鋁合金填充式攪拌摩擦點焊工藝試驗

孫 倩，周 宏，吳在侯

（1.集美大學(xué) 輪機工程學(xué)院，福建廈門 361021；2.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212003）

鋁合金填充式攪拌摩擦點焊工藝試驗

孫 倩1，周 宏2，吳在侯2

（1.集美大學(xué) 輪機工程學(xué)院，福建廈門 361021；2.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212003）

文章對5A06鋁合金進行了填充式攪拌摩擦點焊，對焊接接頭進行了力學(xué)性能試驗和金相試驗。通過觀察焊縫的微觀組織，分析了不同焊接工藝參數(shù)對填充式攪拌摩擦點焊接頭力學(xué)性能和截面成形的影響。結(jié)果表明：焊接時間對摩擦點焊接頭的抗剪切性能和抗拉性能影響最大；點焊工具旋轉(zhuǎn)速度增加對接頭的抗拉性能有增強作用。

鋁合金；焊接工藝參數(shù)；填充式攪拌摩擦點焊

0 引言

攪拌摩擦焊接工藝自身特點導(dǎo)致焊接結(jié)束、攪拌針離開焊件的位置處會留下一個攪拌針直徑大小的匙孔[1]。對于直線焊縫，將匙孔留在余量即可消除匙孔，而對于攪拌摩擦點焊這種方法缺乏應(yīng)用條件，必須用其他方式消除匙孔[2]。填充式攪拌摩擦點焊就是其中一種方法，本文采用先進的攪拌摩擦焊設(shè)備進行鋁合金填充式攪拌摩擦點焊試驗，分析不同工藝參數(shù)對接頭力學(xué)性能的影響，對試驗材料接頭斷裂形式和接頭截面金相照片進行討論和分析。

1 試驗材料和試驗設(shè)備

本文攪拌摩擦點焊試驗所用的材料是5A06防銹鋁，它在常溫下組織為α固溶體和β相（Al3Mg2），其中的合金錳、鐵、硅可形成不同的雜質(zhì)相（AlMg2Zn、AlFeSi和Mg2Si），其化學(xué)成分如表1所示。

攪拌摩擦點焊試驗采用的設(shè)備為 RPS100，攪拌頭中心軸外直徑為9 mm，中間圓環(huán)直徑為5 mm。

表1 5A06鋁合金的化學(xué)成分

試驗工藝參數(shù)：

攪拌工具旋轉(zhuǎn)速度為500 r/min～2 750 r/min，焊接時間為1.6 s～6.4 s，攪拌圓環(huán)下壓量為0 mm～0.8 mm，焊接壓力為21 kN～30 kN。

2 填充式攪拌摩擦點焊試驗方案

試驗方案設(shè)定如下：

1）材料填充階段

此階段要求在保證匙孔附近材料熱影響區(qū)域盡可能小的前提下，將匙孔填充滿與母材相同的材料。此階段對匙孔內(nèi)部材料的組織和缺陷沒有特別的要求。

2）攪拌點焊修復(fù)階段

用摩擦點焊法在匙孔處進行焊接過程，焊接區(qū)域盡量覆蓋到所有匙孔區(qū)材料以及受前過程熱影響的區(qū)域，最終形成組織和力學(xué)性能一致的攪拌摩擦焊接環(huán)焊縫。相比回抽式無匙孔攪拌摩擦焊接工藝[3]，此補焊工藝具有不必存在回抽段減薄區(qū)和工藝位置實現(xiàn)性好等優(yōu)點。目前在摩擦點焊工藝、點焊接頭性能方面信息有限，實現(xiàn)摩擦點焊補孔之前，必須對摩擦點焊工藝參數(shù)對焊點性能影響情況和焊點性能特點有全面的把握。為了便于點焊性能的測試，試驗選用5A06鋁合金板厚度為2 mm，試驗采用搭接進行焊接，每個參數(shù)做7個焊點接頭，6個用于做力學(xué)性能測試，1個用于截面金相分析，擬通過焊點性能測試數(shù)據(jù)評價摩擦點焊接頭性能，并討論其用于填補匙孔的可行性。

