方遠(yuǎn)方 張 華

1.北京石油化工學(xué)院光機電裝備技術(shù)北京市重點實驗室，北京，1026172.北京市安全生產(chǎn)工程技術(shù)研究院，北京，102617

0 引言

攪拌摩擦焊(friction stir welding，F(xiàn)SW)技術(shù)是20世紀(jì)90年代出現(xiàn)的一項新型固相連接技術(shù)。該技術(shù)憑借其熱輸入量小、生產(chǎn)效率高、成本低等優(yōu)勢迅速在輕質(zhì)合金焊接領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，在以鋁合金為主要生產(chǎn)材料的航空、航天及軌道列車制造等領(lǐng)域，攪拌摩擦焊技術(shù)的應(yīng)用正在不斷深入[1-6]。

常規(guī)攪拌摩擦焊接過程中，焊縫旁邊會生成連續(xù)的飛邊，焊后必須將其去除，嚴(yán)重降低了焊接效率，而對于厚度較大或形狀不規(guī)則的焊材，與軸肩接觸的區(qū)域受熱較多，其余部分的受熱很少，焊接過程中熱量的不均勻分布會顯著影響焊縫的整體質(zhì)量[7-10]。為了解決上述問題，靜止軸肩(靜軸肩)攪拌摩擦焊(stationary shoulder friction stir weld)技術(shù)被發(fā)明并應(yīng)用。靜軸肩攪拌摩擦焊的焊縫表面光滑不產(chǎn)生弧紋，且在焊接過程中，軸肩不旋轉(zhuǎn)產(chǎn)熱，改善了接頭沿焊接厚度方向的熱量分布情況[11-13]。

目前國內(nèi)外科研機構(gòu)均采用零角度即機頭裝置與焊接平面垂直的靜軸肩攪拌摩擦，該方式可以減小焊接過程中的頂鍛力，但焊縫表面會經(jīng)常出現(xiàn)溝槽缺陷，導(dǎo)致焊接失敗，嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量，使得該技術(shù)在目前還無法大規(guī)模工程化應(yīng)用。筆者采用傾斜靜軸肩焊接有效解決了此問題，試驗證明斜傾靜軸肩攪拌摩擦焊焊縫表面沒有溝槽缺陷。

1 試驗條件與方法

1.1 試驗材料

本試驗所用材料為生產(chǎn)列車壁板的6005A鋁合金中空型材，其整體結(jié)構(gòu)與橫截如圖1所示，材料實際測得的力學(xué)性能參數(shù)如表1所示。

圖1 試驗鋁合金型材橫截面Fig.1 Cross section of aluminum alloy specimen

表1 母材力學(xué)性能

1.2 試驗過程

試驗設(shè)備為國產(chǎn)的靜龍門攪拌摩擦焊設(shè)備，通過特制靜軸肩專用刀柄實現(xiàn)靜軸肩攪拌摩擦焊，其機頭裝置如圖2所示。試驗材料接頭組合形式為對搭接混合焊接，錐形攪拌針長4.5 mm，根部直徑為5.45 mm，攪拌針自帶的軸肩直徑為10 mm，靜止軸肩直徑18 mm，采用0°與2°的焊接傾角進(jìn)行試驗。

圖2 試驗用靜軸肩攪拌摩擦焊裝置Fig.2 Schematic diagram of stationary shoulder friction stir welding test device

試驗采用固定焊接速率、變換轉(zhuǎn)速的方式進(jìn)行，為接近工程化應(yīng)用條件，設(shè)置焊接速率為1 m/min，轉(zhuǎn)速范圍是1700～2300 r/min。焊后，試樣去掉型材中間立筋并取樣(圖3)進(jìn)行拉伸檢測(按國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T228.1—2010《金屬材料拉伸試驗 第一部分：室溫試驗方法》)和彎曲檢測(按國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T2653—2008《焊接接頭彎曲試驗方法》)。拉伸檢測中，每個參數(shù)取3次檢測結(jié)果的平均值；彎曲檢測中，每個參數(shù)取2次檢測結(jié)果的平均值。對焊縫中段進(jìn)行打磨、拋光并用質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的NaOH溶液侵蝕來獲得金相試樣，利用光學(xué)顯微鏡觀測試樣組織，利用掃描電鏡對拉伸檢測后的試樣斷口進(jìn)行形貌組織觀測。

