材的63%，這不僅與該工藝參數接頭中存在較大隧道缺陷有關，還與存在較嚴重的未焊合開裂缺陷有關。但其他工藝參數下接頭抗拉強度變化相對差異較小，在實驗范圍內ω/v=1541/218 r/mm時接頭沿L方向抗拉強度最高，為201.4MPa，約為母材的83.5%。L方向加載除強度比沿T方向加載變化大之外，其斷裂位置也呈現多樣化。在低轉速下(1008r/min)沿L方向加載，不是斷裂在筋板的軟化區，而是斷裂在兩板的結合面(bonding face)處，這是由于存在較大隧道缺陷和圓角未熔合形成有效冶金連接共同作用的結果，此時宏觀斷口中間部分呈現正斷模式，兩側呈現剪切斷裂模式，筋板從壁板中拔出(圖8b)。但當轉速升高到1541r/min和2256r/min時，斷裂多出現在筋板上硬度最低的軟化區而不是有小隧道缺陷和“Z”線的位置，少量出現在壁板上焊核與熱力影響區的過渡區。在筋板軟化區宏觀斷口呈現剪切斷裂方式并伴有頸縮現象(圖8c);而那些少量斷裂出現在壁板焊核和熱力影響區位置(圖8 d)，可能是由于該區域晶粒存在明顯的差異以及裝夾夾具對壁板剪切作用造成的復合拉剪斷裂。由不同轉速下L方向加載強度的變化和斷裂位置的不同，可以得出低轉速條件(1008r/min)下強度的降低是由隧道缺陷引起的;高轉速下(1541r/min，2256r/ min)雖然存在較小的隧道缺陷和“Z”線，但對靜載強度幾乎無影響，強度降低是由局部組織軟化引起的。

圖8 典型的斷裂方式 (a)T方向加載，ω/v=2256/142 r/mm;(b)，(c)，(d)L方向加載，ω/v分別為1008/75 r/mm，2256/142 r/mm，1154/142r/mmFig.8 Typical fracture modes of T-joints (a)loading along T direction with ω/v=2256/142 r/mm;(b)，(c)，(d)loading along L direction with ω/v equal to 1008/75 r/mm，2256/142 r/mm，1154/142r/mm respectively

3 結論

(1)當v不變時T接焊縫前進側圓角過渡處容易產生隨ω/v增大而減小的隧道缺陷，后退側圓角區易出現清晰的“Z”連接線。

(2)T接壁板上出現兩個隨ω增加明顯擴大的軟化區和一個顯著提高硬度的焊核硬化區;筋板熱力區上出現一個對焊接參數不敏感的低硬度區域，其最低硬度與母材相比降低17%。

(3)熱影響區組織軟化是造成所有接頭沿T方向抗拉強度下降的主要原因，斷口以剪切斷裂為主，在工藝參數為ω/v=2256/218 r/mm時強度達母材的73.8%;ω=1008r/min下L方向加載的低強度歸因于較大的隧道缺陷，斷口為正切混合型，而組織軟化區是引起ω=1541r/min和ω=2256r/min對應的接頭強度降低的主要原因，斷口以切斷模式為主，并伴有有限的頸縮現象，在所有參數中ω/v=1541/ 218r/mm對應接頭沿L方向強度最高，約為母材的83.5%。

［1］MISHRA R S，MA Z Y.Friction stir welding and processing［J］.Materials Science and Engineering(R)，2005， 50(1/2):1-78.

［2］FRATINI L，BUFFA G，FILICE L，et al.Friction stir welding of AA6082-T6 T-joints:Process engineering and performance measurement［J］.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part B-Journal of Engineering Manufacture，2006，220:669-676.

［3］BUFFA G，FRATINI L，MICARI F，et al.Material flow in FSW of T-joints:experimental and numerical analysis［J］. International Journal of Material Forming，2008，1(Suppl 1):1283-1286.

［4］BUFFA G，CAMPANILE G，FRATINI L，et al.Friction stir welding of lap joints:Influence of process parameters on the metallurgical and mechanical properties［J］.Materials Science and Engineering(A)，2009，519(1/2):19 -26.

［5］FRATINI L，ACERRA F，BUFFA G，et al.On the FSW of AA2024-T4 and AA7075-T6 T-joints:An industrial case study［J］.International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2010，48(9/10/11/12):1149-1157.

［6］FRATINI L，BUFFA G，SHIVPURI R.Influence of material characteristics on plastic mechanics of the FSW process for T-joints［J］.Materials＆Design，2009，30(7):2435 -2445.

［7］FRATINI L，BUFFA G，MICARI F，et al.On the material flow in FSW of T-joints:Influence of geometrical and technological parameters［J］.International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2009，44(5/6):570-578.

［8］DONATI L，TOMESANI L，MORRI A.Structural T-joint produced by means of friction stir welding(FSW)with filling material［J］.International Journal of Material Forming，2009，2(Suppl 1):295-298.

［9］TAVARES S M O，CASTRO R A S，RICHTER-TRUMMER V，et al.Friction stir welding of T-joints with dissimilar aluminum alloys:Mechanical joint characterization［J］.Science and Technology of Welding and Joining，2010，15(4):312-318.

［10］TAVARES S M O，AZEVEDO P C M，EMILIO B，et al. Friction Stir Welding of T-Joints in Dissimilar Aluminum Alloys［C］//2008 ASME Mechanical Engineering Congress and Exposition，Proceedings of IMECE2008.Boston，2009，4:265-273.

［11］DI S S，YAND X Q，FANG D P，et al.The influence of zigzag-curve defect on the fatigue properties of friction stir welds in 7075-T6 Al alloy［J］.Materials Chemistry and Physics，2007，104(2/3):244-248.

［12］DI S S，YANG X Q，LUAN G H，et al.Comparative study on fatigue properties between AA2024-T4 friction stir welds and base materials［J］.Materials Science and Engineering A-Structural Materials Properties Microstructure and Processing，2006，435:389-395.

［13］SANDSTROM R，ERICSSON M，JIN L Z.Fatigue properties of friction stir overlap welds［J］.International Journal of Fatigue，2007，29(1):57-68.

［14］SATO Y S，URATA M，KOKAWA H.Parameters controlling microstructure and hardness during friction-stir welding of precipitation-hardenable aluminum alloy 6063［J］.Metallurgical and Materials Transactions(A): Physical Metallurgy and Materials Science，2002，3(3): 625-635.