異種鋁合金攪拌摩擦焊材料流動行為研究

李繼忠，馬正斌，2，董春林，欒國紅

（1北京航空制造工程研究所 中國攪拌摩擦焊中心，北京100024；2西北工業大學，西安710072）

攪拌摩擦焊作為一種新型的固相連接技術，尤其適用于輕合金（如：鋁合金、鎂合金等）［1－3］。在焊接過程中，攪拌工具與被焊材料之間通過摩擦和劇烈塑性變形產生熱量使金屬材料發生塑化，在攪拌工具旋轉帶動作用下材料發生遷移，再經軸肩鍛壓作用后得到高質量、無缺陷的焊接接頭。但是，當攪拌工具結構、焊接工藝等參數不合適時容易導致接頭強度降低，甚至在焊縫內產生隧道、孔洞等缺陷。

材料流動是影響焊接接頭成形和質量最重要的因素之一，Li等［4］使用2024和6061兩種鋁合金材料采用對接的方式研究了攪拌摩擦焊接過程材料在橫截面上的流動行為，認為“洋蔥環”是由攪拌針螺紋和旋轉的共同作用下形成。Reynolds等［5，6］通過鋼珠嵌入技術研究了材料流動過程，結果表明攪拌摩擦焊是一個原位擠壓過程，即由軸肩、攪拌針、墊板和焊核周圍冷母材圍成了一個封閉的擠壓腔，材料在擠壓腔內發生復雜的流動變形。柯黎明等［7］通過嵌入鋁膜的方法研究了材料的流動規律，認為在攪拌針后端形成了真空腔體，材料流動是一種“抽吸－擠壓”的過程。張武等［8］采用鋁合金和銅膜交替排列的方式研究了材料在橫截面上的材料流動規律，但是對不同區域材料流動行為的研究還不夠全面。

在數值模擬方面，雖然目前已有相關的研究報道［5，9，10］，但是受攪拌工具、工藝參數和材料屬性等諸多因素的影響，且攪拌摩擦焊過程包括了塑性應力場、熱力場、溫度場、流變場等多種過程于一體，目前還沒有一種軟件同時耦合這些復雜物理過程。因此，大部分模擬研究中對邊界條件均進行了簡化和假設，這與實際過程仍有較大差別。

本研究選用2024和6061兩種鋁合金，采用交替排列的方式，通過截取焊后不同截面觀察材料的宏觀分布形貌，對比分析攪拌區材料的流動行為，進一步揭示攪拌摩擦焊接過程中材料的流動規律。

1 實驗方法

本研究選用1.25mm厚的2024－T3鋁合金和1.5mm厚的6061－O鋁合金板材，分別制備成規格為25mm×35mm和250mm×25mm的試片若干。利用兩種鋁合金抗腐蝕性能的差異，經腐蝕后能非常清晰地觀察焊后材料的分布。首先，將待觀察面使用400＃，800＃，1200＃和2000＃砂紙水磨，再進行機械拋光；然后，采用氫氧化鈉溶劑（質量分數為20%）對試樣拋光面進行浸蝕；最后，使用ZEISS Axiovert 200 MAT金相顯微鏡進行宏觀形貌觀察。

為深入揭示材料流動行為，選用了兩種排列方式，即垂直焊縫排列（圖1（a））和平行焊縫排列（圖1（b））。此外，為充分反映出攪拌摩擦焊接過程中材料的流動行為，本研究選用了較大規格的攪拌工具。其中，軸肩直徑為24mm；攪拌針根部直徑為11.2mm、端部直徑為5.5mm，針長為12mm，攪拌針螺紋間距為1mm。焊接設備選用自主研發的平面二維攪拌摩擦焊專用焊機（型號：FSW2－4CX－006），主軸傾角2.5°。焊接工藝參數選用焊速100mm／min、轉速300r／min。

圖1 2024，6061鋁合金兩種排列方式示意圖（a）垂直焊縫排列；（b）平行焊縫排列Fig.1 Schematic of 2024 and 6061 aluminum alloys with two types of alternate arrangement （a）perpendicular arrangement to weld line；（b）parallel arrangement to weld line

