超聲波對攪拌摩擦焊接頭組織和力學性能的影響及其機理分析

（上海航天設備制造總廠有限公司，上海200245）

0 前言

攪拌摩擦焊是一種新型的固相連接技術，目前已廣泛應用于鋁合金焊接。但隨著產品質量要求的不斷提高，尋求一種焊后強度更高、焊接工藝裕度更寬的新型攪拌摩擦焊技術十分必要。為此，本研究提出了超聲復合攪拌摩擦焊技術，即通過在焊接過程中引入超聲振動起到細化晶粒、改善塑化金屬流動的作用。以期為焊后強度要求嚴格的產品提供一種新型的焊接工藝技術方法，為鋁合金結構件的高質量、高可靠焊接提供技術支撐[1-5]。

針對 4 mm 厚度 6061 T6、2219 T6、5A06 H112鋁合金試板展開工藝研究，通過工藝試驗比對，總結超聲波對攪拌摩擦焊接頭組織和力學性能的影響。

1 試驗材料和方法

采用 4 mm 厚的 6061 T6、2219 T6、5A06 H112鋁合金試板，其化學成分如表1～表3所示。試件尺寸為100 mm×300 mm，焊前需打磨待焊區域，采用丙酮或酒精清洗表面。控制對接試板裝配間隙在0.05～0.3 mm范圍內，工裝保證夾緊試板。

表1 6061鋁合金的化學成分 %

表2 2219鋁合金的化學成分 %

表3 5A06鋁合金的化學成分 %

超聲復合攪拌摩擦焊示意如圖1所示，工藝試驗方法如圖2所示。試驗主要參數與傳統攪拌摩擦焊試驗相同，無需調整，主軸轉速800 r/min，焊接速度275mm/min，焊接壓入量0.1～0.2 mm。試驗過程中前后不再調整主軸轉速、焊接速度等參數，僅改變外部是否施加超聲波。

圖1 超聲復合攪拌摩擦焊示意

圖2 工藝試驗過程示意

用HNO3+HCl+HF+水溶液對拋光后的試樣進行化學腐蝕，然后置于光學顯微鏡（Oberver D1m）下觀察接頭組織形貌。在電子萬能試驗機（CMT 5305）上進行接頭拉伸試驗。

2 試驗結果及分析

2.1 微觀組織

試驗參數下，6061 T6鋁合金超聲復合攪拌摩擦焊接頭與傳統攪拌摩擦焊接頭的宏觀形貌對比如圖3所示。

圖3 焊接微觀組織

由圖3可知，雖然焊縫仍由焊核區、熱影響區、熱機影響區組成，但是整個焊縫截面的形貌已產生較大差異，主要體現在：（1）超聲波的引入使得原本“圓碗”狀的焊縫截面形態向“倒梯形”的形態轉變和過渡；（2）超聲波加入后，焊核區“洋蔥環”的痕跡更加明顯，材料流動能力增強；（3）超聲波引入后，焊縫熱影響區的寬度較傳統攪拌摩擦焊寬度縮??；采用超聲復合攪拌摩擦焊后，焊縫飛邊去除。

由此可見，超聲波已成功注入焊縫內部，增強了金屬的塑性流動能力。圖4為降低焊接熱輸入條件下的焊接缺陷對比，將主軸轉速降低到600 r/min，焊接速度保持275 mm/min，不加入超聲時焊縫表面成形良好，但是在前進側出現孔洞型缺陷；加入超聲后，孔洞缺陷截面尺寸縮小，證明超聲的引入能夠增強材料的流動能力，工藝裕度增加。

2219鋁合金的焊核區晶粒尺寸對比如圖5所示，由于焊核區尺寸小，難以根據GB/T 6394-2002《金屬平均晶粒度測定方法》對比晶粒度，但可以看出超聲波的加入起到了細化晶粒的作用。圖5a中焊核區晶粒最大尺寸約為10 μm，加入超聲后（見圖5b）晶粒最大尺寸約為5 μm。

2219熱影響區和熱機影響區晶粒對比如圖6所示，5A06焊縫組織晶粒對比如圖7所示。

由圖6、圖7可知，無論是以何種合金元素為主的鋁合金，超聲波的加入都能提升焊縫組織的均勻性，晶粒亦在一定程度上得到細化。

從對比圖中還可以看出，由于焊接參數不良，熱輸入量不足，材料的流動性降低，在攪拌摩擦焊焊縫的前進側出現體積型缺陷，通常稱之為孔洞缺陷。在其他焊接參數一致的條件下，施加超聲后的焊縫缺陷尺寸明顯減小。驗證了超聲波的加入能夠增加金屬塑性流動性，對形成致密的攪拌摩擦焊焊縫有積極作用。

