鋁合金回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊材料流動(dòng)行為研究

倪 雷

（上海汽車集團(tuán)股份有限公司乘用車公司，上海 201804）

0 引言

攪拌摩擦點(diǎn)焊（Friction Stir Spot Welding，F(xiàn)SSW）是由攪拌摩擦焊FSW衍生而來的一種新型固相點(diǎn)連接技術(shù)，具有結(jié)合強(qiáng)度高、焊后變形小、環(huán)保無污染及能耗低等優(yōu)點(diǎn)，非常適合輕質(zhì)金屬的點(diǎn)連接[1]。回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊（Refill Friction Stir Spot Welding，RFSSW）利用壓緊套、攪拌套和攪拌針組成的分體式點(diǎn)焊工具各組件間的相對運(yùn)動(dòng)回填匙孔，獲得表面平整、無匙孔的點(diǎn)焊接頭，增加了焊點(diǎn)承載面積，并提高了結(jié)合強(qiáng)度[2-3]。

與FSW相似，焊接過程中溫度場、塑化材料的流動(dòng)行為及原始搭接面處焊后形成的結(jié)構(gòu)類型對FSSW焊點(diǎn)成型及性能有非常重要的影響[4-6]。岳玉梅等人[7]借助數(shù)值模擬技術(shù)分析攪拌頭形狀對RFSSW過程中材料流動(dòng)速度的影響規(guī)律。但是向材料中添加的銅箔或鐵粉等外來材料與試驗(yàn)材料間流動(dòng)性的差異會(huì)對焊接過程材料流動(dòng)行為試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生一定干擾；且現(xiàn)有數(shù)值模擬分析出于對邊界條件簡化和假設(shè)的考慮，這也導(dǎo)致數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際過程存在較大差異[8]。該文利用微量元素不同的同種材質(zhì)鋁合金在一定的腐蝕條件下金相特征不同的特點(diǎn)，分析了攪拌套下扎型RFSSW焊接過程中塑性材料流動(dòng)行為及界面特征的變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)材料及方法

RFSSW可分為2種類型：攪拌針下扎型和攪拌套下扎型。攪拌針下扎型是由攪拌針完成下扎攪拌過程的，由攪拌套完成最后的金屬材料回填過程。攪拌套下扎型則剛好相反，是由攪拌套完成下扎攪拌過程的，由攪拌針完成最后的金屬材料回填過程。該試驗(yàn)方法采用攪拌套下扎型。

該文對尺寸為2 mm×25 mm×80 mm的上板和3 mm×25 mm×80 mm的下板的5182鋁合金板進(jìn)行搭接形式的RFSSW試驗(yàn)，搭接尺寸為25 mm×25 mm，焊點(diǎn)位置居中，上、下板材料主要成分見表1。試驗(yàn)采用的攪拌針外徑為5.2 mm，攪拌套外徑為9.0 mm，壓緊套外徑為18.0 mm。在前期試驗(yàn)基礎(chǔ)上，選用焊接時(shí)間、旋轉(zhuǎn)速率以及下扎深度等3個(gè)研究因素設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)法，見表2。RFSSW點(diǎn)焊接頭經(jīng)粗磨、精磨和拋光處理后，用混合酸水溶液（1% HF+1.5%HCl+2.5%HNO3+95%H2O）對點(diǎn)焊接頭進(jìn)行腐蝕，并用光學(xué)顯微鏡對焊點(diǎn)宏觀形貌、接頭界面形態(tài)及各區(qū)域顯微組織等進(jìn)行觀察。

