焊接速度對厚板5083鋁合金攪拌摩擦焊接頭組織與性能的影響

（中鋁材料應用研究院有限公司中鋁中央研究院材料科學研究分院，北京102209）

0 前言

5083鋁合金屬于鋁-鎂系（5XXX）合金，為不可熱處理鋁合金，具有強度中等、塑性良好、焊接性能較好、耐應力腐蝕性能優良等特點，是船舶、汽車、軌道交通等制造行業理想的結構材料[1]。攪拌摩擦焊是一種固相連接技術，與傳統熔化焊接方法相比，能夠得到高性能、無缺陷、變形小的焊接接頭，因此廣泛應用于鋁、鎂、鈦等輕合金的連接[2]。國內外學者對攪拌摩擦焊鋁合金的微觀組織、力學性能和斷口形貌進行了大量研究，尤其是具有優良焊接性能的5083鋁合金。TomotakeHirata[3]等人對3mm厚的5083-O鋁合金進行工藝參數研究，對比不同轉速和焊接速度下的接頭性能，認為轉速500r/min、焊接速度100 mm/min所對應的攪拌區域性能最好，各項力學性能與母材相當。古寶康[4]等人采用FSW焊接3 mm厚的5083-O態鋁合金板材，在攪拌頭轉速恒定為800 r/min時，逐漸提高焊接速度進行工藝參數配置，當焊接速度為60 mm/min時，接頭抗拉強度316 MPa，斷后伸長率21.2%，斷口存在細小的韌窩和解理平面，為韌性和脆性混合型斷裂；Lombard[5]等人對6 mm厚5083-H111鋁合金板材進行FSW工藝試驗，得出攪拌頭傾角為2.5°、轉速266 r/min、焊接速度85 mm/min時，接頭無缺陷，力學性能最優，并指出轉速是保證焊接質量的關鍵因素。綜上，已報道的文獻主要集中在10 mm以下厚度的5083鋁合金板材的研究，而對較厚5083鋁合金板材研究較少。

本研究以12 mm厚的5083鋁合金板材為對象，進行對接接頭形式的攪拌摩擦焊試驗。在同一轉速、不同焊接速度條件下，對比研究焊接速度對5083厚板接頭的微觀組織和力學性能的影響規律。

1 試驗方法

試驗母材為12 mm厚的5083鋁合金板材，試樣尺寸300 mm×100 mm，化學成分如表1所示。

表1 5083鋁合金化學成分 %

采用北京世佳博公司制造的FSW-LM2217-2D-10T型攪拌摩擦焊接設備，錐形攪拌頭，攪拌針長度11.8 mm，下壓量0.3 mm，傾斜角2.5°。板材對接放置。焊接工藝參數：焊接轉速恒定為600 r/min，焊接速度為100 mm/min和300 mm/min。由于厚板焊接時焊接工藝參數可調節范圍較窄，在此采用轉速不變且在一定范圍內改變焊接速度的方式進行研究，焊接速度過大或過小均不在本次試驗出現。

金相試樣取自焊縫截面，用陽極覆膜法制備試樣（38 ml H2SO4+43 mlH2PO3+19 ml H2O混合液），采用Axio Scope.A1光學顯微鏡觀察試樣組織。利用Fischer HM 2000型顯微硬度儀沿焊縫界面分上、下兩層測量硬度。在室溫條件下按照GB/T 228.1-2010標準在AG-X Plus-10 KN拉伸試驗機上進行拉伸試驗，用SEM觀察拉伸后斷口微觀形貌。

2 試驗結果和分析

2.1 接頭宏觀與微觀形貌

焊接接頭截面宏觀形貌如圖1所示，焊后接頭形成了軸肩影響區（SAZ）、焊核區（NZ）、熱機影響區（TMAZ）和熱影響區（HAZ）4個不同的區域，焊縫區域上寬下窄，呈“盆”狀。

圖1 焊縫宏觀形貌

在轉速一定的情況下，焊接速度為300 mm/min的焊核區（NZ）和軸肩影響區（SAZ）區域小于焊接速度為100 mm/min的焊核區和軸肩影響區，這是因為焊接速度變化引起了焊縫金屬熱輸入和受力情況變化。FSW線能量q的表達式為[6]

式中 A為常數；n為攪拌頭轉速；v為攪拌頭焊接速度。

由式（1）可知，在轉速不變的情況下，在一定范圍內增大焊接速度會減小線能量q，降低塑性金屬流動性；同時在焊縫的單位長度攪拌針參與攪拌和混合時間減少，加之軸肩在下壓過程中與工件上表面單位長度接觸時間也縮短，使得焊縫金屬產熱和受力在一定程度上減少，導致軸肩區和焊核區面積減小。

不同焊接速度的5083FSW鋁合金接頭截面微觀形貌如圖2所示，焊縫中心形成一系列同心圓環狀結構，稱為“洋蔥環”[7]。

對比兩種焊接速度形成的洋蔥環后發現，焊接速度提高，洋蔥環結構呈現不同形貌，圓環的間距有所增大。影響洋蔥環間距的表達式為[8]

式中 kd為間距因子；f為軸肩與材料表面之間的摩擦系數；n為攪拌頭的轉速；v為攪拌頭焊接速度。洋蔥環的間距只與焊接轉速和焊速有關，轉速一定的條件下，焊速提高，洋蔥環間距增大。其原理是：于焊縫熱輸入量影響著流動金屬的量以及流動性，固定轉速，提高焊接速度，熱輸入量和攪拌程度均下降，攪拌頭每旋轉一周前進的距離變大，導致洋蔥環間距增大。

