流動摩擦焊接過程塑性金屬流動行為

馬正斌 ，董春林 ，王衛兵 ，欒國紅

（1.中國航空工業集團公司 北京航空制造工程研究所，北京100024；2.北京賽福斯特技術有限公司，北京 100024）

0 前言

攪拌摩擦焊FSW（Friction Stir Welding）作為一種“綠色”革命性的固相焊接技術，現已在列車、船舶、航空、航天、電子等領域得到廣泛的應用。隨著FSW技術研究的深入和工程化的推廣，對工程應用中的新焊接結構、薄板材料的焊接，使用傳統的FSW技術不具有優勢，因此迫切需求FSW技術的創新。流動摩擦焊接就是一種新焊接方法，與傳統FSW不同，它的焊接工具只有軸肩而沒有攪拌針，通過軸肩端面與材料的摩擦產熱使材料發生塑化，同時在焊接工具的旋轉和擠壓作用下使得軟化的塑性金屬流動而形成接頭。

國內外針對流動摩擦焊的研究也有報道，但都是以點焊為主，日本的Aota和Tozaki[1-3]等人用流動摩擦點焊技術實現了焊點的有效連接，并認為該技術是一種極具發展前途的焊接方法。Chen[4]等人采用流動摩擦點焊對0.93 mm厚的AA6111-T4汽車用鋁合金薄板在不足1 s的時間內實現了高強度連接。

中國攪拌摩擦焊中心于2012年獲得了流動摩擦焊國家發明專利授權[5]，并針對 2024、2524、6082和7050等飛機鋁合金材料開展流動摩擦點焊的相關研究，獲得了成形美觀、無缺陷的焊接接頭，接頭承受的最大剪切力可達6 kN，高于相應的鉚接接頭。

流動摩擦焊接過程中塑性金屬流動對于焊縫成形有著至關重要的影響，掌握塑性金屬流動規律對焊接工藝優化、工具選型及工程應用意義重大。在此研究了焊接工具和工藝參數對焊縫成形及塑性金屬流動的影響。

1 實驗材料和方法

焊接材料選用2.0 mm厚的2024-T3鋁合金薄板，試件規格（長×寬）為200 mm×100 mm。焊接工具選用Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ三種類型，其中，Ⅰ為同心圓環端面結構，Ⅱ為端面雙漸開線結構，Ⅲ為端面采用五條漸開線與半圓凸環組合式結構，焊接工具形貌如圖1所示。

圖1 流動摩擦焊接工具

2 實驗結果和分析

流動摩擦焊接工具為無針結構，端面形貌是影響焊縫成形的關鍵，評價焊縫質量主要涉及到焊縫表面光潔度、焊接深度、焊接缺陷、接頭強度等因素。在設計流動摩擦焊接工具時，所設計的結構（槽型或凸型）應有利于焊縫成形，促使焊縫在厚度上的混合和流動，有利于對接和搭接界面的消除。實驗中選用端部帶有同心圓環、雙漸開線和五條漸開線加半圓環的組合結構進行焊接。

2.1 焊縫表面宏觀形貌

流動摩擦焊接焊縫表面成形宏觀照片如圖2所示。對于Ⅰ型焊接工具，當轉速為800 r/min、焊速為100 mm/min時（簡記為Ⅰ-800-100），焊縫表面有顆粒物存在，較為粗糙（見圖2a），這主要由于轉速較小、產熱不足、材料軟化程度不夠引起。當轉速為1 000 r/min時，摩擦熱增加，材料的軟化程度增強，焊縫的光亮度有所好轉（見圖2 c）。進一步增大轉速至1 200 r/min時，焊縫的表面變得比較糟糕，出現了嚴重的鱗片狀毛刺。這可能是由于焊接工具與材料的摩擦熱過大，導致材料的軟化及塑性顯著增強，同時轉速的增加使得單位時間、單位長度內的焊接工具與待焊材料的作用增強，距離焊接工具端部較近的材料與下部較硬的材料之間軟化程度的差異，使得試件表面焊縫出現嚴重的分層及起皮現象（見圖 2e）。

