5052/6061異種鋁合金薄板攪拌摩擦焊接工藝研究

王勇強，王進，王夢婷，李寶閣，張會

5052/6061異種鋁合金薄板攪拌摩擦焊接工藝研究

王勇強，王進，王夢婷，李寶閣，張會

（青島理工大學 機械與汽車工程學院，山東 青島 266000）

研究焊接速度、攪拌頭旋轉速度和下壓量對異種鋁合金攪拌摩擦焊接頭力學性能的影響，找出最佳工藝參數，從而進一步提高接頭的力學性能。采用正交實驗法對1.5 mm厚5052/6061異種鋁合金攪拌摩擦焊接進行實驗設計，焊接完成后，觀察焊縫宏觀形貌，然后將試件制成標準拉伸試樣進行拉伸實驗，拉伸實驗完成后用掃描電鏡觀察焊接接頭的斷口形貌，最后運用極差分析法和方差分析法分別對實驗結果進行分析。在選取的工藝參數范圍內，攪拌頭旋轉速度影響最大，其次是焊接速度，下壓量影響最小。當焊接速度為120 mm/min、轉速為1 400 r/min、下壓量為1.5 mm時，接頭抗拉強度達到了最大值194 MPa，伸長率也達到了最大值9.62%。在一定工藝參數范圍內，提高焊接速度或攪拌頭的旋轉速度能顯著提高接頭的力學性能，而下壓量對接頭力學性能影響不顯著。

異種鋁合金；攪拌摩擦焊；接頭力學性能；正交實驗

鋁合金以其密度低、耐腐蝕性能好、導電導熱性能優良等優點，廣泛應用于航空航天、汽車工業、機械制造等領域[1]。不同種類的鋁合金性能相差較大，導致每種鋁合金的應用場合有所不同，但是在一些高要求的場合中，零件的不同部位需要具有不同的使用性能，單一鋁合金不能滿足其要求，因此，異種鋁合金材料的焊接顯得尤為重要[2]。英國焊接研究所研發的一種新型固相連接技術——攪拌摩擦焊，具有焊接接頭質量高、焊件變形小、對環境污染小等特點[3]。不同材料的力學性能、物理化學性能及微觀結構等存在較大差異，但是攪拌摩擦焊比傳統焊接方法對材料的適應性更強，從而能夠有效克服這些性能差異對焊接造成的困難，故而使用攪拌摩擦焊連接異種材料具有很大的應用前景[4]。攪拌摩擦焊在薄板焊接時有其獨特的優勢，并且特別適用于鋁合金薄板的焊接[5]。

近年來國內外許多研究者對異種鋁合金的攪拌摩擦焊接進行了相關研究。Ravi等[6]對AA6061和A6082鋁合金攪拌摩擦焊接頭的力學性能和溫度變化進行了優化分析，研究表明，焊接接頭的抗拉強度隨刀具轉速的增加而增加，焊接接頭具有一致的非對稱硬度分布，焊接截面攪拌區晶粒尺寸明顯小于相鄰的熱機械影響區和熱影響區。Anil等[7]針對AA3103和AA7075鋁合金板材進行了攪拌摩擦焊接，優化了其工藝參數，研究發現，在攪拌頭旋轉速度為1 200 r/min、焊接速度為15 mm/min時，采用三角銷型工具進行攪拌摩擦焊接，可以生產出高質量的焊縫。Shunmugasundaram等[8]將攪拌摩擦焊接工藝應用于不同鋁合金AA6063和AA5052板的焊接，并采用正交實驗設計對工藝參數進行了優化，結果顯示，工具頭轉速為850 r/min、焊接速度為20 mm/min、攪拌頭傾斜角度為2° 時，焊接接頭抗拉強度達到最大。Msomi等[9]研究了1050-H14和5083-H111鋁合金攪拌摩擦焊接頭的質量，結果發現，焊接接頭的拉伸性能高于AA1050-H14母材，但低于AA5083-H111母材，攪拌區顯微硬度高于AA1050-H14母材，但與AA5083-H111母材在相同范圍內，攪拌區晶粒尺寸接近AA5083-H111母材，攪拌區形貌也與母材AA5083-H111相似，顯微硬度的測定結果與拉伸性能一致。常學斌等[10]研究了板材的相對位置對5083和6082鋁合金板材焊接接頭力學性能的影響，研究發現，在前進側時，6×××系鋁合金的焊接接頭力學性能要好于5×××系鋁合金。Dewangan等[11]研究了焊接速度對7075和5083同種與異種鋁合金攪拌摩擦焊接接頭質量的影響，研究發現，在20 mm/min的焊接速度下，AA7075和AA5083異種鋁合金的焊接接頭質量更高，同種鋁合金的攪拌摩擦焊在45 mm/min的焊接速度下可以獲得更高質量的接頭，與同種鋁合金焊接相比，異種鋁合金焊接需要更高的熱輸入量。Kumar等[12]基于響應面法研究了不同工具參數（工具頭直徑、工具頭偏移量、工具頭傾角）對5083-H111和6082-T6異種鋁合金攪拌摩擦焊接接頭力學性能的影響，結果表明，當工具頭直徑為18 mm、偏移量為0 mm、傾角為1°時，焊接接頭的力學性能最好。Raturi等[13]研究了不同攪拌頭旋轉速度、焊接速度和工具銷輪廓對AA6061-T6和AA2014-T6異種鋁合金攪拌摩擦焊接頭拉伸和沖擊性能的影響，結果表明，與TIF（帶有3個斷續的平面）工具銷相比，使用TPZ（截頂的方形金字塔形）工具銷在較低的攪拌頭旋轉速度和焊接速度下，就能得到抗拉強度和抗沖擊性能較好的焊接接頭。Ramana等[14]研究了刀具轉速和進給速度對5082和6061同種與異種鋁合金攪拌摩擦焊接頭的影響，結果表明，對于5082同種鋁合金，在刀具轉速為2 600 r/min和進給速度為20 mm/min時，焊接接頭的力學性能得到了改善，抗拉強度提高了22.2%；對于6061同種鋁合金，刀具轉速和進給速度對接頭力學性能影響不大；對于5082和6061異種鋁合金焊接件，在低速（20 mm/min）和高速（1 600 r/min）的進給速度下，焊接接頭的力學性能都會得到改善。

