鋁鎂合金填充式攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭的顯微組織及力學(xué)性能

王聯(lián)鳳，喬鳳斌，俞 忠，朱小剛，郭立杰

（上海航天設(shè)備制造總廠，上海200245）

0 引 言

目前，鋁合金的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但鋁合金的連接問(wèn)題一直沒(méi)有得到很好的解決，制約了其進(jìn)一步的發(fā)展。電阻點(diǎn)焊是目前使用最廣泛的鋁合金焊接技術(shù)，但也存在著熱變形大、接頭強(qiáng)度低、虛焊等問(wèn)題［1］。

1999年德國(guó)GKSS提出了填充式攪拌摩擦點(diǎn)焊（FSPW）技術(shù)［2］，它是基于攪拌摩擦焊技術(shù)發(fā)展而來(lái)的一種新型點(diǎn)狀固相連接技術(shù)［3］。攪拌摩擦焊（FSW）是一種較成熟的新型固態(tài)焊接方法，已被越來(lái)越多地用于航天、航空、軌道交通等行業(yè)里，但在焊接結(jié)束時(shí)會(huì)留下明顯退出孔（匙孔）問(wèn)題則是其不盡完美的工藝缺點(diǎn)。Uematsuet等［1］指出退出孔易造成焊點(diǎn)腐蝕等問(wèn)題。而FSPW 具有和攪拌摩擦焊一樣的高質(zhì)高強(qiáng)接頭、變形小、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，并能通過(guò)回填技術(shù)來(lái)消除退出孔。FSPW 有A、B兩種工藝，兩種工藝的原理基本相同，但是運(yùn)動(dòng)次序有所差別。A 型是先將攪拌套壓入待焊件，攪拌針抬起，當(dāng)攪拌套壓入待焊件下板一定深度時(shí)，抽起攪拌套，壓入攪拌針，直到焊接完成。B型則是先將攪拌針壓入待焊件，攪拌套抬起，當(dāng)攪拌針壓入待焊件下板一定深度時(shí)，抽起攪拌針，壓入攪拌套，直到焊接完成。兩種工藝獲得的焊點(diǎn)外觀近似，但內(nèi)部結(jié)合面不同。FSPW 連接機(jī)理是通過(guò)攪拌工具的高溫摩擦熱和材料塑性流動(dòng)相互作用的結(jié)果。接頭形成的冶金連接產(chǎn)生在攪拌工具插入旋轉(zhuǎn)、攪拌粉碎形成的一個(gè)圓環(huán)狀攪拌區(qū)域與材料塑性流動(dòng)發(fā)生重結(jié)晶的區(qū)域。FSPW 的基本原理如圖1所示［2］，主要分為四個(gè)階段。

FSPW 適用于輕金屬合金材料及其與異種材料（如鋁和銅、鋁和鋼等）的連接，可用于汽車、航空航天、船舶、軌道交通、家電及廚房用具等領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖1 FSPW 焊接過(guò)程示意Fig.1 Schematic illustration of FSPW process

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)攪拌摩擦焊、匙孔攪拌摩擦點(diǎn)焊（FSSW）等技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，但針對(duì)FSPW 焊接工藝和接頭性能的研究［3-8］尚少見(jiàn)，為此，作者采用FSPW 技術(shù)對(duì)鋁鎂合金進(jìn)行了焊接，系統(tǒng)研究了不同工藝參數(shù)下FSPW 接頭的顯微組織與力學(xué)性能。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為2 mm 的鋁鎂系5A06 鋁合金，其化學(xué)成分如表1所示；待焊試樣長(zhǎng)150mm、寬40mm，采用搭接焊接方式。

表1 5A06鋁合金的主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Chemical composition of 5A06aluminium alloy（mass） %

焊接設(shè)備采用上海航天設(shè)備制造總廠研發(fā)的機(jī)器人FSSW-SK-003 型攪拌摩擦點(diǎn)焊機(jī)，配用FSSW-SK-GJ001型點(diǎn)焊攪拌工具，工具包含攪拌針、攪拌套、壓緊套三個(gè)部件，如圖2所示。

圖2 FSPW 設(shè)備及攪拌工具Fig.2 Equipment and stirring tool of FSPW：（a）friction stir spot welding robot equipment and（b）stirring tool

