回填式FSSW工藝參數對接頭強度的影響

段珍珍,王 毅,賈坤寧

（長春工程學院，吉林長春130012）

回填式FSSW工藝參數對接頭強度的影響

段珍珍,王 毅,賈坤寧

（長春工程學院，吉林長春130012）

以接頭形式2.5 mm+4.0 mm的5083鋁合金為對象，研究采用回填式攪拌摩擦點焊（RFSSW）時下扎深度、旋轉速度、焊接時間三個主要工藝參數對接頭剪切拉力、交叉拉力及其斷裂方式的影響規律。結果表明，當下扎深度2.8 mm、旋轉速度2 000 r/min、焊接時間7.5 s時，剪切拉力達到最大值14.62 kN，交叉拉力達到最大值5.49 kN。

RFSSW；鋁合金；工藝參數；接頭強度

0前言

攪拌摩擦點焊（FSSW）是1993年由日本馬自達等公司發明的點焊工藝[1-2]，發展至今衍生出了四種點焊方式：①常規式攪拌摩擦點焊（Pure FSSW）；②擺動式攪拌摩擦點焊（Swing FSSW）；③回填式攪拌摩擦點焊（Refill FSSW）；④塑流式攪拌摩擦點焊（Flowing FSSW）[3]。RFSSW技術焊接輕金屬合金具有無匙孔、高質量、節省能源、工藝過程簡單、工作環境清潔等優點[4]，可以替代傳統的電阻點焊、沖壓鉚接等，勢必在鋁合金、鎂合金等輕量化材料焊接中發揮重要作用。在此研究了鋁合金工藝參數對RFSSW接頭剪切拉力、十字交叉拉力及其斷裂方式的影響，為鋁合金RFSSW工藝研究提供理論基礎。

1試驗材料和方法

試驗用母材為5083鋁合金，熱處理狀態為T6，接頭形式2.5 mm+4 mm。設備采用北京賽福斯特公司生產的FSW-TS-S16型攪拌摩擦點焊專機，攪拌針直徑6 mm，攪拌套直徑9 mm。

影響FSSW接頭強度的主要焊接工藝參數為下扎深度、旋轉速度和焊接時間，為此，分別改變下扎深度2.6～2.9 mm、旋轉速度2 000～2 500 r/min、焊接時間6.5～8.0 s，焊接過程中的壓緊力保持在4 kN不變。

剪切拉力和交叉拉力試驗分別按照ISO 14273[5]和ISO 14272[6]執行，試樣尺寸如圖1所示。試樣拉斷后使用S-3400N型掃描電子顯微鏡進行斷口分析。

圖1 剪切拉力和交叉拉力試樣尺寸

2試驗結果分析

2.1下扎深度的影響

旋轉速度2 000 r/min、焊接時間為6.5 s時，攪拌頭的下扎深度對剪切拉力和交叉拉力的影響規律如圖2所示。由圖2可知，剪切拉力和交叉拉力的變化規律相似，隨著下扎深度的增加，均是先增大后減小。當下扎深度為2.8 mm時，剪切拉力達到最大值14.12 kN，交叉拉力達到最大值4.57 kN。當下扎深度較小時，上下兩層板連接面的塑形連接區域較小，直接影響受力面積的大小，此時接頭的抗剪切能力和抗拉能力均較小；隨著下扎深度的增加，攪拌區域變大，上下兩層板的混合程度增大，剪切力和交叉拉力隨之增大；當下扎深度超過一定值后，兩層板連接面寬度不再增大，反而在較大的攪拌區面積內易產生組織缺陷，降低剪切力。

圖2 下扎深度對試驗力的影響規律

剪切拉力試驗后斷口的宏觀和微觀形貌如圖3、圖4所示?？梢钥闯?，在不同的下扎深度，試樣均在上下兩層板的結合面處斷裂。在切應力作用下，上下兩層板沿滑移面分離而造成滑移面分離斷裂，雖然斷后沒有較大的塑形變型，但斷裂面具有細小的凹凸，呈纖維狀，屬于典型的延性斷裂。

圖3 剪切試樣斷口宏觀形貌

圖4 剪切試樣斷口微觀形貌（下扎深度2.6 mm）

交叉拉力試驗后斷口的宏觀和微觀形貌如圖5、圖6所示。在不同下扎深度下，試樣同樣從上下兩層板的結合面處斷裂，但與剪切斷裂不同的是焊點的邊緣塑形變型較大，中心處較平整。這是因為在正拉力作用下，較薄的上層板首先達到母材的屈服強度，逐步開始產生塑性變形，當達到接頭能夠承受的最大拉力后，接頭從焊點邊緣的某處開始產生裂紋，裂紋擴展到一定程度后，接頭內部突然斷裂。因此，焊點的邊緣處有較多細小的韌窩，內部較平坦。

圖5 交叉拉力試樣斷口宏觀形貌

圖6 交叉拉力試樣斷口微觀形貌（下扎深度2.8 mm）

2.2旋轉速度的影響

下扎深度2.8 mm、焊接時間6.5 s時，旋轉速度對剪切拉力和交叉拉力的影響規律如圖7所示。轉速為2 000～2 500 r/min時，剪切拉力和交叉拉力的變化較小，隨著旋轉速度的增加，剪切拉力略微降低，交叉拉力略有提高。表明旋轉速度在此范圍內，均能使材料有較好的流動性，攪拌區組織致密，不會產生明顯的缺陷。