焊縫性能測試：抗剪切試樣和十字拉伸試樣如圖1所示，相同試驗參數(shù)抗剪切試樣做3個，十字拉伸試樣做3個，最后取平均值用于試驗結(jié)果分析。

焊縫截面金相分析：焊縫沿直徑截取截面制備金相試樣，采用Zeiss Stemi2000-C顯微鏡觀察截面情況。

圖1 抗剪切試樣與十字拉伸試樣圖示

3 工藝參數(shù)對接頭截面成形的影響

圖2為點焊工具旋轉(zhuǎn)速度不同時接頭截面圖。隨著點焊工具旋轉(zhuǎn)速度逐漸增大，單位時間單位距離材料受熱量增加，發(fā)生塑性流動的材料增加，從圖中可以看出焊點與母材的環(huán)形分界線逐漸彎曲，上下分界線逐步向下凸起。

圖2 點焊工具不同旋轉(zhuǎn)速度不同焊點截面圖（L=0.3 mm；t=2.4 s；F=30 kN）

圖3為焊接時間不同時接頭截面圖，隨著焊接時間逐漸增大，焊點與母材的上下分界線逐步向下移動并有凸起趨勢。當(dāng)焊接時間增至6.4 s，接頭表層組織出現(xiàn)蜂窩狀形態(tài)，這是由于焊接第三階段，中間圓環(huán)上升的同時攪拌針下降與攪拌針摩擦生熱的材料溫度過高引起。

圖3 焊接時間不同時焊點的截面圖（L=0.3 mm；F=30 kN；n=2 000 r/min）

圖4為下壓深度不同時接頭截面圖，隨著下壓深度增加，接頭區(qū)域向下擴展。

圖4 下壓深度不同時焊點截面圖（F=30 kN；t=2.4 s；n=2 000 r/min）

4 接頭力學(xué)性能測試

1）攪拌工具旋轉(zhuǎn)速度n對摩擦點焊的影響

在其他參數(shù)不變的情況下，選用不同攪拌速度所得的抗剪切性能和抗拉性能測試結(jié)果如表 2所示。

表2 攪拌工具旋轉(zhuǎn)速度不同時焊點力學(xué)性能測試表

從表2可以看出，隨著攪拌工具旋轉(zhuǎn)速度n的增加，攪拌摩擦點焊焊縫的抗剪切性能變化不大，抗拉性能增強明顯。

2）中間圓環(huán)下壓（上升）時間t1（t2）對摩擦點焊的影響

表3為中間圓環(huán)下壓（上升）時間不同時焊縫的抗剪切性能和抗拉性能測試結(jié)果，可以看出中間圓環(huán)下壓（上升）時間為2.4 s時焊縫的抗剪切性能達(dá)到最高，1.6 s時抗拉性能達(dá)到最高；隨著中間圓環(huán)下壓（上升）時間減少，由于焊接熱量小，無法使焊縫材料達(dá)到塑性流動的最佳溫度，焊縫的抗剪切性能和抗拉性能總體下降。

表3 中間圓環(huán)下壓（上升）時間不同時焊點的力學(xué)性能測試表

3）攪拌圓環(huán)下壓量L對摩擦點焊的影響

攪拌圓環(huán)下壓量L決定了焊縫熱力攪動區(qū)域的深度，表4為攪拌圓環(huán)下壓量不同時焊縫的抗剪切性能和抗拉性能測試結(jié)果，可以看出，當(dāng)下壓深度為0.3 mm時焊縫的抗剪切性能達(dá)到最大值，下壓深度為0.2 mm時焊縫的抗拉性能達(dá)到最大值；當(dāng)下壓深度為0 mm時，上下試板僅有熱和壓力作用，未有熱力攪動區(qū)域，因此抗剪切性能和抗拉性能都最低；當(dāng)下壓深度大于0.3 mm時，焊縫的抗剪切性能逐步下降，下壓深度增加到0.8 mm時，焊縫的抗剪切性能下降了14.3%，不過此過程焊縫的抗拉性能沒有明顯下降。