焊接參數(shù)：壓入攪拌深度（L）0.2mm，焊接旋轉(zhuǎn)速度（n）600～2 800r·min-1，焊接時(shí)間（t）0.5～7.5s，制備了6組條件下的接頭，接頭試樣尺寸如圖3所示。焊前對(duì)鋁合金板表面用丙酮擦拭，去除油污等表面雜質(zhì)。焊接完成之后，沿垂直于焊縫的方向切割制備金相試樣，采用AXIO OBSERVER D1m 型和DISCOVERY V20型蔡司體視顯微鏡對(duì)點(diǎn)焊接頭顯微組織進(jìn)行觀察。剪切拉伸試樣和十字拉伸試樣分別按照Q／RJ 337-2012《變形鋁及鋁合金填充式攪拌摩擦點(diǎn)焊通用技術(shù)條件》和Q／RJ 338-2012《變形鋁及鋁合金填充式攪拌摩擦點(diǎn)焊工藝規(guī)范》進(jìn)行加工制取。拉伸試驗(yàn)在CMT-5305型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)機(jī)的位移速度調(diào)至5mm·min-1。為了檢測(cè)焊點(diǎn)內(nèi)部是否存在大的孔洞等缺陷，采用X 射線無(wú)損檢測(cè)方法對(duì)點(diǎn)焊接頭進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估。

圖3 FSPW 接頭試樣尺寸Fig.3 Specimen size of FSPW joint

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 接頭形貌和顯微組織

從點(diǎn)焊接頭X 射線檢測(cè)結(jié)果可知，在優(yōu)化后的焊接工藝參數(shù)下：壓入攪拌深度0.2mm、焊接旋轉(zhuǎn)速度2 000r·min-1、焊接時(shí)間3.5s，得到了致密、良好的點(diǎn)焊接頭。

從圖4可以看出，接頭焊點(diǎn)表面平整、光滑。從圖5可見(jiàn)，接頭主要分為以下幾個(gè)區(qū)域：焊核區(qū)A、熱機(jī)影響區(qū)B、熱影響區(qū)C、壓力影響區(qū)D及母材區(qū)E。

圖4 FSPW 接頭的宏觀形貌Fig.4 Macrograph of the FSPW joint

圖5 FSPW 接頭橫截面微觀形貌Fig.5 Micro-morphology of the FSPW joint on cross section

從圖6可見(jiàn)，在焊接過(guò)程中，由于攪拌針、攪拌套間相對(duì)運(yùn)動(dòng)及與工件之間摩擦產(chǎn)生的熱、力耦合的共同作用，使焊核區(qū)金屬溫度劇烈上升，整個(gè)區(qū)域發(fā)生了顯著的塑形變形，同時(shí)發(fā)生的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶形成了細(xì)小的等軸晶，并伴隨金屬間化合物β 相（Mg2Al3）從基體中析出，細(xì)晶強(qiáng)化作用保證了點(diǎn)焊接頭連接性能較好。焊核區(qū)向外緊接著是寬度較窄狹長(zhǎng)的熱機(jī)影響區(qū)，攪拌套的上下運(yùn)動(dòng)促使該區(qū)晶粒發(fā)生變形，部分材料沿?cái)嚢杼仔D(zhuǎn)向上方向呈流線分布，形成拉長(zhǎng)傾斜彎曲的顯微組織；在熱作用下，有部分析出相溶解，部分晶粒和焊核區(qū)相似，發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。再往外的熱影響區(qū)為粗晶組織，但其晶粒尺寸仍小于母材區(qū)的，這一區(qū)域受到較大熱作用和較小的攪拌工具壓力作用，發(fā)生了晶粒長(zhǎng)大，從基體中析出的金屬間化合物β相明顯比焊核區(qū)的少。壓力影響區(qū)在母材和熱影響區(qū)之間，主要在下板處，該區(qū)域和母材區(qū)組織形貌相似，該區(qū)域受到攪拌工具壓力的影響較大，熱作用較小。母材區(qū)在熱影響區(qū)和壓力影響區(qū)以外，晶粒最為粗大。

圖6 FSPW 接頭各區(qū)域的顯微組織Fig.6 Microstructure of different zones on the FSPW joint：（a）base material；（b）nugget zone；（c）thermo-mechanically affected zone；（d）heat affected zone and（e）pressure affected zone

2.2 接頭的拉伸性能

從圖7可知，當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度為2 000r·min-1、焊接時(shí)間為3.5s時(shí)，接頭的剪切拉伸載荷達(dá)到最大值8 194N，十字拉伸載荷達(dá)到最大值3 565N。因此，在旋轉(zhuǎn)速度為2 000r·min-1時(shí)研究了焊接時(shí)間對(duì)接頭性能的影響；而在焊接時(shí)間為3.5s條件下，研究了焊接旋轉(zhuǎn)速度對(duì)接頭性能的影響。