表1 試驗(yàn)用5182鋁合金化學(xué)成分

表2 正交試驗(yàn)表

如圖1所示，RFSSW焊接過程主要分為4個(gè)階段：1）準(zhǔn)備階段。攪拌針、攪拌套及壓緊套下端面處于同一水平面，三者整體下壓至被焊板材上表面，并將被焊板材壓緊固定。2）下扎階段。攪拌套旋轉(zhuǎn)下扎的同時(shí)，攪拌針旋轉(zhuǎn)回抽，被攪拌套擠出的塑性金屬將流入攪拌套空腔內(nèi)。3）回填階段。攪拌針旋轉(zhuǎn)下扎的同時(shí)，攪拌套旋轉(zhuǎn)回抽，將攪拌套空腔內(nèi)的塑性金屬重新回填至焊點(diǎn)內(nèi)部，回填匙孔。4）焊接完成。攪拌工具離開被焊板材，攪拌套及攪拌針的旋轉(zhuǎn)速率和旋轉(zhuǎn)方向始終保持一致。

圖1 回填式FSSW焊接過程示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 焊點(diǎn)表面成型

5182鋁合金回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭點(diǎn)焊接頭整體呈圓形，表面平整光亮、無匙孔，焊點(diǎn)周邊飛邊很少，成型美觀。焊點(diǎn)直徑與攪拌套外徑大小基本一致，攪拌套作用區(qū)域與攪拌針作用區(qū)域交界處有一圓環(huán)狀特征，但兩者間不存在明顯的臺(tái)階或溝槽，焊點(diǎn)整體仍具有明顯的鏡面反射效果。

2.2 顯微組織特征

RFSSW點(diǎn)焊接頭橫截面宏觀形貌如圖2所示，上板及下板均為5182鋁合金，由于個(gè)別微量元素不同，因此導(dǎo)致上、下板材料在相同腐蝕條件下的色澤截然不同。由圖2可知，整個(gè)焊點(diǎn)整體呈盆狀，主要包括攪拌套作用區(qū)域和攪拌針作用區(qū)域，各區(qū)域的寬度與攪拌套的壁厚和攪拌針的外徑基本相同；焊點(diǎn)中心部位被完全填充，不存在匙孔；焊點(diǎn)兩側(cè)原始搭接面位置存在2個(gè)左右對稱的鉤狀結(jié)構(gòu)。鉤狀結(jié)構(gòu)是由回填階段塑性材料流動(dòng)造成的。

在回填階段，當(dāng)攪拌套空腔內(nèi)的塑性材料回填至攪拌套回抽形成的瞬時(shí)空腔時(shí)，由于塑性材料流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力來自攪拌針的下壓力，因此塑性材料主要由焊點(diǎn)中心部位向焊點(diǎn)兩側(cè)區(qū)域流動(dòng)填充，塑性材料的初始流動(dòng)方向與水平方向存在一定的夾角，并逐漸過渡為圓弧狀；由文獻(xiàn)[6]可知，在焊接過程中塑性材料的流動(dòng)速率比攪拌工具的下扎/回填速率高，因此塑性材料對攪拌套回抽時(shí)形成的瞬時(shí)空腔進(jìn)行填充時(shí)必將受攪拌套下端對其施加的阻力，導(dǎo)致塑性材料的流動(dòng)方向發(fā)生改變，由傾斜向上逐漸變?yōu)閮A斜向下，最后在焊點(diǎn)兩側(cè)及焊點(diǎn)下方較冷材料的阻礙下，塑性材料沿焊接深度方向整體呈現(xiàn)螺旋狀流動(dòng)的趨勢，從而形成如圖2和圖3所示的鉤狀結(jié)構(gòu)。當(dāng)焊接參數(shù)選用不恰當(dāng)時(shí)，點(diǎn)焊接頭內(nèi)部易出現(xiàn)孔洞缺陷，且均集中在鉤狀結(jié)構(gòu)附近，如圖4所示。由于回填初始階段塑性金屬呈螺旋狀流動(dòng)，鉤狀結(jié)構(gòu)上部區(qū)域最先得到填充，其次是下部區(qū)域的外側(cè)和內(nèi)側(cè)，當(dāng)塑性金屬對鉤狀結(jié)構(gòu)下部區(qū)域進(jìn)行填充時(shí)，由于已經(jīng)逐漸遠(yuǎn)離攪拌套，因此該區(qū)域塑性材料的溫度和流動(dòng)性都會(huì)下降，導(dǎo)致鉤狀結(jié)構(gòu)下部區(qū)域的外側(cè)、內(nèi)側(cè)及中心區(qū)域更易因塑性金屬填充不充分而出現(xiàn)孔洞缺陷。一般通過選用合適的焊接參數(shù)及合理形狀的攪拌工具可完全消除鉤狀區(qū)域的孔洞缺陷。不同工藝參數(shù)下鉤狀結(jié)構(gòu)形貌如圖4所示。

