6061铝合金搅拌摩擦焊沟槽及隧道缺陷补焊工艺研究①

吉华 封小松 汪虎 周礼龙 李达 肖长源

摘要： 搅拌摩擦焊焊接过程中，因焊接参数选取不当或设备稳定性不足时，焊接接头中就会产生沟槽、隧道等缺陷。文中选用6061铝合金车体材料，采用不同工艺对沟槽、隧道缺陷进行补焊，并对补焊后接头的组织性能进行分析。结果表明，采用TIG+FSW（friction stir welding，搅拌摩擦焊）或TIG+FSSW（Friction stir spot welding，搅拌摩擦点焊）焊接工艺可以对沟槽、隧道等缺陷实现补焊。且补焊后可以得到焊接变形小、强度高、塑性好的接头，不同的补焊工艺对接头的组织和硬度影响不大。

关键词： 中图分类号： TG457.11

Research on repair welding of groove and the tunnel defect of friction

stir welding of 6061 aluminum alloy

Ji Hua1， Feng Xiaosong1， Wang Hu1， Zhou Lilong1， Li Da2， Xiao Changyuan2

（1.Shanghai Aerospace Equipments Manufacturer， Shanghai 200245， China；

2.Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China）

Abstract： In the process of friction stir welding，welding defects such as groove and tunnel will be produced when welding parameters are improper or equipment stability is inadequate.In this paper，6061 aluminum body material was used，and different repair welding techniques were also be tested，and then microstructure and properties of welding joint were be analyzed after welding.The results showed that the groove and the tunnel defects can be repaired by TIG+FSW or TIG+FSSW.It can be obtained that the deformation of welding joint is small，and strength is high，and the plastic is excellent.Different repairing welding has little effect on the microstucture and hardness of the joint.

Key words： 6061 aluminum alloy； friction stir welding； welding defect； repair welding

注：①基金项目：科技部国会项目2013DFR50420。

0前言

6061 铝合金具有中等强度、好的耐蚀性、应力腐蚀破裂倾向低、良好的成形性和工艺性能等优点，已被广泛应用于现代建筑、交通运输、航空航天、机械、电力电子和家用电器等领域[1-2]。

虽然利用搅拌摩擦焊技术能够获得高质量的焊接接头，也避免了传统熔化焊方法出现的裂纹、气孔等焊接缺陷，但在工艺参数或条件不适当的情况下易出现填充不完全、未焊透和根部不连续等缺陷[3-5]。因此对焊接缺陷补焊方面的研究报道越来越多。赵衍华等对2014铝合金搅拌摩擦焊焊接接头的缺陷进行了分析。结果表明，搅拌头的形状及工艺参数对接头缺陷的形成具有重要影响[6]。陈华斌等对5456铝合金搅拌摩擦焊中的孔洞等缺陷进行了研究，分析了缺陷的形成原因以及搅拌头倾角对缺陷产生的影响[2]。缺陷一旦产生，就会对接头及焊接结构造成重大影响，因此缺陷修复方面的研究也得到广泛关注。刘会杰等研究了搅拌摩擦焊接缺陷的补焊方法。结果表明，采用搅拌摩擦焊方法能够消除沟槽、孔洞等缺陷[7]。刘会杰等对厚板铝合金搅拌摩擦焊匙孔进行了补焊，研究了不同补焊次数下的接头性能，结果得到，FSW补焊一次、二次、三次的接头中，补焊二次的接头抗拉强度最高，补焊一次的接头强度最低[8]。王鑫等对镁合金铸件缺陷搅拌摩擦修复工艺的方法进行了研究，结果表明，采用搅拌摩擦方法修复航天器铸件缺陷从技术上是可行的[9]。黄永宪等在基于固态连接原理的填充式搅拌摩擦焊匙孔修复技术中，提出了填充式搅拌摩擦焊匙孔修复技术，实现了对焊缝匙孔的准等强修复[10]。

虽然很多学者针对搅拌摩擦焊缺陷及其补焊工艺方面进行了一定的研究，但是补焊方法还是比较单一，补焊后接头性能还有待进一步提高。基于此，文中采用TIG+FSW和TIG+FSSW两种方法对出现沟槽、隧道缺陷的接头进行补焊，并对其补焊后接头的组织性能进行研究，为搅拌摩擦焊缺陷补焊工艺的优化及完善提供可靠的参考依据。

1试验材料及方法

1.1试验材料

试验材料选用6061铝合金车体材料，状态为O态，每个焊接试板的尺寸为300 mm×100 mm×4 mm。

母材化学成分和力学性能分别见表1及表2。

表16061铝合金的化学成分（质量分数，%）MgSiCuCrFeMnZnTi其它Al0.8～1.20.4～0.80.15～0.40.04～0.350.70.150.250.15015余量