表4 下壓深度不同時焊點力學(xué)性能測試表

4）焊接壓力F對摩擦點焊的影響

夾持壓力過小會造成焊縫無法成形，但是壓力過大又會造成圓環(huán)處壓痕過深。對于本試驗選用的2 mm的5A06鋁合金經(jīng)嘗試性試驗得出夾持壓力F值超過20 kN焊縫即可形成，直到壓力極限值30 kN都可得到外觀無缺陷的焊縫。表5為焊接壓力不同時焊縫的抗剪切性能和抗拉性能測試結(jié)果。可以看出焊接壓力對焊縫抗剪切力影響不大，但是焊接壓力偏小時（21 kN）焊縫抗拉性能較差。不過總體看來，可以獲得優(yōu)質(zhì)摩擦點焊焊縫的焊接壓力適應(yīng)區(qū)間是比較大的。

表5 焊接壓力不同時焊點力學(xué)性能測試表

5 摩擦點焊用于無匙孔攪拌摩擦焊技術(shù)的可行性分析

前面的工藝試驗得出了各工藝參數(shù)對接頭性能的影響，從性能測試數(shù)據(jù)可以看出，摩擦點焊接頭具有一些以前的焊接接頭所不具備的特征，如抗拉力遠(yuǎn)低于抗剪力的性能，這與摩擦點焊的工藝特殊性密切相關(guān)。為了明確摩擦點焊接頭性能特性，保證其用于填補攪拌摩擦焊接最終匙孔時焊縫性能上的穩(wěn)定可靠，需從接頭斷裂形式和焊縫組織兩方面作進一步討論。

5.1 接頭斷裂形式討論

摩擦點焊接頭的抗剪試片斷裂形式為兩類，如圖5所示，其中I型剪切方式為自水平連接面撕裂，II型剪切方式為自豎直連接面剝落。對應(yīng)性能數(shù)據(jù)，I型剪切的試片性能降低，抗剪力均未達(dá)到7.5 kN；II型剪切的試片抗剪力均達(dá)到7.5 kN以上，并且隨著剝落界面的粗糙度的增加，抗剪力加大。因此，II型剪切方式試片為工藝參數(shù)合理的摩擦點焊接頭。

圖5 點焊接頭剪切開裂形式

摩擦點焊接頭的抗拉試片斷裂形式為3類，如圖6所示，其中沿水平連接面拉開的為I型拉裂方式，沿豎直連接面拉開剝落界面光滑的為II型拉裂方式，沿豎直連接面拉開剝落界面粗糙的為III型拉裂方式，這3類試片對應(yīng)的抗拉力自小到大排列：II型、I型、III型。III型拉裂方式試片為工藝參數(shù)合理的摩擦點焊接頭。

圖6 點焊接頭拉伸開裂形式

綜上所述，在最佳工藝參數(shù)條件下，摩擦點焊接頭的薄弱面為豎直連接面。

5.2 接頭截面金相照片分析

圖7為接頭金相圖，圖8～圖10為圖7中標(biāo)示出的三處區(qū)域放大金相照片。

圖7 接頭截面金相照片分區(qū)圖

接頭從組織形貌分為：熱力影響區(qū)、壓力影響區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)。從焊接整體過程來看，接頭由攪拌圓環(huán)下壓上升迫使接頭區(qū)域金屬發(fā)生塑性流動而形成[5]。其中焊點內(nèi)部大部分材料和母材區(qū)域組織形貌相差很大，說明這部分材料受熱量較大，成為熱力影響區(qū)；在接頭下端兩側(cè)有部分區(qū)域和母材區(qū)域組織形貌相差不大，說明這部分材料受熱量較小，成為壓力影響區(qū)。

由于母材材料屬于非熱處理強化鋁合金，熱影響區(qū)區(qū)域與母材形貌差別不明顯。接頭中組織呈現(xiàn)“洋蔥狀”形貌，在焊接第三階段，攪拌圓環(huán)上移留出空腔，同時攪拌針下壓材料，材料向兩邊塑性流動填滿空腔，由于此過程時序相關(guān)，同一時刻上下兩層材料必然存在流動變形速率差，導(dǎo)致組織中出現(xiàn)“洋蔥狀”層層堆疊的形貌。

圖8 1區(qū)域放大

圖9 2區(qū)域放大

圖10 3區(qū)域放大

焊點和母材的結(jié)合界面有兩個部位：水平連接界面和豎直連接界面。水平連接界面就是搭接界面，豎直連接界面是由于點焊工具套環(huán)向下摩擦擠壓運動造成的連接界面。