文中以1.5 mm厚5052/6061異種鋁合金薄板為研究對象。在正交實驗的基礎上，通過改變每個工藝參數的水平對2種不同鋁合金進行攪拌摩擦焊接，然后通過拉伸實驗得出不同工藝參數下焊縫的抗拉強度和伸長率，并對實驗結果分別進行極差分析和方差分析。

1 實驗

1.1 材料與設備

實驗所用材料為廣西南南鋁加工有限公司提供的5052和6061鋁合金，供貨狀態為O態（O態鋁合金為退火態鋁合金，是工廠經過退火處理后得到的產品），其化學成分和各項參數性能分別如表1和表2所示（材料的化學成分與各項參數性能均由廠家提供），尺寸為120 mm×60 mm×1.5 mm。

表1 鋁合金5052和6061的化學成分（質量分數）

Tab.1 Chemical composition of aluminum alloys 5052 and 6061 (mass fraction) %

表2 鋁合金5052和6061的各項參數性能

Tab.2 Properties of aluminum alloys 5052 and 6061 under various parameters

焊接實驗在航天工程裝備有限公司制造的HT-JC6×8/2型二維攪拌摩擦焊接設備上進行。采用對接焊接，攪拌頭軸肩直徑為10 mm，攪拌針端部直徑為4 mm，攪拌針長1.2 mm（攪拌頭形貌如圖1所示）。

圖1 攪拌頭形貌

1.2 實驗方案

選取攪拌頭焊接速度、旋轉速度、下壓量作為正交實驗的3個因素，每個因素取3個水平，正交實驗各因素水平如表3所示，具體實驗方案和結果如表4所示。實驗過程中，6061始終保持在前進側，5052始終保持在后退側。

表3 正交實驗各因素水平

Tab.3 Factors and levels of orthogonal experiment

表4 正交實驗方案和結果

Tab.4 Orthogonal experiment scheme and results

2 結果與分析

2.1 實驗結果

在攪拌摩擦焊機床上按照正交實驗方案進行焊接，實驗完成后，將焊接接頭加工成標準拉伸試樣。在WDW-50KN型拉伸機上進行室溫拉伸實驗，拉伸速度為1 mm/min。

焊縫的宏觀形貌如圖2所示。通過對焊接接頭宏觀形貌進行觀察可以發現，圖2a中試樣焊縫表面良好無缺陷；圖2c中試樣焊縫表面有大量毛刺，還有起皮現象出現，毛刺和起皮現象的出現都可能與焊接參數選擇不當導致熱輸入量較大有關；圖2b中試樣焊縫表面有大量飛邊出現，飛邊的產生與攪拌頭的下壓量密切相關，下壓量越大，產生的飛邊越多，飛邊影響焊縫的美觀，但通常并不影響接頭的力學性能[15]。