圖2 點(diǎn)焊接頭橫截面宏觀形貌

圖3 鉤狀結(jié)構(gòu)

圖4 不同工藝參數(shù)下鉤狀結(jié)構(gòu)形

2.3 工藝參數(shù)對材料流動(dòng)的影響

為了進(jìn)一步探索工藝參數(shù)對焊接過程中材料流動(dòng)的影響，定義鉤狀結(jié)構(gòu)上邊緣線與水平方向的夾角為α，定義鉤狀結(jié)構(gòu)最高點(diǎn)與最低點(diǎn)間的豎直距離為H，定義鉤狀結(jié)構(gòu)與焊點(diǎn)邊緣處的水平距離為L如圖5所示，α、H和L數(shù)值越大則說明鉤狀結(jié)構(gòu)特征越明顯。分別統(tǒng)計(jì)不同工藝參數(shù)下α、H和L的具體數(shù)值，借助正交分析手段研究不同工藝參數(shù)對鉤狀結(jié)構(gòu)形狀的影響，從而探究工藝參數(shù)對材料流動(dòng)的影響規(guī)律。

圖5 鉤狀結(jié)構(gòu)形狀定義示意圖

夾角α在不同正交試驗(yàn)參數(shù)下相應(yīng)的分析結(jié)果見表3。由表3可知，當(dāng)焊接時(shí)間由4.0 s逐步延長至5.0 s時(shí)，夾角α的變化幅度很小，基本保持不變；當(dāng)旋轉(zhuǎn)速率由1 000 r/min逐步升至1400 r/min時(shí)，夾角α由30.333 °迅速增大至40.667 °，并逐漸保持穩(wěn)定；當(dāng)下扎深度由2.5 mm增至2.9 mm時(shí)，夾角α由40.000°降至35.667 °，并逐漸保持穩(wěn)定。焊接時(shí)間、旋轉(zhuǎn)速率及攪拌套下扎深度的歸一化數(shù)值分別為4.16%、64.59%和31.25%，說明旋轉(zhuǎn)速率對夾角α的影響程度最大，其次為下扎深度，焊接時(shí)間對夾角α的影響程度最小，幾乎可忽略不計(jì)。

表3 不同工藝參數(shù)下夾角α變化規(guī)律

對不同工藝參數(shù)下鉤狀結(jié)構(gòu)高度H進(jìn)行正交分析（表4）可知，當(dāng)逐漸延長焊接時(shí)間或提高旋轉(zhuǎn)速率時(shí)，鉤狀結(jié)構(gòu)高度H均呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢；當(dāng)下扎深度逐漸增加時(shí)，鉤狀結(jié)構(gòu)高度H則呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。焊接時(shí)間、旋轉(zhuǎn)速率及攪拌套下扎深度的歸一化數(shù)值分別為41.51%、28.34%及30.15%，說明焊接時(shí)間對鉤狀結(jié)構(gòu)高度H的影響程度最大，其次為旋轉(zhuǎn)速率和下扎深度。

表4 不同工藝參數(shù)下鉤狀結(jié)構(gòu)高度H變化規(guī)律

對不同工藝參數(shù)下鉤狀結(jié)構(gòu)與焊點(diǎn)邊緣處的水平距離L進(jìn)行正交分析（表5）可知，當(dāng)逐漸延長焊接時(shí)間或加深下扎深度時(shí)，L均呈現(xiàn)先增大后變小的趨勢，但波動(dòng)幅度均較小；當(dāng)旋轉(zhuǎn)速率逐漸增大時(shí)，L則呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢，且波動(dòng)浮動(dòng)相對明顯。焊接時(shí)間、旋轉(zhuǎn)速率及攪拌套下扎深度的歸一化數(shù)值分別為14.62%、51.83%及33.55%，說明旋轉(zhuǎn)速率對L的影響程度最大，其次為下扎深度和焊接時(shí)間。