2 實驗結果與分析

2.1 焊后試樣宏觀形貌

圖2是兩種排列方式焊后試樣的宏觀形貌。垂直焊縫排列的試樣焊縫表面出現了兩套弧紋，經測量細小弧紋間距約0.35mm，該值與焊速和轉速的比值（即100／300＝0.33）相近，這在攪拌摩擦焊過程中普遍存在［11］。值得注意的是焊縫表面出現了間距較大且均勻分布的粗大弧紋（如圖2（a）中白色箭頭所示），經統計其間距約2.76mm，該值與兩種鋁合金試片的厚度之和相近，且弧紋周期與兩鋁合金試片交替排列的周期一致。相比較，平行焊縫排列試樣的焊縫表面上只出現細小弧紋間距（約0.35mm），該值與焊速和轉速比值相近（如圖2（b）所示）。

圖2 焊后試樣形貌 （a）垂直焊縫排列；（b）平行焊縫排列Fig.2 Appearance of welded samples （a）perpendicular arrangement to weld line；（b）parallel arrangement to weld line

根據以上結果可以推斷，對于垂直焊縫交替排列的試樣，由于兩種鋁合金材料力學屬性存在較大差異，使攪拌工具沿焊接方向的受力呈周期性變化，這種周期性變化，導致了在焊縫表面形成間距與材料周期性變化一致的粗大弧紋。這也進一步說明了在攪拌摩擦焊接過程中，材料的塑化和流動是在攪拌工具旋轉和前進的共同作用下產生的周期性遷移，而不是連續遷移。在平行焊縫排列的試樣表面，沿焊接方向材料沒有因材料差異而引起的周期性變化，因此在試樣表面只有細小的弧紋而未出現粗大弧紋。

2.2 垂直焊縫排列材料流動行為

圖3是去除焊縫表面弧紋后材料分布的宏觀形貌，2024和6061鋁合金分布如圖中標示，即深色為2024，淺色為6061。由圖3可以看出，在焊接區材料發生了劇烈塑性變形，垂直焊縫排列的鋁合金試片經攪拌后變為“U”字形［12］，并且向焊接反方向彎曲。在攪拌針周圍，試片劇烈變形后圍繞匙孔被拉伸成細長形結構。隨著攪拌針的行進，拉伸變形材料在攪拌針后端的“空腔”積聚，并在軸肩的擠壓作用下形成致密的焊縫。此外，焊縫內的兩種鋁合金即使經過了劇烈攪拌仍未充分混合，特別是在后退側（Retreating Side，RS）攪拌變形后的材料仍與母材區保持連接狀態；而前進側（Advancing Side，AS）由于發生了劇烈剪切變形材料與母材之間形成了一條明顯的分界線，該區內材料混合相對充分。

圖3 垂直焊縫排列匙孔附近材料流動宏觀形貌Fig.3 The macro morphology of material flowing around the hole with perpendicular arrangement to weld line

圖4給出了橫截面上材料的分布。結合圖3，由于軸肩和攪拌針帶動材料流動速率的差異，可以看出橫截面軸肩區材料為層狀分布。隨著距焊縫上表面距離的增加，軸肩影響減弱、攪拌針影響逐漸增強。受攪拌針螺紋的帶動作用，材料在封閉“腔體”內螺旋運動［13］，兩種鋁合金的變形程度顯著增加，在焊核區表現為充分混合狀態。

圖4 垂直焊縫排列焊后橫截面上材料流動宏觀形貌Fig.4 The macro morphology of materials flowing on the cross section weld with perpendicular arrangement to weld line

為了研究材料在焊接方向上的流動規律，縱截面在焊縫中心處截取，再分別向前進側、后退側各偏離5mm和10mm截取，得到在縱截面上五個特征區的材料流動形貌，如圖5所示。由圖5（a）可以看出，鋁合金試片變形前為垂直排列（白色垂直虛線），攪拌后向焊接反方向發生了扭曲變形（如圖中白色曲線）。當觀測面向前進側偏移5mm時，材料分布與焊縫中間截面相似，也發生了劇烈扭曲變形，如圖5（b）所示。當觀察面偏離距離大于攪拌針影響區時（偏向前進側10mm），母材與攪拌區之間形成了明顯的變形界面，如圖5（c）所示。在后退側（偏向后退側5mm），材料的變形程度明顯低于前進側，攪拌變形后與母材之間仍保持連續狀態，如圖5（d）所示。當偏向后退側大于攪拌針影響區時（即偏向后退側10mm），焊縫與母材之間無明顯的變形分界面，橫截面上軸肩影響區與攪拌區之間只發生了較小的彎曲變形，如圖5（e）所示。此外，由圖5還可以看出，在軸肩影響區與攪拌區交界處，以及攪拌區與母材之間由于材料流動速度的差異，均形成了明顯的變形分界面。

