6061-T4鋁合金攪拌摩擦焊焊接熱循環特性分析

徐鳳林 ，付寧寧 ，吉 華 ，汪 虎 ，張 騰

（1.南車南京浦鎮車輛有限公司，江蘇南京210031；2.上海航天設備制造總廠，上海200245；3.航天工程裝備（蘇州）有限公司，江蘇 蘇州 215100；4.核工業西南物理研究院，四川 成都610041）

0 前言

6061鋁合金廣泛應用于航空航天、軌道交通車輛、艦船等大型運載工具的裝備制造之中。攪拌摩擦焊接（FSW）作為新型綠色、高效固相焊接方法之一，能有效克服鋁合金熔化焊過程中易產生氣孔、熱裂紋傾向性大、焊接應力與變形較大等缺點，該技術現已廣泛應用于輕合金的生產制造之中。

焊接熱循環研究的主要指標有五個：焊接起始溫度、焊接溫度上升速率、峰值溫度、高溫停留時間、下降速率。焊接熱循環特性中包含了焊接過程中不均勻溫度場的變化和材料在受熱狀態下組織及性能的變化等焊接過程的主要信息。對焊接接頭顯微組織演化機制的理解和分析攪拌摩擦的主要焊接熱循環參數信息，對推理攪拌焊焊接機理動態演變的全過程、提高焊接接頭的質量具有重要的意義。Tang等人[1]采用數值模擬等方法來研究6061鋁合金FSW焊接過程中的熱傳導和熱循環等焊接特性。研究結果發現，溫度最高的區域為被攪拌工作作用的焊核中心區，焊接溫度峰值小于母材熔點的80%。王希靖等人[2]采用自制攪拌摩擦焊焊溫度場信息參數采集系統，獲得了鋁合金攪拌摩擦焊焊接接頭中主要位置采集點的溫度變化過程，獲取了焊縫峰值溫度，溫度變化特征等焊接熱循環特性的主要參數，此外通過該試驗進一步證實了攪拌摩擦焊過程中沒有發生金屬材料熔化的現象，獲得了焊接溫度分布的基本規律。

6061-T4鋁合金FSW焊接熱循環主要參數通過實測試驗和數值模擬兩種方法進行相互驗證，并在此基礎上結合鋁合金二元相圖圖譜分析焊接熱循環對FSW焊接接頭組織的影響，進一步探討6061鋁合金攪拌摩擦焊過程中的時間、溫度和硬度之間的關系，采用神經網絡訓練建立時間-溫度-硬度曲線（TTP曲線）。

1 試驗材料和設備

1.1 試驗材料

試驗材料為6061鋁合金，T4狀態（固溶處理+自然時效），能譜分析結果如表1所示。

表1 6061-T4鋁合金成分（實測） %

1.2 焊接設備和參數

采用自主研制的攪拌摩擦焊設備進行相關試驗。攪拌工具基本尺寸為：軸肩24 mm，攪拌針長5.6~5.8 mm，攪拌針端部直徑5 mm。在焊接過程中，設定設備主軸旋轉速度1200r/min，焊接速度200mm/min，實際焊接參數可通過倍率實施調節。

1.3 熱循環參數測試

熱循環測量點如圖1所示，試驗設備采用自制的八通道熱循環采集箱，如圖2所示。熱電偶采用銅模包裹，并加入電源濾波器，有效防止設備電機的中頻干擾。

圖1 6061鋁合金熱電偶布點

圖2 熱電偶抗干擾措施和放大電路板

圖3 幾何模型及網格劃分

2 有限元計算參數

2.1 單元類型和材料屬性

采用ANSYS分析軟件自帶單元庫中的SOLID70熱分析單元進行計算。采用JMatpro軟件對6系鋁合金材料的熱物性和熱力學常數進行計算，其結果如表2所示。

表2 6061-T4鋁合金的主要熱物理參數

2.2 熱源模型

對攪拌摩擦焊的熱源模型進行簡化，攪拌摩擦熱量可以歸結為兩部分組成：一類是攪拌軸肩與母材的摩擦熱，該熱量占了整個摩擦熱的80%；另一類熱量是攪拌針與母材的摩擦，這部分熱量占整個摩擦熱量的少部分。根據文獻[3]可計算得出軸肩面的實際熱流密度為1.26×107J/（m2·s），攪拌針圓錐柱面產熱為3.2×106J/（m2·s）。

2.3 幾何模型、邊界條件和求解條件

幾何模型如圖3所示。在實際焊接時，采用琴鍵式壓板熱傳導用強制對流來進行模擬。模擬時設置環境溫度為20°，焊接步長0.2 s，冷卻步長2 s。設置輸出選項為每一步最后一子步的節點溫度，采用Full-Raphson求解，再計算更新總體剛度矩陣。

3 試驗和計算結果

圖4為圖1中攪拌摩擦焊焊接過程中，熱電偶測點處溫度變化曲線。由圖4可知，整個焊接面上，測點所測得的溫度先上升，當達到峰值溫度后再緩慢下降，溫度場的分布與熔焊溫度分布趨勢類似。由圖4還可知，4#測量點峰值溫度約為180℃，5#測量點峰值溫度約為160℃。前進側溫度與后退側溫度分布不對稱，前進側峰值溫度比后退側略高20℃，這主要與FSW過程中材料的流動特性有關系。