兩種焊速下前進側和后退側微觀形貌如圖3所示。可以看出，兩種焊速下的晶粒大小分布、焊核區和熱機影響區以及分界線的分布規律一致。焊核區直接受到攪拌針的摩擦和攪拌作用，在劇烈塑性變形和高溫的共同作用下晶粒分布細小且均勻；熱力影響區受到溫度升高和攪拌頭的扭轉摩擦等多重作用，晶粒明顯拉長變形；熱影響區僅受到熱循環作用，晶粒未發生變形；前進側熱力影響區與焊核區界線比后退側界線更明顯，這是由于前進側金屬流動方向與母材的相對運動方向相反，而后退側運動方向相同且溫度略高，金屬流動性更佳，故后退側界線相對模糊。

圖2 不同焊接速度的5083FSW鋁合金接頭截面洋蔥環微觀形貌

圖3 不同焊接速度的5083FSW鋁合金接頭截面焊核區微觀形貌

當轉速一定，兩種焊速下5083FSW鋁合金顯微組織分布規律相同，但在焊接速度為300 mm/min的試樣后退側根部發現了未焊合缺陷[9]——1條500μm長的裂紋狀細線貫穿焊縫底部，指向后退側焊核區及熱影響區，如圖4所示。這是因為焊接速度較快，攪拌摩擦熱輸入不足，塑化的材料流動不充分，造成攪拌針前端板材間隙沒有被焊合。這種焊接缺陷對焊接接頭的力學性能影響很大，不僅降低了接頭抗拉強度，而且使斷裂位置發生改變。

圖4 焊速300 mm/min的后退側根部未焊合缺陷

2.2 接頭力學性能

拉伸試驗測試5083FSW鋁合金接頭抗拉強度和延伸率，母材與焊縫力學性能對比如表1所示。當焊速為100 mm/min時，抗拉強度高達308 MPa，為母材強度的97.1%，基本與母材相當，斷后延伸率略微下降。當焊接速度為300 mm/min時，抗拉強度僅為178 MPa，為母材的56.2%，斷后延伸率也大大下降，焊接接頭力學性能惡化。

表1 不同焊速下焊接接頭力學性能與母材對比

當轉速一定，兩種焊速下5083FSW鋁合金焊縫截面顯微硬度分布曲線如圖5所示。由圖5可知，沿焊縫截面硬度分布近似呈W形分布，即兩側母材硬度高，熱影響區和熱力影響區硬度值降低，到焊縫中心位置焊核處硬度值又升高。其原因為焊核區的金屬發生了動態再結晶，晶粒細小均勻，細晶強化效果明顯，抵抗塑性變形能力增強，因此硬度值高于焊縫其他區域。整體來看，兩種焊速的上部和下部對應的焊縫硬度的最低點都位于前進側。由此可見，焊縫區域出現了較大程度的軟化現象[10]。

由圖5還可知，兩種焊接速度下的焊縫區域，上部硬度值普遍低于下部硬度值，這是因為上部主要受到軸肩下壓和攪拌針摩擦的雙重作用，產生較大熱量且冷卻時間長，熱影響區和熱力影響區的晶粒受到高溫作用出現了過時效，導致晶粒長大[11]，故相對焊縫下半部分硬度值下降。

圖5 不同焊速的焊縫區硬度分布

2.3 斷口分析

兩種焊速的斷裂位置示意如圖6所示。焊速為100 mm/min的試樣斷裂位置發生在熱影響區，而焊速為300 mm/min的試樣斷裂位置發生在焊核區域，這是因為焊核區微觀組織晶粒細小均勻，強度高于母材，而熱影響區晶粒為典型的受熱長大組織，區域材料性能弱化，斷口通常出現在該區域。但當焊接速度為300 mm/min時，焊縫根部出現了未焊合，導致接頭力學性能急劇下降，故斷裂位置發生在焊核中心。

兩種焊速的焊接接頭斷口微觀組織如圖7所示。當焊速為100 mm/min時，接頭斷口呈韌性斷裂，韌窩直徑較大，數量較多，接頭獲得較高的韌性，這與力學性能中斷后延伸率值較高相吻合。當焊速為300 mm/min時，斷口處韌窩較淺且部分被拉長，存在少量準解理面，接頭斷口為韌-脆混合斷裂[12]，塑韌性較差。

圖6 接頭斷裂位置

圖7 焊接接頭斷口微觀組織

3 結論

（1）對于12 mm厚板5083鋁合金FSW焊接接頭，當轉速一定時（600r/min），焊速100mm/min的輸入線能量高于焊速300 mm/min的，軸肩熱影響區和焊核區分布面積大，且洋蔥環間距較小，排布更緊湊。

（2）當焊速為300 mm/min時，在焊接接頭的焊核區底部發現未焊合缺陷，對斷裂位置和抗拉強度有直接影響，力學性能急劇降低；而焊速為100mm/min時，獲得的焊接接頭的力學性能較好，達到母材的97.1%，斷后延伸率與母材相當；兩種焊速的硬度分布大致呈“W”分布，焊縫上部硬度值普遍低于下部硬度值，硬度最低點位于前進側熱影響區。

（3）焊速100 mm/min的焊接接頭斷裂機制為韌性斷裂，塑韌性較好；焊速300 mm/min焊接接頭斷裂機制為韌-脆性混合斷裂，塑韌性較差。由此可見，在進行厚板鋁合金攪拌摩擦焊時，當轉速一定時需匹配合適的焊速，才能獲得高質量的焊接接頭。