圖3 拉伸試樣取樣示意圖Fig.3 Schematic diagram for sampling of tensile test

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 焊縫表面觀測

由圖4可以看出，靜軸肩攪拌摩擦焊焊縫表面光滑無弧紋，無飛邊、裂紋等缺陷，在實際生產(chǎn)中可省去去除飛邊等清理工序，提高效率。普通攪拌摩擦焊熱量主要分布在焊縫與軸肩的接觸面，而靜軸肩攪拌摩擦焊的熱量沿深度方向分布更加均勻，更有利于焊縫內(nèi)部的材料流動與成形。

(a)靜軸肩攪拌摩擦焊焊縫(b)普通攪拌摩擦焊焊縫圖4 焊縫表面形貌Fig.4 Morphology of welding surface

0°靜軸肩焊接試驗中，焊縫表面經(jīng)常會出現(xiàn)溝槽缺陷(圖5)，這是由于軸肩在焊接過程中不轉(zhuǎn)動，因此軸肩表面的溫度較低，周圍塑化流動的鋁合金材料附著在軸肩表面迅速冷卻固化，將焊縫表面“劃傷”，破壞焊接成形。為解決這個問題，本試驗將焊接接頭傾斜2°(圖6)，進(jìn)行傾斜靜軸肩攪拌摩擦焊。焊接方向前端的軸肩與焊材保持一定距離時，即使焊接過程中有材料附著，也不會對焊縫產(chǎn)生影響，后端的軸肩對焊縫進(jìn)行強力“抹平”，確保焊縫表面質(zhì)量。雖然帶傾角的焊接使焊縫的減薄量有所增大，但由于材料流動更加充分，同時焊縫表面不會產(chǎn)生隧道等缺陷，因此焊縫的成形性能得到整體提升，接頭的力學(xué)性能并沒有因此受到影響。經(jīng)多次反復(fù)試驗，將機頭沿焊接方向抬起的焊接傾角確定為2°時的試驗效果最佳，既可保證焊縫表面質(zhì)量(圖5)，又不會因為角度過大造成焊接的前進(jìn)抗力過大。

圖5 靜軸肩攪拌摩擦焊焊縫表面形貌Fig.5 Surface morphology of stationary shoulder friction stir welding

圖6 靜軸肩攪拌摩擦焊焊接示意圖Fig.6 Schematic diagram of stationary shoulder friction stir welding

2.2 力學(xué)性能分析

相對于普通攪拌摩擦焊，靜軸肩攪拌摩擦焊軸肩不轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生的熱量較小，因此通過提高攪拌工具的轉(zhuǎn)速來增加攪拌針與鋁合金之間的熱輸入，保證接頭性能。

拉伸檢測后的試樣如圖7所示，全部試樣的斷裂方式一致，裂縫均出現(xiàn)在焊縫前進(jìn)側(cè)與母材交界處。試樣的抗拉強度的均值在215～222 MPa之間，屈服強度均值在147～153 MPa之間(表2)，可見在焊接速率為1 m/min時，靜軸肩攪拌摩擦焊的接頭抗拉強度保持在母材的70%～73%，屈服強度是母材的53%～55%(表1)。試驗中的抗拉強度與屈服強度最大值出現(xiàn)在轉(zhuǎn)速n=2100 r/min，由應(yīng)力-應(yīng)變曲線(圖8)可看出該轉(zhuǎn)速下的拉伸性能最優(yōu)，且各轉(zhuǎn)速下的拉伸性能總體保持平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)大幅度波動。

圖7 拉伸檢測后的試樣Fig.7 Specimen after tensile test

表2 接頭力學(xué)性能

圖8 應(yīng)力-應(yīng)變曲線(焊速1 m/min)Fig.8 Stress-strain curve (welding speed 1000 mm/min)

彎曲檢測后的試樣如圖9所示，試樣在所選工藝窗口內(nèi)，轉(zhuǎn)速1700 r/min試樣在背彎34°、92°時出現(xiàn)裂紋，轉(zhuǎn)速1800 r/min試樣在背彎57°時出現(xiàn)裂紋，轉(zhuǎn)速1900 r/min、2000 r/min、2100 r/min、2200 r/min、2300 r/min試樣背彎180°均無裂紋。這是因為轉(zhuǎn)速較低時，焊縫底部的材料被攪拌得不夠充分，導(dǎo)致材料的流動性不好，形成疏松組織。上述轉(zhuǎn)速試樣正彎180°均無裂紋。

