6061－T6鋁合金超聲輔助攪拌摩擦焊接頭的組織與力學(xué)性能

寧朝陽，任成高

（湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長沙 410208）

0 引 言

自1991年英國焊接研究所（TWI）發(fā)明攪拌摩擦焊（FSW）以來，該技術(shù)在鋁、鎂、銅等輕金屬材料的焊接方面展現(xiàn)了獨(dú)特的優(yōu)勢，并得到了越來越廣泛的應(yīng)用［1－2］。FSW屬于固相焊接，焊接過程的溫度較低，不會(huì)達(dá)到被焊材料的熔點(diǎn)，不會(huì)產(chǎn)生裂紋、氣孔等熔化焊經(jīng)常出現(xiàn)的缺陷；此外，它還具有很多優(yōu)點(diǎn)，如接頭強(qiáng)度高，接頭殘余應(yīng)力小、變形小，焊接過程綠色、環(huán)保，焊接成本低，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等［3－5］。目前，F(xiàn)SW 已在航空航天、造船、高速列車、汽車制造等領(lǐng)域顯示出了廣闊的應(yīng)用前景。

隨著被焊材料的強(qiáng)度提高，焊接難度增大，F(xiàn)SW的適焊性下降，表現(xiàn)為接頭的缺陷增多，強(qiáng)度降低，適焊工藝參數(shù)窗口變窄。其根源是由于FSW的熱源主要來自于攪拌針軸肩與焊件上表面間的摩擦熱、攪拌針與焊件結(jié)合面間的摩擦熱以及攪拌針附近金屬的塑性變形熱。其中大部分熱源來自軸肩與焊件上表面間的摩擦熱［6－8］，這一生熱機(jī)制導(dǎo)致熱輸入在焊接區(qū)分布不均，從而使得焊接接頭在厚度方向的組織、性能差異很大，且在焊接接頭下表面易出現(xiàn)未焊透和隧道型缺陷。目前，改善FSW過程中材料流動(dòng)行為的主要途徑是優(yōu)化攪拌頭的幾何形狀、優(yōu)化組合焊接工藝參數(shù)以及改善焊接區(qū)的溫度場，但由于FSW生熱的固有特性，以上三種途徑的改善作用都非常有限。

強(qiáng)超聲在介質(zhì)中傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生一系列效應(yīng)，如力學(xué)效應(yīng)和熱學(xué)效應(yīng)等。其中，超聲波的力學(xué)效應(yīng)有攪拌、分散、除氣、成霧、凝聚和沖擊破碎的作用；熱學(xué)效應(yīng)是指超聲波作用于介質(zhì)中并被介質(zhì)吸收，也就是能量的吸收［9］。在FSW的基礎(chǔ)上，在攪拌針端面輔加一個(gè)縱向振動(dòng)的超聲波，可使攪拌頭在做FSW運(yùn)動(dòng)的同時(shí)因受大功率超聲系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)亦做鉛垂方向的超聲振動(dòng)。超聲能直接作用于攪拌針周圍的塑性金屬，超聲波的攪拌和振動(dòng)破碎作用可提高攪拌針周圍金屬原子的運(yùn)動(dòng)能級(jí)和擴(kuò)散能力，增強(qiáng)微觀塑性流變行為。賀地求［10］、武傳松［11］、Park［12］等分別利用不同的超聲加載形式以及多種試驗(yàn)方法研究了超聲對(duì)攪拌摩擦焊的助焊作用。基于此，作者對(duì)6061－T6鋁合金進(jìn)行超聲輔助攪拌摩擦焊接（UA－FSW），從工藝窗口角度研究了 UAFSW過程中超聲波的助焊效應(yīng)，并將UA－FSW接頭的焊接質(zhì)量、力學(xué)性能以及焊核的顯微組織與FSW接頭的進(jìn)行了對(duì)比。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

待焊材料為3mm厚的6061－T6鋁合金板，其抗拉強(qiáng)度為285MPa，伸長率為8%，斷面收縮率為23%，其化學(xué)成分見表1。焊接時(shí)采用帶螺紋的攪拌頭，軸肩直徑為11mm，攪拌針直徑為3mm，長2.7mm。焊前使用有機(jī)溶劑丙酮擦拭焊件的待焊面，并用專用夾具將焊件固定在工作臺(tái)上。試驗(yàn)過程中攪拌針的旋轉(zhuǎn)速度為1200r·min－1，焊接速度為100～400mm·min－1，超聲功率為2kW，頻率為20kHz。