圖2 焊縫表面宏觀形貌

保持轉速不變，提高焊速，焊縫的摩擦產熱量減小，焊縫的成形較差，如：Ⅰ-800-100與Ⅰ-800-200；Ⅰ-1000-100 與Ⅰ-1000-200；Ⅰ-1200-100 與Ⅰ-1200-300。可見焊速的增大使得單位長度焊縫熱輸入較小，材料由于軟化程度較低出現了細絲狀結構，同時由于焊接工具與端面的摩擦會有些顆粒物存在，如圖2b、圖2d和圖2f所示。

當選用Ⅱ型焊接工具時，相同的焊接參數較Ⅰ型成形質量高，Ⅱ和Ⅰ型焊接工具在端面形貌上存在很大區別，Ⅱ型工具的形貌在焊接過程中旋轉有利于材料由邊緣向焊縫中部匯聚，促使材料在厚度方向的混合和流動。Ⅱ-800-100（見圖2g）的表面成形最佳，Ⅱ-800-200時由于焊速增加，焊縫表面熱輸入不足，軟化程度減弱出現粗化現象，存在毛刺狀組織(見圖2h）。但是，當轉速增大到1000 r/min和1200 r/min時，焊縫表面成形光潔度不如800 r/min。

Ⅲ型焊接工具采用的是五條漸開線和半圓環的組合結構，半圓環的存在使得焊接工具變得不對稱，這樣在焊接過程中材料的流動更充分。當焊接參數為1 000-100時（見圖2i），焊縫成形好，位于后退側的飛邊量較小，這也證明此時材料的軟化程度較為合適，其他情況下由于參數的不匹配，存在因過冷或過熱出現的表面不光滑現象。

總之，焊接工具端部形貌的變化影響焊接時材料的熱輸入和受力發生變化，進而影響焊縫的成形。流動摩擦焊接轉速與焊速的匹配對于焊縫的成形也有很大的影響，當焊速較大或轉速過低時由于熱輸入量較低，焊縫的表面會出現因軟化不夠的絲狀物；當采用焊速較小或轉速較大時，絲狀物變為塑性較好、軟化程度較高、體積相對較大的塊狀。

2.2 焊縫接頭橫截面形貌

當焊接參數為Ⅰ-800-100時，材料的焊接深度較小，材料的軟化程度嚴重不足，焊接工具的槽型結構不僅影響材料的流動行為，很大程度上也與材料的摩擦產熱量緊密相關。同心圓環結構對材料有包裹作用，焊接時不會將焊縫邊緣的材料向焊縫中間遷移，但由于環狀結構的存在，其作用區的材料不會隨焊接工具的旋轉而過多的變為飛邊，使得材料流失嚴重。材料主要發生水平面方向的層流運動，焊速的增大使得焊接深度減小，如圖3a和圖3b所示。

圖3c為Ⅱ-800-100時的焊縫成形情況。焊接深度較Ⅰ型焊接工具大，帶雙漸開線結構的焊接工具其槽型結構的存在使得工具在旋轉時帶動材料由工具外緣向焊縫中心遷移，增大了塑性材料的流動及混合程度，進而增大材料的焊接深度。焊速增大塑性材料的范圍減小，熱影響區變小如圖3d所示。

增加漸開線的數量并與半圓環結構組合，焊后的焊縫橫截面宏觀形貌如圖3e、圖3f所示。焊縫成形較好，在焊接參數相同的情況下焊接深度較Ⅱ型小，且焊縫呈上寬下窄的現象。最表層金屬材料受焊接工具的直接作用，材料一部分隨焊接工具的旋轉而流動，且在流動的過程中部分材料沿端面的槽型結構向焊縫中心遷移致使焊縫中心處的材料發生由上向下的運動。上部材料主要受到焊接工具的摩擦力作用，下部材料通過材料之間的剪切力和粘滯力作用而發生運動，隨著距焊縫表面深度增大、材料流動行為逐漸減弱。工具的半圓環凸型結構可以將聚集在焊縫中部的材料打散，有利于材料的均勻分布。