圖5 縱截面不同位置材料流動宏觀形貌（a）焊縫中間；（b）偏向前進側5mm；（c）偏向前進側10mm：（d）偏向后退側5mm；（e）偏向后退側10mmFig.5 The macro morphology of material flowing on the different longitudinal sections （a）middle of weld；（b）offset of 5mm towards AS；（c）offset of 10mm towards AS；（d）offset of 5mm towards RS；（e）offset of 10mm towards RS

通過以上分析可知，在攪拌針和軸肩的共同作用下，材料變形后均不同程度地偏離初始位置，并向焊接反方向彎曲，且前進側材料的彎曲程度明顯高于后退側。此外，由于軸肩和攪拌針在旋轉過程中帶動材料流動的速度差異，因此出現了明顯的變形分界面，即軸肩影響區與攪拌區以及攪拌區與母材之間的變形分界面。

2.3 平行焊縫排列材料流動行為

圖6給出了平行焊縫排列焊后匙孔附近的材料流動形貌。由圖6可以看出，在攪拌針前進側前端，試片沿焊接方向表現為明顯的擠壓狀態，受攪拌針的旋轉作用發生了劇烈剪切變形。在攪拌針正前端和后退側前端，材料受剪切變形程度明顯減弱，主要表現為拉伸變形形貌。以攪拌針為中心，由內而外材料的變形程度逐漸減弱。在攪拌針后端，經攪拌塑化的材料逐漸積聚填充，再在軸肩擠壓作用下形成致密的焊縫。在攪拌針后端填充區，偏向前進側區的材料混合程度明顯高于后退側。此外，受軸肩影響，焊縫表面材料流動無明顯規律，且混合程度較充分。

圖6 平行焊縫排列焊后焊縫表面材料流動宏觀形貌Fig.6 The macro morphology of material flowing on the surface of welded sample with parallel arrangement to weld line

在攪拌摩擦焊接過程中，摩擦是熱輸入和材料流動的原動力。由圖6還可以看出，在攪拌針附近受軸肩和攪拌針共同作用發生了劇烈塑性變形，材料混合較均勻；在后退側的焊核區與母材之間，材料主要受軸肩影響只產生平移，將塑化材料拉伸成細長條帶狀結構；隨著偏離焊核區距離的增大，材料被拉伸成斷斷續續的分布狀態，這是由于該區域內熱輸入量較低、材料塑化較弱導致。

圖7給出了平行焊縫排列焊后橫截面上材料流動的宏觀形貌。由圖7可以看出，在焊核區后退側垂直排列的試片被明顯拉長（如圖中A所示位置）；隨后，材料進入軸肩影響區進一步被拉伸變形；然后，在前進側受攪拌針螺紋的帶動下進入攪拌區，并形成鋸齒狀形貌（如圖中B所示位置）；最后，攪拌區內的材料被擠壓流向后退側，形成了周期性的循環流動。根據以上結果可以推測，攪拌區材料的流動軌跡如圖中白色箭頭指向所示。

根據上述分析，攪拌針的旋轉作用使材料形成了周期性循環流動，在橫截面上表現為“洋蔥環”流動形貌。此外，受軸肩和攪拌針為錐體結構的影響，焊縫內各區域材料流動強度存在明顯差異，在橫截面上表現為“碗”狀流動形貌。

圖7 平行焊縫排列橫截面上材料流動宏觀形貌Fig.7 The macro morphology of material flowing on the cross－section weld with parallel arrangement to weld line

3 結論

（1）垂直焊縫排列的試樣焊縫表面同時出現了兩套弧紋。細小弧紋是攪拌摩擦焊固有特征，粗大弧紋是由材料在焊接方向上發生周期性變化而形成。

（2）受焊速和轉速的共同影響，材料呈非對稱流動。前進側材料流動劇烈、混合較充分，而后退側材料流動較弱且與母材保持連續性分布狀態。

（3）焊縫區材料流動主要受軸肩和攪拌針的影響。在軸肩影響區受軸肩摩擦帶動作用，材料只在平行于焊縫面遷移；在焊核區受攪拌針螺紋的影響材料表現為螺旋運動，該區材料混合較充分。

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