表1 6061－T6鋁合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Chemical composition of 6061－T6aluminum alloy（mass） %

采用XD7600NT型X射線檢查儀對(duì)焊接接頭中的缺陷進(jìn)行X射線無損檢測；沿垂直于焊縫方向截取拉伸試樣（GB／T 2651－2008）和金相試樣，采用Leica DMI 5000M型光學(xué)顯微鏡（OM）觀察焊核區(qū)的形貌，腐蝕劑為由1%（體積分?jǐn)?shù)，下同）HF、1.5%HCl、2.5%HNO3和95%H2O組成的 Keller試劑；采用Model HVA－10型維氏硬度計(jì)進(jìn)行顯微硬度測試，加載載荷為0.98N，加載時(shí)間為15s；在CSS－44100型電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速度為2mm·min－1，結(jié)果取5次試驗(yàn)的平均值；采用JEOL JSM－6360LV型掃描電鏡（SEM）觀察拉伸斷口的形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 焊接接頭的質(zhì)量

由表2可見，當(dāng)焊速較低時(shí)，F(xiàn)SW和UA－FSW均能獲得無缺陷的焊接接頭。但當(dāng)焊接速度達(dá)到350mm·min－1時(shí)，F(xiàn)SW 接頭出現(xiàn)了連續(xù)缺陷，如圖1（a）所示。這是因?yàn)楫?dāng)焊速較高時(shí)，焊縫單位產(chǎn)熱減少，材料的流動(dòng)性降低，攪拌針后部材料的填充速度跟不上焊接速度，因此產(chǎn)生連續(xù)性孔洞缺陷。但在該焊速下，UA－FSW卻能形成無缺陷的焊接接頭。當(dāng)焊接速度達(dá)到400mm·min－1時(shí)，UA－FSW接頭中開始出現(xiàn)不連續(xù)的微缺陷，如圖1（b）所示，這說明該焊速已達(dá)到3mm厚6061－T6鋁合金進(jìn)行UA－FSW焊接的臨界速度。超聲波的振動(dòng)作用增強(qiáng)了攪拌針周圍材料的流動(dòng)性，這對(duì)消除缺陷具有積極作用。超聲波的助焊效果使UA－FSW接頭的缺陷率比FSW接頭的大幅降低，焊接效率明顯提高，大大提高了焊接質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

表2 FSW接頭和UA－FSW接頭的X射線探傷結(jié)果Tab.2 X－ray detection results of FSW joint and UA－FSW joint

2.2 焊接接頭的力學(xué)性能

2.2.1 拉伸性能

通過拉伸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，所有試樣均斷裂于前進(jìn)側(cè)。

圖1 FSW接頭和UA－FSW接頭的X射線探傷缺陷形貌Fig.1 X－ray detection images of FSW joint and UA－FSW joint：（a）FSW joint，welding rate of 350mm·min－1 and（b）UA－FSW joint，welding rate of 400mm·min－1

由圖2可見，當(dāng)焊接速度在100～300mm·min－1范圍內(nèi)時(shí)，F(xiàn)SW接頭的抗拉強(qiáng)度相當(dāng)，均在210～220MPa之間（為母材的80%左右），伸長率約為6%（略低于母材的）；當(dāng)焊速高達(dá)350mm·min－1時(shí)，F(xiàn)SW接頭的抗拉強(qiáng)度僅為150MPa，伸長率僅為3.5%，這是由接頭內(nèi)部的連續(xù)性孔洞缺陷造成的。

另由圖2可以看出，當(dāng)焊接速度為100～350mm·min－1時(shí)，UA－FSW 接頭的抗拉強(qiáng)度為230～250MPa，伸長率約為7.5%，均高于FSW 接頭的。可見，UA－FSW接頭的強(qiáng)度和塑性均明顯優(yōu)于FSW接頭的。當(dāng)焊接速度高達(dá)400mm·min－1時(shí)，UA－FSW 接頭的抗拉強(qiáng)度大幅下降，僅約為180MPa，這說明X射線檢測出來的不連續(xù)微缺陷對(duì)接頭的力學(xué)性能不利。

圖2 FSW接頭和UA－FSW接頭拉伸性能隨焊接速度變化的曲線Fig.2 Tensile properties vs welding rate for FSW joint and UA－FSW joint