由于點焊工具套環(huán)下壓深入到第二層材料表面以下，將區(qū)域表面的氧化膜打碎分散擠壓入中心區(qū)域，在攪拌圓環(huán)上升時中心材料又被填入攪拌圓環(huán)上升形成的瞬時空腔[6]，水平連接界面區(qū)域的材料在熱和力的共同作用下變形、流動，界面接觸并擴散融合，由平面分離狀態(tài)變成曲面結(jié)合狀態(tài)，因此水平連接界面連接質(zhì)量高，這是摩擦點焊接頭抗剪性能優(yōu)異的本質(zhì)原因。

點焊工具套環(huán)摩擦向下運動時會將母材剪切出一個界面，在套環(huán)上升時由填入點焊圓環(huán)上升形成的瞬時空腔的材料和此界面有一個接觸擴散連接過程[6]。這個結(jié)合界面從受力情況來看僅僅受到橫向擠壓作用，從受熱情況看母材側(cè)表面溫度較高和填入材料發(fā)生擴散融合。豎直連接界面分為與熱力影響區(qū)形成的連接界面和與壓力影響區(qū)形成的連接界面。由于壓力影響區(qū)材料溫度較其它區(qū)域溫度低，與豎直界面形成可靠連接的條件比其它區(qū)域更為苛刻，是結(jié)合最為薄弱的區(qū)域。

6 結(jié)論

通過對5A06鋁合金進行填充式攪拌摩擦點焊以及對接頭性能的分析，可以得出以下結(jié)論：

1）摩擦點焊工藝試驗研究表明，焊接時間對摩擦點焊接頭的抗剪切性能和抗拉性能影響最大；點焊工具旋轉(zhuǎn)速度僅對接頭的抗拉性能有增強作用；焊接深度和焊接壓力的工藝范圍窗口較大。

2）摩擦點焊接頭組織呈“洋蔥狀”流線形貌，其接頭由熱力影響區(qū)、壓力影響區(qū)和熱影響區(qū)構(gòu)成；點焊接頭與母材存在水平和豎直兩個連接界面，其中豎直連接界面是點焊接頭連接最為薄弱的部位。

3）性能較弱的豎直連接界面的存在會消弱匙孔補焊處的力學(xué)性能，因此亟待開發(fā)一種新型的摩擦點焊技術(shù)予以技術(shù)代替，應(yīng)用于匙孔填補工藝。

[1]荊忠亮,趙彤涌,宋志強.船舶結(jié)構(gòu)的攪拌摩擦焊技術(shù)[J].艦船科學(xué)技術(shù),2015,37(4)： 117-120.

[2]王訓(xùn)宏,王快社.攪拌摩擦焊的發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問題[J].焊接技術(shù),2006,35(06)： 2-4.

[3]曾平.攪拌摩擦焊在船用鋁合金結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用[J].船海工程,2010,39(1)： 55-57.

[4]黃旺福,黃金剛.鋁及鋁合金焊接指南[M].湖南： 湖南科學(xué)技術(shù)出版社,2005.

[5]鄢東洋.鋁合金薄壁結(jié)構(gòu)攪拌摩擦焊熱—力學(xué)過程的研究及模擬[D].清華大學(xué)博士學(xué)位論文,2010.

[6]李標(biāo)峰.船用鋁合金焊接及其船體建造工藝[M].北京： 國防工業(yè)出版社,2005.

Experiment on Filling Friction Stir Spot Welding of Aluminum Alloy

SUN Qian1,ZHOU Hong2,WU Zaihou2
(1.Marine Engineering Institute,Jimei University,Fujian Xiamen 361021,China; 2.Naval Architecture and Ocean Engineering Institute,Jiangsu University of Science and Technology,Jiangsu Zhenjiang 212003,China)

In the paper,the 5A06 aluminum alloy is welded by the filling friction stir spot welding technology.The mechanical properties of the welded joint and metal lography are tested.By observing the weld microstructure,the analysis of the different welding parameters on the filling mechanical properties of friction stir welding joints and shape of cross section is done.The result shows that the time of welding has the biggest effects on the friction welding joints shear resistance and tensile properties.The rotation speed of the welding tool can enhance the tensile properties of joints.

aluminum alloy; welding parameter; filling friction stir spot welding

TG453.9

A

10.14141/j.31-1981.2017.05.010

孫倩（1974—），女，副教授，研究方向：船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計制造。