圖4 焊縫缺陷對比

圖5 2219焊核區晶粒對比

圖6 2219熱影響區和熱機影響區晶粒對比

2.2 力學性能

采用相同的工藝參數，加超聲與不加超聲的6061 T6攪拌摩擦焊接頭力學性能如表4所示，性能對比如圖8所示。

不加超聲時接頭的抗拉強度為215 MPa，加超聲時接頭的抗拉強度可以達到247 MPa，較常規攪拌摩擦焊提高14.8%，達到母材的83.7%；接頭的斷后伸長率也略有提高，從5.8%增加到6.2%。

2219與5A06施加超聲前后的力學性能對比如表5和表6所示。

由表4～表6可知，超聲的引入對不同牌號的鋁合金攪拌摩擦焊接頭力學性能的影響是不同的。對于5A06鋁合金，超聲波對接頭抗拉強度影響不大，但能提高焊接接頭力學性能的穩定性。對于2219和6061鋁合金，超聲波可以明顯提高接頭的抗拉強度，但兩者提高的幅度不同，6061鋁合金接頭的抗拉強度提高14.8%，而2219鋁合金接頭的抗拉強度提高11.7%。同樣，超聲波對不同牌號鋁合金攪拌摩擦焊接頭的斷后伸長率的影響也有所不同。

圖7 5A06焊縫組織晶粒對比

表4 6061鋁合金FSW力學性能測試結果

圖8 加超聲與不加超聲拉伸性能對比

表5 2219鋁合金FSW力學性能測試結果

表6 5A06鋁合金FSW力學性能測試結果

3 機理分析

由以上試驗結果分析可知，超聲波可以實現焊縫晶粒細化、金屬流動性增強的效果，最終表現為焊縫形貌發生變化和力學性能提升。其作用機理主要有[6-7]：

（1）機械共振作用。因為超聲的振動效應，在焊接過程中其對周圍的金屬起著二次攪動作用，可以有效地使旋轉攪拌破碎的晶粒再次發生微小破碎結晶。在攪拌頭周圍處于局部熔融狀態的鋁金屬中，顆粒在超聲波的振動下會發生相應振動，超聲頻率越高，顆粒的振動就越強烈，在共振狀態下振動最強，顆粒間沒有方向的相互劇烈振動、相互碰撞會導致晶粒破碎而再度重新結晶，超聲引起的這些促使晶粒破碎再結晶的效應也是導致晶粒細化的一個重要原因。

（2）周期性激波作用。超聲波是一種周期性波，大振幅的超聲波在介質中振動時會形成層層類似波浪式的激波，在每個波面邊緣會形成一定的壓強梯度，在焊接的塑化鋁金屬中會產生局部高溫和壓力，可以一定程度上減少金屬流動時的宏觀偏析，促使晶粒細化。

（3）超聲波的熱效應。它使得超聲波的能量一部分被焊縫處塑性狀態的金屬所吸收，這一部分金屬在短時間內能夠提高溫度，增強流動性，減少材料流動阻力，使攪拌頭的攪動更順暢，攪拌得更充分，良好地融合金屬。

4 結論

（1）超聲復合攪拌摩擦焊技術中超聲的引入影響焊縫截面形貌，與傳統攪拌摩擦焊相比晶粒更為細小，熱影響區更窄。

（2）超聲的加入增強了焊縫塑性狀態金屬的流動性，降低了缺陷發生率。

（3）超聲的引入對不同牌號鋁合金攪拌摩擦焊接頭力學性能的影響是不同的。對于5A06鋁合金，超聲的引入對接頭抗拉強度均值影響不大；6061 T6鋁合金和2219 T6鋁合金的攪拌摩擦焊接頭力學性能獲得提升。6061 T6鋁合金加超聲時接頭的抗拉強度可達247 MPa，較常規攪拌摩擦焊提高14.8%，達到母材的83.7%；而2219鋁合金接頭的抗拉強度達371 MPa，較常規攪拌摩擦焊提高11.7%。