圖7 旋轉速度對試驗力的影響規律

剪切拉力試驗后斷口的宏觀和微觀形貌如圖8和圖9所示。在不同旋轉速度下，試樣均在上下兩層板的結合面處斷裂。同樣是切應力使上下兩層板沿滑移面分離，斷面呈纖維狀并有細小凹凸，與不同下扎深度的影響規律類似。

圖8 剪切試樣斷口宏觀形貌

圖9 剪切試樣斷口微觀形貌（轉速2 200 r/min）

交叉拉力試驗后斷口的宏觀和微觀形貌如圖10和圖11所示。當旋轉速度為2000～2200r/mim時，試樣在上下兩層板的結合面處斷裂，焊點邊緣的塑形變型較大，中心處較平整；當旋轉速度達到2500r/min時，焊點從上層板母材斷裂，表明此時焊點能承受的應力大于母材的抗拉強度。從微觀斷口可以看出，焊點根部起裂源區的塑性韌窩特征較明顯，隨著正拉力的增大，接頭發生塑性滑移，斷裂面上的塑性撕裂特征較為明顯，在拉力方向上存在大量的拋物線形韌窩和撕裂棱。

圖10 交叉拉力試樣斷口宏觀形貌

2.3焊接時間的影響

下扎深度2.8 mm、旋轉速度2 000 r/min時，焊

接時間對剪切拉力和交叉拉力的影響規律如圖12所示。隨著焊接時間的增加，均是先增大后減小。當焊接時間為7.5s時，剪切拉力達到最大值14.62 kN，交叉拉力達到最大值5.49 kN。隨著焊接時間的延長，焊接熱量輸入進一步增加，焊點接頭材料流動性更充分，使抗剪切拉伸性能和抗正拉性能增強；但進一步增加焊接時間時，攪拌針粘連較嚴重，減少了回填金屬量，使性能有所下降。

圖11 交叉拉力試樣斷口微觀形貌（旋轉速度2 500 r/min）

圖12 焊接時間對試驗力的影響規律

在不同焊接時間下，剪切斷口的宏觀形貌和微觀形貌特點與下扎深度、旋轉速度的影響規律類似，試樣在上下兩層板的結合面處斷裂，均屬延性斷裂。

頭部拉力試驗后斷口的宏觀形貌如圖13所示。當焊接時間7～8 s時，焊點均從上層板母材斷裂。可以看出，焊接時間對接頭強度的影響較大，當焊接時間充分時，材料可充分回填，并在攪拌作用下有效流動而不產生缺陷，進而獲得較好的性能。

圖13 頭部拉力試樣斷口宏觀形貌

3結論

（1）當旋轉速度為2 000 r/min，焊接時間為6.5 s時，接頭剪切拉力和交叉拉力隨著攪拌頭下扎深度的增加均是先增大后減小。

（2）當焊接時間為6.5 s、下扎深度為2.8 mm、轉速為2 000～2 500 r/min時，剪切拉力和交叉拉力的變化較小。

（3）當下扎深度2.8 mm、旋轉速度2 000 r/min時，剪切拉力和交叉拉力隨著焊接時間的增加均是先增大后減小。當焊接時間為7.5 s時，剪切拉力達到最大值14.62 kN，交叉拉力達到最大值5.49 kN。

（4）接頭剪切試驗均從上下兩層板的結合面處斷裂，屬于延性斷裂；而交叉拉力試驗隨著熱輸入的增大，焊點從上層板母材斷裂。

[1]Iwashita T.Method and apparatus for Joining[P].U.S.Patent，6601.751，2003.

[2]Thomas W M，Kallee S W，Staines D G，et al.Friction stir welding process variants and developments in the automotive industry[C].SAE World congress，USA，2006.

[3]鄧黎鵬，柯黎明，董春林.攪拌摩擦點焊技術的研究現狀[J].熱加工工藝，2014，43（17）：10-14.

[4]王聯鳳，朱小剛，喬鳳斌.Al-Mg合金填充式攪拌摩擦點焊性能研究[J].焊接學報，2014，35（2）：99-105.

[5]ISO 14273-2000，電阻點焊、縫焊和凸焊抗剪試驗用樣品尺寸和程序[S].

[6]ISO 14272-2000，試樣尺寸和（電阻）點焊，縫焊和浮凸的凸焊的交叉拉力試驗程序[S].

Influence of process parameters on the joint strength by refill FSSW

DUAN Zhenzhen，WANG Yi，JIA Kunning
（Changchun Institute of Technology，Changchun 130012，China）

In this paper，the study object is aluminum alloy 5083 with the joint form of 2.5 mm+4.0 mm.Researched the influence of main process parameters such as pressing depth，rotational speed and welding time,on the shear tensile，cross tension and fracture mode by refill FSSW.The results show that the maximum shear tensile is 14.62 kN and the maximum cross tension is 5.49 kN when the pressing depth is 2.8 mm，the rotational speed is 2 000 r/min and the welding time is 7.5 s.

RFSSW；aluminum alloy；process parameters；joint strength

TG453.9

B

1001-2303（2016）11-0034-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.11.06

獻

段珍珍，王毅，賈坤寧，等.回填式FSSW工藝參數對接頭強度的影響[J].電焊機，2016，46（11）：34-37.

2016-04-04；

2016-06-06

段珍珍（1982—），女，河北石家莊人，博士，講師，主要從事焊接工藝及先進材料連接的研究工作。