表26061铝合金母材力学性能抗拉强度

Rm/MPa屈服强度

Rel/MPa断面伸长率

A（%）190163121.2焊接及补焊方法

首先通过人为制造缺陷，然后再对缺陷接头进行补焊。制造缺陷接头的参数如表3所示。针对沟槽缺陷采用了3种不同补焊工艺，隧道缺陷采用1种补焊工艺，补焊工艺如表4所示。

表3缺陷制造缺陷

类型转速

ω/（r·min-1）焊接速度

v/（mm·min-1）倾角α/（°）说明隧道8501502.7装配间隙2.5 mm沟槽1 2001002.7压入量为-0.1 mm

表4补焊工艺缺陷类型补焊工艺编号隧道TIG填丝焊+FSW补焊1沟槽TIG填丝焊补焊2TIG填丝焊+FSW补焊3TIG填丝焊+FSSW补焊4

1.3测试分析方法

加工完成后沿试样横截面截取试样，用混合酸（1.0%HF+1.5%HCl+2.5%HNO3+95.0%H2O）对抛光后的试样进行腐蚀，在光学显微镜下观察补焊区域的微观组织。采用HVS-30数显维氏硬度计对补焊接头断面进行硬度测试。根据《GB/T-228—2010金属材料室温拉伸试验方法》对补焊接头取样并在电子万能试验机上在室温下以2 mm/min的拉伸速度进行拉伸试验。并对其断口形貌采用扫描电子显微镜（SEM）进行观察。

2试验结果及分析

2.1补焊接头微观组织

由于补焊方法不同，补焊后其接头的组织有很大差别。沟槽和隧道补焊后接头的微观组织如图1所示。

图1中a、b、c、d分别为补焊后焊核区组织。图1a为沟槽缺陷TIG焊补焊后的接头微观组织。由图中可看出，TIG焊补焊后，接头中容易产生二次缺陷，如气孔缺陷，气孔的存在会严重降低接头的强度。图1b为沟槽缺陷经TIG填丝焊+FSW补焊接头的微观组织，该工艺下接头的焊核区晶粒较为细小。图1c为沟槽缺陷经过TIG填丝后再采用FSSW补焊的接头，该接头中有明显的洋葱环组织，焊核区的晶粒也比较细小。图1d为隧道缺陷经TIG填丝焊+FSW补焊接头的微观组

图1缺陷补焊接头组织

织，其焊核区晶粒非常细小。

2.2补焊接头力学性能

补焊的主要目的是在消除缺陷的同时，获得高性能的焊接接头。采用不同工艺对同种缺陷进行补焊，以及同种工艺对不同缺陷进行补焊，接头力学性能结果如表5所示。沟槽缺陷经过TIG+FSW补焊后的接头抗拉强度最高为135 MPa，为母材的71%，断后伸长率达到母材的94%。而对隧道和沟槽进行TIG+FSW补焊后，隧道缺陷接头的性能高于沟槽缺陷的接头，其抗拉强度可达母材的79%，断后伸长率达到母材的89.6%。表5补焊接头性能补焊工艺抗拉强度/

Rm MPa屈服强度

Rp02/MPa断后伸长率

A（%）115093.310.75212395.511.253135103.711.254124100.411.88

对补焊后的接头进行了弯曲试验，结果表明，补焊后接头的弯曲性能都很好，背弯弯曲至180°时，接头没有开裂。弯曲结果如图2所示。图2弯曲结果2.3补焊接头硬度

经过测试补焊后接头的硬度基本呈“W”型。而且经过FSW和FSSW补焊过的接头硬度要比TIG焊补焊的硬度高，TIG焊补焊接头软化严重。在焊缝中心的硬度都最高，热影响区的硬度最低。硬度曲线如图3所示。

24补焊接头断口特征

图4为补焊后接头断口形貌，可以看出，补焊后接头的断裂属于韧性断裂；断口中出现了大量的韧窝，韧

图3补焊接头硬度分布图4断口形貌窝的外侧是撕裂棱。并且部分区域出现小韧窝大量聚集的现象。这是因为焊缝底部区域只受到搅拌摩擦焊产生的热作用，由于搅拌摩擦焊的特点，搅拌头不能搅拌到该区域，所以保留了合金的一部分特征，具备一定的塑性特征。

3结论

（1）采用TIG+FSW和TIG+FSSW补焊技术能够消除对接头性能影响显著的沟槽和隧道等缺陷。

（2）对于沟槽类缺陷而言，TIG+FSW补焊后的接头性能最好，抗拉强度最高可达母材的71%。

（3）缺陷经过FSW补焊后，接头的断口都具有明显的韧窝特征。参考文献[1]肖亚庆，谢水生，刘静安，等.铝加工技术实用手册[M].北京：冶金工业出版社，2005：165-175.

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