2.2.2 顯微硬度

從圖3可以看出，F(xiàn)SW接頭和UA－FSW接頭顯微硬度曲線的形狀均為“W”型；UA－FSW接頭的顯微硬度較FSW接頭的高，特別是焊核區(qū)顯微硬度提高得更為明顯。超聲輔助的攪拌、破碎作用使UA－FSW接頭焊核區(qū)中的晶粒尺寸較FSW接頭焊核區(qū)的更加細(xì)小、均勻，因此UA－FSW接頭焊核區(qū)的組織更好，顯微硬度也更高。此外，與FSW接頭相比，UA－FSW接頭焊核區(qū)顯微硬度曲線的波動(dòng)更小。

由于FSW和UA－FSW的焊接特性，前進(jìn)側(cè)和返回側(cè)的熱機(jī)影響區(qū)與熱影響區(qū)交界處的金屬受到劇烈的攪拌作用，其組織和性能較差，硬度較低，且前進(jìn)側(cè)的硬度最低。這是由于前進(jìn)側(cè)金屬的塑性流動(dòng)方向與母材的塑性流動(dòng)方向相反，使得前進(jìn)側(cè)的金屬經(jīng)受較為劇烈的變形，組織和性能均較返回側(cè)的低，這也是拉伸試樣均斷于前進(jìn)側(cè)的原因。

圖3 FSW接頭和UA－FSW接頭的顯微硬度分布曲線Fig.3 Microhardness distribution curves of FSW joint and UA－FSW joint

2.3 焊接接頭拉伸斷口形貌

FSW接頭的拉伸斷口主要由細(xì)小的等軸韌窩組成，韌窩較小且較淺，數(shù)量也較少，如圖4（a）所示，可知該接頭的韌性較差。UA－FSW接頭拉伸斷口中的韌窩較大，數(shù)量也較多，在大韌窩里還包含著許多細(xì)小的韌窩，如圖4（b）所示，可知該接頭具有較好的韌性，斷裂屬于韌性斷裂。

2.4 焊核區(qū)的組織

由圖5可以看出，兩種接頭焊核區(qū)的形貌非常相似，都有明顯的“洋蔥環(huán)”。

焊核區(qū)在攪拌針劇烈的攪拌和摩擦作用下發(fā)生顯著的塑性變形，而且溫度較高，達(dá)到了再結(jié)晶溫度，從而可以實(shí)現(xiàn)晶粒的再結(jié)晶和強(qiáng)化相的再分配，所以焊核區(qū)為非常細(xì)小的等軸再結(jié)晶晶粒。對(duì)比圖5（a～b）可以看出，UA－FSW接頭焊核區(qū)的金屬流動(dòng)得更為流暢，晶粒較FSW接頭焊核區(qū)的也更加細(xì)小、均勻。這是因?yàn)槌曉诤附舆^程中起到了改善組織流動(dòng)性和細(xì)化晶粒的作用，這使得UA－FSW接頭的強(qiáng)度和塑性更好。UA－FSW因附加了超聲波的高頻振動(dòng)和攪拌作用，加強(qiáng)了對(duì)焊縫組織的攪拌作用，增強(qiáng)和改善了金屬的塑性流動(dòng)，所以焊核區(qū)呈現(xiàn)出的“洋蔥環(huán)”特征更為流暢。

圖4 FSW和UA－FSW接頭的拉伸斷口形貌Fig.4 Tensile fracture morphology of FSW joint（a）and UA－FSW joint（b）

圖5 FSW接頭和UA－FSW接頭焊核區(qū)的OM形貌Fig.5 OM morphology of weld nugget zone in FSW joint（a）and UA－FSW joint（b）

UA－FSW焊接可使焊核區(qū)金屬的流動(dòng)性更為流暢，組織更為致密，能有效改善FSW焊接因金屬流動(dòng)不充分而引起的各種焊接缺陷。因此，當(dāng)焊速為350mm·min－1時(shí)，F(xiàn)SW接頭已出現(xiàn)連續(xù)性隧道缺陷，而UA－FSW接頭則成形良好且無缺陷。可見，超聲波助焊拓寬了焊接工藝窗口。

3 結(jié) 論

（1）UA－FSW焊接能有效改善金屬的塑性流動(dòng)，減少焊接缺陷，拓寬焊接工藝窗口。

（2）兩種焊接接頭的顯微硬度曲線均呈“W”形，焊核區(qū)均呈“洋蔥環(huán)”特征，但UA－FSW接頭焊核區(qū)的“洋蔥環(huán)”流線更為流暢和均勻，組織更為細(xì)小、致密。

（3）與FSW 接頭相比，UA－FSW 接頭的硬度和拉伸性能更高，斷口上的韌窩更多、更深，焊核區(qū)的晶粒更小、更均勻。

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