圖2 焊縫的宏觀形貌

圖3為5052/6061異種鋁合金攪拌摩擦焊接頭室溫拉伸實驗的工程應力-應變曲線。由圖3可以看出，應力-應變曲線沒有明顯的屈服階段，試樣會產生均勻塑性變形，在出現明顯頸縮后斷裂[16]。由圖3還可以明顯觀察到，不同工藝參數下焊接接頭的力學性能差別很大。其中，5#試樣的抗拉強度和伸長率最高，分別為194 MPa和9.62%，9#試樣的抗拉強度最低和伸長率最低，分別為165 MPa和3.35%。由此可見，焊接工藝參數對接頭的拉伸性能具有非常重要的影響。

圖3 焊接接頭室溫拉伸實驗工程應力-應變曲線

焊接接頭斷裂的宏觀形貌如圖4所示，從焊接接頭的宏觀形貌可以看出，接頭的斷裂位置都集中在焊縫區，這是因為焊接過程中，在摩擦熱和機械力的作用下，焊縫區的金屬晶粒會發生細化和重新分布，并且第二相粒子也會出現細化和重新分布，從而降低了材料的斷裂韌性，直接導致焊縫區材料的斷裂抗力下降[17-18]。

采用掃描電鏡對試樣接頭斷口形貌進行觀察，試樣接頭形貌如圖5所示。從圖5可以看出，焊縫區斷口為典型韌窩斷裂，斷口上布滿了大小不一的韌窩。此外，大韌窩的窩里還分布著許多小韌窩，大韌窩的平均直徑為30 μm，小韌窩的平均直徑為10 μm。進一步觀察還可以發現斷口處存在著許多撕裂狀韌窩，說明接頭塑性較好，為韌性斷裂。韌性斷裂是微孔形成、變大和連接的過程，而韌窩是斷裂過程中微孔分離的痕跡[19]。

2.2 極差分析

運用極差分析的方法分析表4中的數據，分析結果見表5。極差越大，表明因素對實驗結果的影響也越大[20]。從極差分析的結果可以發現，對接頭抗拉強度影響最大的是因素（攪拌頭旋轉速度），其次是（焊接速度），（下壓量）影響最小。通過極差分析得到的最佳實驗方案為223，即5#實驗方案，其最大抗拉強度為194 MPa，達到了5052母材的91.51%，6061母材的93.72%，伸長率為9.62%。

圖4 焊接接頭斷裂的宏觀形貌

表5 極差分析計算結果

Tab.5 Range analysis and calculation results

以各實驗方案的因素水平為橫坐標，以抗拉強度和伸長率為縱坐標，繪制隨著各因素水平的變化抗拉強度和伸長率的變化趨勢，如圖6所示。由圖6a可知，隨著焊速的增加，焊接接頭的抗拉強度先略有增加，然后緩慢下降，這是因為當焊速過快時，攪拌摩擦焊接產生的熱量來不及讓其周圍的金屬達到熱塑性狀態，因此無法形成完美的焊縫，但是當焊速太慢時，攪拌頭摩擦產生的熱量過多，當焊核區的金屬溫度快要達到金屬熔點時，會使焊縫表面變得不平整，并且會因為過燒使內部金屬出現疏松現象[15]。因此，要想得到性能良好的焊接接頭，必須要保持一定的焊接速度。由圖6b可知，隨著攪拌頭旋轉速度的增加，焊接接頭的抗拉強度先小幅度上升，后顯著下降，這是因為當攪拌頭的旋轉速度較低時，產生的摩擦熱不足以形成塑性流動層，其結果是不能實現良好的固相連接，焊縫中易形成孔洞等缺陷，從而導致接頭抗拉強度較低，隨著攪拌頭轉速的提高，摩擦熱源增大，熱塑性流動層由上而下逐漸增大，從而使焊縫中的孔洞逐漸減小，當攪拌頭旋轉速度增加到一定值時，孔洞便會消失，然后就會形成致密的焊縫[21]，但如果攪拌頭轉速過高，則攪拌針周圍和軸肩下方的材料溫度會過高，形成其他缺陷，從而導致接頭抗拉強度降低[15]；由圖6c可知，隨著下壓量的增加，焊接接頭的抗拉強度只有小幅度上升，但是基本趨于穩定狀態，說明下壓量對抗拉強度的影響較小。