圖7 不同工藝參數(shù)下接頭的拉伸載荷Fig.7 Tensile load of joints at processing parameters

從圖8可以看出，當(dāng)壓入攪拌深度為0.2mm、焊接時(shí)間為3.5s時(shí)，隨著攪拌工具焊接旋轉(zhuǎn)速度的增大，焊接接頭的剪切拉伸載荷和十字拉伸載荷均先增大后減小，并都在2 000r·min-1時(shí)達(dá)到最大。

從圖9可以看出，當(dāng)壓入攪拌深度為0.2mm、旋轉(zhuǎn)速度為2 000r·min-1時(shí)，隨著焊接時(shí)間的延長(zhǎng)，焊接接頭的剪切拉伸載荷和十字拉伸載荷均先增大后減小，在3.5s 時(shí)接頭的剪切拉伸性能和十字拉伸性能最佳。焊接開(kāi)始時(shí)，由于焊接熱量輸入較小，無(wú)法使點(diǎn)焊接頭材料達(dá)到塑性流動(dòng)狀態(tài)，隨著焊接時(shí)間延長(zhǎng)，點(diǎn)焊接頭的抗剪切拉伸性能和抗十字形拉伸性能增強(qiáng)較快；焊接時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng)，焊接熱量輸入進(jìn)一步增加，雖然點(diǎn)焊接頭材料流動(dòng)性充分，但試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)接頭因粘連產(chǎn)生回填不全等缺陷，所以點(diǎn)焊接頭的剪切拉伸性能和十字拉伸性能下降，但趨勢(shì)較緩。

圖8 焊接旋轉(zhuǎn)速度與接頭拉伸載荷的關(guān)系Fig.8 Relationship between rotational speed and tensile load of joint

圖9 焊接時(shí)間與接頭拉伸載荷的關(guān)系Fig.9 Relationship between welding time and tensile load of joint

3 結(jié) 論

（1）5A06鋁合金的FSPW 接頭可以分為焊核區(qū)、熱機(jī)影響區(qū)、熱影響區(qū)、壓力影響區(qū)和母材區(qū)五部分；其顯微組織主要為α固溶體，并有金屬間化合物β相等在基體上分布。

（2）在優(yōu)化焊接試驗(yàn)參數(shù)下得到了致密、良好的點(diǎn)焊接頭。

（3）隨著焊接時(shí)間的延長(zhǎng)和焊接旋轉(zhuǎn)速度的增大，點(diǎn)焊接頭的剪切拉伸性能和十字拉伸性能均呈先增后降的變化趨勢(shì)；當(dāng)焊接旋轉(zhuǎn)速度為2 000r·min-1，焊接時(shí)間為3.5s時(shí)，點(diǎn)焊接頭的性能最佳，最大剪切拉伸載荷可達(dá)8 194N，最大十字拉伸載荷可達(dá)3 565N。

［1］UEMATSU Y，TOKAJI K，TOZAKI Y，et al.Effect of refilling probe hole no tensile failure and fatigue behavior of friction stir welded joints in Al-Mg-Si alloy［J］.International Journal of Fatigue，2008，30：1956-1966.

［2］ROSENDO T，PARRA B，TIER M A D，et al.Mechanical and microstructural investigation of friction spot welded AA6181-T4aluminium alloy［J］.Materials and Design，2011，32：1094-1100.

［3］SAKANO R，MURAKAMI K，YAMASHITA K，et al.Development of spot FSW robot system for automobile body members［C］／／Third International Symposium on Friction Stir Welding.Kobe：［s.n.］，2001：645-650.

［4］AWANG M，MUCINO V H.Energy generation during friction stir spot welding（FSSW）of Al 6061-T6plates［J］.Ma-terials and Manufacturing Processes，2010，25（1／3）：167-174.

［5］UEMATSU Y，TOKAJI K.Comparison of fatigue behavior between resistance spot and friction stir spot welded aliuminium alloy sheets［J］.Sci Technol Weld Join，2009，14：62-71.

［6］林三寶，趙彬.LF6鋁合金攪拌摩擦點(diǎn)焊［J］.焊接，2007（3）：28-30.

［7］劉克文，邢麗，柯黎明.LY12 鋁合金摩擦點(diǎn)焊工藝及力學(xué)性能［J］.焊接學(xué)報(bào)，2007，28（9）：21-24.

［8］秦紅珊，楊新歧.攪拌摩擦點(diǎn)焊技術(shù)及在汽車工業(yè)應(yīng)用前景［J］.汽車技術(shù)，2006（1）：1-4.