圖4 溫度場測量結果

在FSW過程中，前進側材料流動的阻力主要來自于焊接前方溫度較低的未焊金屬，同時該側攪拌工具的旋轉方向與前進方向相同，材料所受的摩擦阻力更大，產生的熱量較多；在攪拌工具的作用下，材料從前進側轉移到后退側，溫度較高的材料向溫度較低的材料轉移時移動阻力較大，而且焊接前進方向與攪拌工具旋轉切向方向相反，材料所受的摩擦阻力和抵抗前進的阻力相對于前進側較小，摩擦熱量相對較小，因而溫度相對較低。這主要與焊縫材料的流動阻力和塑形變形功有關[4-5]。

攪拌摩擦焊焊接溫度場有限元計算云圖如圖5所示。由圖5可知，焊核區溫度最高，母材溫度最低，溫度從焊核區往外呈由高到低的趨勢，這與測量結果基本吻合。圖6為圖1中4#和6#測試點焊接熱循環曲線與數值模擬結果曲線對比圖。由圖6可知，測試結果和模擬結果溫度變化趨勢基本吻合，但數值大小略有不同。通過計算也可以發現，前進側溫度稍高于后退側溫度，這與測量結果基本吻合。

圖5 t=50 s時上表面溫度場云圖

4 FSW組織和TTP曲線分析

利用焊接熱循環測試所獲得的相關參數，并結合文獻[6]編制Al-Mg合金二元相圖與焊接接頭組織關系圖譜，如圖7所示。溫度在400℃以上的區域為焊核中心區，焊核區的晶粒一般呈細小的等軸晶，微觀組織結構均勻，晶粒的方向性不明顯。強烈的機械攪拌作用和軸肩連續擠壓頂鍛作用使得該區域的金屬材料處于較高的應變速率狀態下，呈現較細的等軸狀晶。位于前進側和后退側熱機影響區（TMAZ）的晶粒由于靠近焊核區，既受到強烈的機械攪拌作用，還承受焊接熱循環的熱作用，在熱/機雙重作用條件下，部分晶粒發生形變，沿著焊接方向呈長粒狀，受到熱循環的作用的晶粒尺寸明顯大于焊核區的。FSW熱影響區（HAZ）晶粒由于只受到熱循環的作用，且峰值溫度沒有焊核區高，該區溫度為310℃～380℃，晶粒相對粗化。

參照文獻[7-8]，并結合熱循環曲線，建立的TTP關系曲線如圖8所示。由圖8可知，6061鋁合金在溫度為300℃～450℃時，接頭硬度下降的時間最短，表明在該溫度范圍內處于軟化的時間最短。當焊縫溫度在360℃時，材料的硬度值下降速率最大（約2 s），硬度值下降最明顯（約降30%）。當焊接溫度在200℃以下或者高于450℃時，硬度值下降緩慢，約15 min后下降幅度為30%。攪拌焊縫區域在只受攪拌頭熱循環作用的情況下，接頭的薄弱區域是經受300℃～450℃焊接熱循環作用的區域。

圖6 不同測點測試結果與計算結果

圖7 Al-Mg二元合金相圖與FSW焊接接頭關系示意

圖8 6061鋁合金焊接溫度-時間-硬度曲線（TTP曲線）

有限元計算結果表明，熱機影響區（TMAZ）停留在350℃以上的時間較長，該區域經歷的溫度區域最敏感，焊接孕育區最短，接頭組織相變驅動力和擴散速率較大，Al-Mg合金接頭中的Mg2Si強化相在熱的作用下長大傾向嚴重，同時，長大的第二相與接頭焊接區界面形成半共格或完全非共格的界面，使得焊縫的硬度下降。

由FSW熱循環特性分析可知，焊核區溫度為400℃~460℃，處于熱不敏感區，由于攪拌工具的機械攪拌作用，能夠有效抑制第二相粒子的增長，力學性能下降幅度較小。

5 結論

（1）熱循環實測結果表明，焊核區溫度最高，溫度隨離焊核區距離的增大而逐漸降低，前進側溫度高于后退側；FSW焊接溫度場數值模擬結果與實測結果趨勢基本吻合，但數值有一定的差異。

（2）攪拌工具軸肩摩擦區域峰值溫度約450℃，接近6061鋁合金的再結晶溫度，而焊核區下表面的最高溫度約400℃，熱機影響區的最高溫度為300℃～360℃，熱影響區的最高溫度為250℃～300℃，熱機影響區和熱影響區的溫度峰值均低于再結晶溫度。溫度梯度較大的區域為焊核中心區，而遠離焊核中心區域的溫度梯度相對較小。

（3）TTP曲線表明，FSW中TMAZ區處于溫度最敏感區，焊縫孕育區最小，第二相粒子長大嚴重，該區綜合性能最差。

[1]Tang W，Gou X，Mcclure J C，et al.Heat input and temperature distribution in friction stir welding[J].Journal of Materials Processing and Manufacturing Science，1998，7（2）：163-172.

[2]王希靖，郭瑞杰，阿 英，等.攪拌摩擦焊接頭的溫度檢測[J].電焊機，2004，34（1）：22-23.

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[7]伶建華.6061-T6鋁合金攪拌摩擦焊接[J].北京科技大學學報，2009，28（8）：1011-1017.

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