焊接參數(shù)對塑流摩擦點焊接頭組織和性能影響

張 坤，王衛(wèi)兵，欒國紅，佟建華，仇曉磊

（中航工業(yè)北京航空制造工程研究所中國攪拌摩擦焊中心，北京100024）

0 前言

塑流摩擦焊是在攪拌摩擦焊基礎上發(fā)展起來的新的焊接方式[1-3]，其衍生出的流動摩擦點焊FFSW（Friction Flow Spot Welding）其與傳統(tǒng)攪拌摩擦點焊有很大不同，主要區(qū)別在焊接工具形貌上。它是通過無針攪拌頭軸肩端面與母材間的摩擦產(chǎn)熱，使母材塑化，并通過摩擦頭的旋轉和擠壓使得軟化的塑性金屬流動形成接頭。

FFSW過程包括三個階段：（1）插入階段。摩擦頭與被焊材料接觸獲得摩擦產(chǎn)熱，在摩擦熱和機械力的作用下，被焊材料迅速軟化流動。（2）停留階段。保持熱輸入形成焊核，增加焊接深度和寬度，并形成良好外觀接頭。（3）退出階段。摩擦頭退出，焊接結束。研究表明，主軸下壓速度、旋轉速度、焊接停留時間和下壓量是FFSW工藝的主要焊接參數(shù)，這些參數(shù)對焊后接頭組織、力學性能將產(chǎn)生顯著影響，因此實現(xiàn)工藝參數(shù)優(yōu)化選取從而獲得高質量接頭是本研究的重要目標。

1 試驗材料和方法

選用1.5 mm厚2024-T3鋁合金為試驗材料，化學成分如表1所示。焊接所用攪拌頭的軸肩直徑為12 mm，端部為漸開線。焊接所用參數(shù)包括轉速、下壓速度和停留時間。其中轉速為375r/min、475r/min、600r/min、750r/min、950r/min、1180r/min和 1500r/min；下壓速度為 10 mm/min、20 mm/min、30 mm/min、40 mm/min 和 50 mm/min；停留時間為 9 s、12 s、15 s、18 s、21 s、24 s。采用線切割從板坯上獲得拉伸試樣，測試力學性能，利用FM-ARS9000維氏硬度機測量顯微硬度，焊接接頭研磨、拋光后在Axiovert 200MAT型金相顯微鏡及HITACHI S-4800掃描電鏡觀察接頭斷口形貌。

圖1 FFSW接頭宏觀及微觀組織形貌

表1 2024-T3鋁合金化學成分 %

2 試驗結果和分析

2.1 接頭組織觀察

FFSW接頭的橫截面微觀組織形貌如圖1所示，由圖1可知，接頭表面光滑平整，但在焊核與焊縫邊緣之間出現(xiàn)Hook缺陷；圖1b、圖1c分別為焊核區(qū)與母材的組織形貌（對應圖1a中的A區(qū)和B區(qū)），由圖1可知，焊核區(qū)組織細小，且均勻致密，無明顯的孔洞、隧道等缺陷；母材為原始的軋制組織，成粗大的帶狀；圖1d為典型的混合區(qū)形貌（對應圖1a中的C區(qū)），焊核區(qū)、母材的形貌與圖1b、圖1c相同。熱機影響區(qū)（TMAZ）的組織受到焊核區(qū)金屬劇烈流動對其擠壓作用，晶粒發(fā)生較大程度的擠壓變形，但晶粒尺寸大于焊核區(qū)組織。熱影響區(qū)（HAZ）的組織僅受摩擦熱的作用，晶粒尺寸略有長大。圖1e為Hook缺陷處形貌（對應圖1a中的D區(qū)），由圖中可知，Hook缺陷延伸至焊縫表面，其結合處依靠純鋁實現(xiàn)冶金結合，結合強度低于鋁合金的結合，因此，為FFSW接頭的弱連接區(qū)域；圖1f為焊縫邊緣形貌（對應圖1a中的E區(qū)），此處組織主要為熱影響區(qū)和熱機影響區(qū)，反映出摩擦頭軸肩邊緣對金屬的擠壓作用能力較弱，金屬未能充分的塑化、流動。

2.2 接頭硬度分布

接頭橫截面顯微硬度分布如圖2所示。接頭焊接工藝參數(shù)：主軸轉速750 r/min、下壓速度30 mm/min、停留時間15 s。由圖2可知，硬度分布沿焊縫中心對稱，焊核區(qū)硬度高于母材，最低值出現(xiàn)在熱影響區(qū)；上板的焊核區(qū)、熱影響區(qū)及熱機影響區(qū)顯微硬度略高于下板。這與常規(guī)的攪拌摩擦點焊（Friction Stir Spot Welding：FSSW）硬度分布規(guī)律不同，可能的原因是FFSW焊接過程中，焊核區(qū)的形成主要依靠摩擦頭端面對被焊材料的擠壓作用，而常規(guī)FSSW的焊核主要依靠攪拌針的剪切作用形成，因此FFSW所形成的焊核區(qū)晶粒更致密細小，導致硬度較高。

圖2 FFSW接頭顯微硬度分布

圖3 FSSW不同工藝參數(shù)所得接頭載荷-位移曲線

2.3 力學性能

不同轉速、下壓速度和停留時間等工藝參數(shù)所獲得的接頭的“載荷-位移”曲線如圖3所示。由圖3可知有兩種曲線：第一種為拉伸載荷隨位移增加逐漸增大，達到最大值后立即降低為零，如轉速為600 r/min，停留時間為9 s和12 s的接頭；第二種為接頭的拉伸載荷達到最大載荷后隨位移的增加而逐漸下降，大多數(shù)接頭都呈現(xiàn)這種趨勢。