伸長率越大，說明焊接接頭的塑性越好。由圖6可以看出，伸長率的變化趨勢與接頭抗拉強度的變化趨勢基本保持一致，說明工藝參數的改變會同時引起抗拉強度和伸長率的改變，并且改變趨勢基本相同。當抗拉強度達到最大值194 MPa時，伸長率也達到了最大值9.62%，是5052母材的56.59%，6061母材的64.13%。

2.3 方差分析

由于極差分析不能估計實驗過程和測定實驗結果中必然存在的誤差大小，故不能保證分析結果的準確性，而方差分析方法能夠區分由因素水平和誤差波動引起的實驗結果之間的差異，從而彌補了極差分析法的不足[22]，所以文中又進行了方差分析，相應的方差分析結果見表6。在統計學中常根據值分析顯著性水平表，從而得到相應的值（概率），其中規定當<0.05時為顯著影響因素，當<0.01時為極其顯著影響因素。由方差分析結果可以看出，3種工藝參數中（焊接速度）和（攪拌頭旋轉速度）對焊接接頭力學性能有顯著影響，且影響極其顯著，（下壓量）影響不顯著，這與極差分析結果相同，進一步證明了極差分析的準確性。

圖6 抗拉強度與伸長率隨各因素水平變化趨勢

表6 方差分析計算結果

Tab.6 Variance analysis and calculation results

3 結論

運用正交實驗法分析了攪拌摩擦焊接工藝參數對5052/6061異種鋁合金焊接接頭力學性能的影響，觀察了焊縫的宏觀形貌與焊接接頭的斷口形貌，并結合極差分析與方差分析，研究了不同工藝參數對焊接接頭力學性能的影響順序與顯著性水平，主要結論如下。

1）通過焊接接頭的斷口形貌可以觀察到，焊縫區斷口上布滿了大小不一的韌窩，并且還存在著許多撕裂狀韌窩，說明接頭塑性較好，為韌性斷裂。

2）攪拌頭旋轉速度對焊接接頭的力學性能影響最大，其次是焊接速度，下壓量影響最小。另外，由極差分析得到的最佳實驗方案為223，其最大抗拉強度為194 MPa，伸長率為9.62%。

3）通過方差分析得出攪拌頭旋轉速度對焊接接頭力學性能影響最顯著，其次是焊接速度，下壓量對接頭力學性能影響不大，并且進一步證明了極差分析的準確性。

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Friction Stir Welding Process of 5052/6061 Dissimilar Aluminum Alloy Sheet

WANG Yong-qiang, WANG Jin, WANG Meng-ting, LI Bao-ge, ZHANG Hui

(School of Mechanical and Automotive Engineering, Qingdao University of Technology, Shandong Qingdao 266000, China)

The work aims to study the effects of welding speed, stirring head rotation speed and reduction amount on mechanical properties of friction stir welding joint of dissimilar aluminum alloy and find out the best process parameters, so as to further improve the mechanical properties of the joint. The orthogonal experiment method was used to design the friction stir welding of 5052/6061 dissimilar aluminum alloy with a thickness of 1.5 mm. After the welding was completed, the macroscopic morphology of the weld was observed, and then the specimens were made into standard tensile specimens for tensile test. After the tensile test was completed, the fracture morphology of the welded joint was observed by scanning electron microscope. Finally, range analysis and variance analysis were used to analyze the experimental results. Within the range of selected process parameters, the rotation speed of the stirring head had the greatest effect, followed by the welding speed, and the effect of the reduction amount was the least. When the welding speed was 120 mm/min, the rotating speed was 1 400 r/min, and the reduction amount was 1.5 mm, the tensile strength of the joint reached the maximum of 194 MPa, and the elongation also reached the maximum of 9.62%. In a certain range of process parameters, increasing the welding speed or the rotating speed of the stirring head can significantly improve the mechanical properties of the joint, while the reduction amount has no significant effect on the mechanical properties of the joint.

dissimilar aluminum alloy; friction stir welding; mechanical properties of joints; orthogonal experiment

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.04.015

TG456.9

A

1674-6457(2022)04-0122-07

2021-06-10

山東省重點研發計劃（2019GGX102023）

王勇強（1994—），男，碩士生，主要研究方向為鋁合金攪拌摩擦焊和拼焊板漸進成形。

王進（1978—），男，博士，副教授，主要研究方向為漸進成形、旋壓成形和攪拌摩擦焊。

責任編輯：蔣紅晨