綜合表3～表5的分析結(jié)果可知，焊接時(shí)間僅對鉤狀結(jié)構(gòu)高度H有較大影響，當(dāng)焊接時(shí)間延長時(shí)，H顯著增大；旋轉(zhuǎn)速率對夾角α和水平距離L均有顯著影響，當(dāng)旋轉(zhuǎn)速率提高時(shí)，α和L均顯著增大并逐漸保持穩(wěn)定；而下扎深度對α、H及L均有一定的影響，且三者均呈現(xiàn)隨著下扎深度的加深而降低并逐漸保持穩(wěn)定的趨勢。以上結(jié)果說明，當(dāng)焊接時(shí)間延長（相當(dāng)于回填速率降低）時(shí)，塑性金屬的溫度及流動(dòng)性均隨之提高，當(dāng)在攪拌針下壓力的驅(qū)動(dòng)下向攪拌套下方進(jìn)行填充時(shí)，流動(dòng)方向與水平方向的夾角逐漸變大，最終形成的鉤狀結(jié)構(gòu)上邊緣線與水平方向的夾角α也逐漸增大；同理，當(dāng)旋轉(zhuǎn)速率提高時(shí)，焊接熱輸入量隨之增大，塑性金屬的溫度、流動(dòng)性及流動(dòng)速率也會(huì)隨之提高，因此α和L的值也隨之增大，即回填階段塑性金屬螺旋狀的流動(dòng)趨勢增強(qiáng)，鉤狀結(jié)構(gòu)特征更明顯；當(dāng)下扎深度加深時(shí)，回填階段塑性金屬初始流動(dòng)區(qū)域逐漸遠(yuǎn)離上下板材原始搭接面，而鉤狀結(jié)構(gòu)是由上、下板材原始搭接面區(qū)域塑性金屬呈螺旋形流動(dòng)而形成的，因此當(dāng)下扎深度加深時(shí)，鉤狀結(jié)構(gòu)的傾角α、高度H及距離焊點(diǎn)邊緣水平距離L均逐漸變小，鉤狀結(jié)構(gòu)特征變得不明顯。

表5 不同工藝參數(shù)下水平距離L的變化規(guī)律

3 結(jié)語

該文以5182鋁合金為研究對象，對回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊回填階段材料流動(dòng)行為進(jìn)行研究，得出以下3個(gè)結(jié)論：1）采用特定鋁合金材料及相應(yīng)的腐蝕方案，在回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭橫截面上可以清晰地觀察到焊點(diǎn)兩側(cè)原始搭接面區(qū)域存在2個(gè)對稱分布的鉤狀結(jié)構(gòu)。2）鉤狀結(jié)構(gòu)的形成原因是當(dāng)回填開始階段塑性金屬在攪拌針下壓力的驅(qū)動(dòng)下向攪拌套回抽形成瞬時(shí)空腔流動(dòng)填充時(shí)，塑性金屬的流動(dòng)速率遠(yuǎn)高于攪拌套回抽速率，攪拌套及焊點(diǎn)邊緣區(qū)域較冷金屬均會(huì)對塑性金屬的流動(dòng)產(chǎn)生一定的阻礙作用，導(dǎo)致原始搭接面區(qū)域的塑性金屬呈現(xiàn)螺旋狀流動(dòng)的趨勢，最終形成典型的鉤狀結(jié)構(gòu)。3）焊接時(shí)間、旋轉(zhuǎn)速率及下扎深度等工藝參數(shù)對鉤狀結(jié)構(gòu)的形狀尺寸均有顯著影響。