圖3 焊接宏觀金相

2.3 焊縫塑性金屬流動行為分析

流動摩擦焊接縫焊可以看成在焊縫長度上多個點焊的疊加，當模擬焊接時塑性金屬的流動行為時，采用點焊的方式能夠大大簡化焊接模擬運算過程。流動摩擦焊接過程與攪拌摩擦焊過程相似，也是在一個由母材區、焊接工具、底部墊板組成的體積不變的“擠壓模”內完成的。模擬采用ABAQUS軟件及拉格朗日（Lagrangian-Eulerian：ALE）公式分析焊縫金屬流動過程，并采用示蹤試驗對計算模型的正確性進行驗證。

數值模擬計算結果如圖4所示。圖4a最右邊為焊縫中心，由于焊縫金屬流動行為沿焊縫中心對稱，故圖中僅顯示焊縫中心一側。由圖4a可知，在焊接過程中，金屬流動方式主要有四個典型的特征區——“1”區的金屬主要向焊縫中心流動，“2”區由上向下流動，“3”區主要向下部外緣流動，而“4”區金屬主要向外緣下部運動受到附近較冷金屬的阻礙進而轉變為向上側流動。焊接工具端面的漸開線凹槽形貌決定了焊縫金屬上部由邊緣向中心的遷移，中心的金屬隨著遷移量的增大迫使材料向阻力小的方向運動，出現了圖中的四種流動循環。焊縫形貌與焊接時的溫度場分布是一致的。這種循環流動形式導致了在焊接搭接結構時在搭接界面最外緣處出現Hook缺陷，其位置如圖4b中橢圓標注所示。

圖4 不同焊接停留時間焊縫金屬位移

為了驗證數值模擬的可靠性，實驗時在兩塊被焊材料原始搭接面添加厚度為0.1 mm的銅箔作為示蹤材料，通過觀察焊后銅箔在焊縫中的位置來推斷金屬的流動行為。圖5為流動摩擦夾銅箔試樣焊后橫截面形貌圖，可以看出原始搭接面的銅箔在焊接過程中受到焊接工具的擠壓、扭曲，變為體積較小的銅碎片，并大量聚集在焊縫中心，與圖4a中“1”區金屬流動形式相一致；焊縫中心與焊縫邊緣之間的金屬位移最大，符合圖4a中“2”和“3”區的金屬流動形式；在焊縫外緣，原始界面的銅箔被推移上翹形成Hook缺陷，符合圖4a中“4”區的金屬流動形式，可見實驗結果與模擬結果吻合，模擬可靠性高。

圖5 夾銅片試樣焊后橫截面形貌

3 結論

（1）流動摩擦焊接工具端面形貌影響焊縫成形，同心圓環結構焊接時焊接深度較小，主要發生層流運動。

（2）工具端面的特征結構有利于促進焊接過程中塑性金屬的流動，焊縫的深度和范圍都會顯著增大，凸型半圓環結構可以打亂材料流動的堆積，使得材料流動分布更均勻。

（3）在焊縫上表面材料受焊接工具的作用主要發生層流運動，材料由工具邊緣向中心運動，中心處聚集的材料擠壓周邊的材料向阻力小的方向運動，材料在厚度方向流動從而形成一個往復循環的運動模式。

[1]Kinya Aota，Kenji Ikeuchi.Development of friction stir welding using rotating tool without probe and its application to low-carbon steel plates[J].Welding International，2009，23（8）：572-580.

[2]Kinya Aota，Kenji Ikeuchi.Friction stir welding of aluminum lap joint by tool without probe[J].Welding International，2010，24（3）：197-205.

[3]Tozaki Y，Uematsu Y，Tokaji K.A newly developed tool without probe for friction stir spot welding and its performance[J].Journal of Materials Processing Technology，2010，(210):844-851.

[4]Chen Y C，Liu S F，Bakavos D，et al.The effect of a paint bake treatment on joint performance in friction stir spot welding AA6111-T4 sheet using a pinless tool[J].Materials Chemistry and Physics，2013（141）：768-775.

[5]王衛兵，李 光，欒國紅，等.中國：流動摩擦焊接方法及其工具[P].101875154.2012-02-01.