分析認為，這主要與拉伸試樣的斷裂方式有關。對于第一種接頭，當拉伸載荷增加至失效載荷（或最大載荷）時，接頭從兩板的界面剪切失效，此時上下板完全脫離，無任何粘連，故隨著位移的增大，拉伸載荷立即降低為零。對于第二種接頭，在拉伸試驗中，先從圓形Hook缺陷的一個點位置開始起裂，裂紋沿著Hook缺陷向整個圓周延伸，故拉伸載荷隨位移增加逐漸增加，當裂紋擴展到一定位置時，拉伸載荷達到最大值，但此時還有少量的Hook缺陷位置處并未脫落，之后隨拉伸位移的增加，剩余的Hook缺陷繼續(xù)剝落，但此時接頭已失效，故載荷呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。通過載荷-位移曲線可以判定FFSW接頭的抗拉強度和失效方式。

FFSW的拉伸試樣和失效接頭如圖4所示。由圖4b和圖4c可知，F(xiàn)FSW接頭對應有兩種失效方式，圖4b中，接頭從焊合邊緣的Hook缺陷處剝落，焊核留在下板。此接頭失效方式與焊接深度有關，當焊接深度較大時，Hook缺陷也較明顯，接頭易于從Hook缺陷處剝落，而當焊接深度較淺時，上下板中間的原始界面并未完全消失，兩板接觸界面上的純鋁層大量保存在接頭內，所形成的焊合區(qū)底部為大量的純鋁，為接頭的弱連接區(qū)域，因此接頭易于從兩板之間的界面失效；圖4c中接頭從上下板界面間剪切失效，焊核留在上板。

圖4 FFSW拉伸試樣及接頭失效方式

圖5 不同工藝參數(shù)所得FFSW接頭最大載荷

不同主軸轉速、下壓速度和停留時間等工藝參數(shù)所得接頭的失效載荷如圖5所示。由圖5a可知，隨主軸轉速的增加，接頭的失效載荷呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，其原因是：低轉速時摩擦產(chǎn)熱量較低，金屬未能充分軟化，流動性能較差，故無法形成良好接頭；隨著轉速增加，摩擦產(chǎn)熱量增加，接頭的焊接深度和寬度均增加，接頭強度也增加；當轉速過高時，摩擦頭對被焊材料的剪切作用增加，在下壓過程中大量的金屬被剪切形成飛邊，造成金屬流失，故停留階段被壓實的金屬減少，削弱了金屬流動能力，所形成的接頭力學性能也降低。圖5b和圖5c分別對應不同的下壓速度和停留時間也表現(xiàn)出類似規(guī)律。從圖5可知，常規(guī)FFSW接頭最大失效載荷為6.64kN，其焊接工藝參數(shù)為：主軸轉速750r/min、下壓速度30 mm/min、停留時間15 s、下壓量0.3 mm。

2.4 拉伸斷裂機制

采用掃描電鏡觀察兩種典型斷裂方式下接頭的斷口形貌，以此分析FFSW接頭的斷裂機制。試驗結果如圖6所示。圖6a為“Hook缺陷斷裂”下板宏觀形貌，可觀察到白亮區(qū)域為撕裂位置，在其中選取兩個典型區(qū)域A和B，放大形貌分別如圖6a1和圖6a2所示，在放大的區(qū)域內發(fā)現(xiàn)有大量剪切韌窩存在，表面此處金屬成形性能良好，形成了致密的冶金組織，其斷裂方式為韌性斷裂。圖6b和圖6c分別為兩板“界面剪切斷裂”的上板和下板斷口形貌，在圖6b中選取內部和外緣兩個典型位置C和D，放大形貌分別為圖6b1和圖6b2，類似的在圖6c選取E和F兩個區(qū)域，放大形貌分別為圖6c1和6c2。在C、D、E、F四個位置均發(fā)現(xiàn)有大量的剪切韌窩存在，證明其斷裂方式也為韌性斷裂。此外，對比放大的六個區(qū)域形貌可發(fā)現(xiàn)，Hook缺陷斷裂處的韌窩較深且清晰，而界面剪切斷裂的韌窩略淺而疏松，說明Hook缺陷處的金屬冶金結合性能優(yōu)于兩板結合界面處，拉伸試驗也證明了“Hook缺陷斷裂”的接頭性能整體高于“界面剪切斷裂”。

圖6 接頭的斷口形貌

3 結論

（1）塑流摩擦點焊接頭的硬度分布沿焊縫中心對稱，焊核區(qū)硬度高于母材，最低值出現(xiàn)在熱影響區(qū)；上板的焊核區(qū)、熱影響區(qū)及熱機影響區(qū)顯微硬度略高于下板。

（2）塑流摩擦點焊接頭的載荷-位移變化趨勢有兩種：一為載荷隨著位移的增大達到最大值，后迅速降為0，這是界面剪切斷裂；二為載荷隨著位移的增大達到最大值后，緩慢降低，為Hook缺陷斷裂。

（3）當轉速為750 r/min，下壓速度30 mm/min，停留時間為15 s時，拉伸載荷最大，為6.64 kN。

（4）拉伸斷口分析表明，Hook缺陷斷裂接頭的韌窩深度大于界面剪切斷裂接頭的韌窩深度。

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