圖9 彎曲檢測后的試樣Fig.9 Specimen after bending test

2.3 橫截面組織結(jié)構(gòu)

(a)n=1700 r/min (b)n=1800 r/min

(c)n=1900 r/min (d)n=2000 r/min

(e)n=2100 r/min (f)n=2200 r/min

(g)n=2300 r/min圖10 接頭橫截面組織(焊速1 m/min)Fig.10 Morphology of joint section (welding speed 1 m/min)

靜軸肩攪拌摩擦焊試樣橫截面金相如圖10所示，可以看出，焊縫區(qū)域組織均勻，沒有出現(xiàn)裂紋、孔洞等缺陷。轉(zhuǎn)速1700 r/min、1800 r/min的焊縫根部靠近后退側(cè)出現(xiàn)組織混濁不均勻區(qū)域，這解釋了低轉(zhuǎn)速試樣背彎時出現(xiàn)裂紋的原因。轉(zhuǎn)速較低時，焊縫的前進(jìn)側(cè)與后退側(cè)明顯不同，前進(jìn)側(cè)的界面分界線較為清晰。隨著轉(zhuǎn)速的升高，前進(jìn)側(cè)與后退側(cè)的區(qū)別度降低，焊縫兩側(cè)形狀對稱，而且減薄量減小，焊縫與母材表面等高。

2.4 斷口形貌分析

挑選力學(xué)性能較好的4組轉(zhuǎn)速(2000 r/min、2100 r/min、2200 r/min、2300 r/min)試樣進(jìn)行拉伸斷口組織觀測。圖11中，左側(cè)圖片為低倍形貌圖，右側(cè)圖片為方框區(qū)域的放大圖，可以看出4組試樣的晶粒組織分布均勻，存在大量韌窩組織，沒有明顯的脆性斷裂組織，此時的試樣斷裂機制為韌性斷裂。這解釋了力學(xué)檢測結(jié)果中的抗拉強度與屈服強度在轉(zhuǎn)速大于2000 r/min時保持在高水平，沒有出現(xiàn)大幅度的波動。轉(zhuǎn)速2100 r/min時，試樣的抗拉強度與屈服強度達(dá)到最大值，此時的材料在焊接過程中得到最為充分的攪拌，轉(zhuǎn)速與焊接速率的配比達(dá)到最佳。

(a)n=2000 r/min

(b)n=2100 r/min

(c)n=2200 r/min

(d)n=2300 r/min圖11 斷口形貌(焊速1 m/min)Fig.11 Fracture morphology (welding speed 1 m/min)

3 結(jié)論

(1)6005A鋁合金型材靜軸肩攪拌摩擦焊的焊縫表面光滑、減薄量小，無溝槽、裂紋等缺陷，焊接不產(chǎn)生飛邊。

(2)焊接傾角為0°時，軸肩附近的鋁合金焊材會附著在軸肩表面，破壞焊接成形，產(chǎn)生焊縫表面溝槽。將焊接傾角設(shè)定為2°可以有效避免焊縫表面產(chǎn)生溝槽缺陷，提高焊接質(zhì)量。

(3)焊接速率保持在1 m/min時，6005A鋁合金型材靜軸肩攪拌摩擦焊接頭的抗拉強度最大值為222 MPa，達(dá)到母材的73%，屈服強度最大值為153 MPa，達(dá)到母材的55%，二者均出現(xiàn)在轉(zhuǎn)速2100 r/min時。轉(zhuǎn)速為1700 r/min、1800 r/min時，焊縫底部材料得不到充分?jǐn)嚢?，?dǎo)致試樣背彎檢測時出現(xiàn)裂紋缺陷；轉(zhuǎn)速升高至1900 r/min及其以上時，焊縫底部的材料得到充分?jǐn)嚢?，流動性提升，缺陷消失?/p>

(4)拉伸檢測后的試樣斷口出現(xiàn)在焊縫前進(jìn)側(cè)與母材交界處，斷口表面有大量韌窩組織，沒有明顯的脆性斷裂組織，斷裂機制為韌性斷裂，焊縫晶粒分布均勻且細(xì)化程度隨著轉(zhuǎn)速增加不斷提高。