搅拌头结构尺寸变化对接头力学性能的影响

刘 杰， 屈志军， 宫文彪

(1.中车长春轨道客车股份有限公司， 吉林 长春 130062;

2.长春工业大学 材料科学与工程学院， 吉林 长春 130012)

0 引 言

搅拌头是搅拌摩擦焊技术应用的关键，在搅拌摩擦焊过程中,搅拌头的主要作用是加热和软化被焊接材料,破坏和弥散接头表面的氧化层,驱使接头热塑化材料流动以及使转移后的热塑化材料形成固相连接的接头。在搅拌摩擦焊焊接过程中，焊缝塑性材料的流动直接关系到焊缝组织的形成，对接头性能具有重要的影响。搅拌头主要由轴肩和搅拌针两部分构成，其几何形貌和尺寸不仅决定着焊接过程的热输入量，也影响焊接过程中搅拌头附近塑化金属的流动形式，对于给定板厚接头形式的铝合金材料来说，焊接质量和效率主要取决于搅拌头的结构尺寸，因而设计合理的搅拌头是提高焊接质量、获得高性能接头的前提和关键[1-3]。对国内焊接行业来说，搅拌头开发的核心技术研究尚不够深入[4-5]，市场上的搅拌头规格型号也是多种多样，寻求适宜的符合生产实际需要的专用搅拌头，进行对比试验分析是很有必要的。

文中着重分析了自行优化设计的6种主流结构形式的搅拌头对焊接接头力学性能的影响，为搅拌摩擦焊技术在铝合金车体推广应用中的搅拌工具选型提供依据。

1 试验材料与方法

试验用材料为4 mm板厚的6082-T6铝合金板材，焊接板材尺寸规格为500 mm×150 mm×4.0 mm,化学成分见表1。

表1 铝合金化学成分 %

焊接试验在型号为FSW-LM-AL25的搅拌摩擦焊设备上进行，焊接工艺流程为：焊前打磨→组对焊接→焊后清理→机加取样。试验所用单轴肩搅拌头针长为4.0 mm，前倾角为2.5°。在搅拌头旋转速度为1 400 r/min，焊接速度为800 mm/min和1 000 mm/min工艺条件下，分别采用6种不同轴肩结构、轴肩尺寸及搅拌针结构的搅拌头进行焊接试验，研究了轴肩结构、轴肩尺寸及搅拌针结构变化的搅拌头对接头力学性能的影响。试验用不同的搅拌头见表2。

表2 试验用不同的搅拌头

焊接试验完成后，依据标准[6]分别制取试样。拉伸和弯曲试验在室温条件下，在WDW-200型电子万能试验机上进行试验，加载速率15 mm/min，试验后对断裂位置进行分析；弯曲试验采用的弯曲角度大于150°，评判标准依据文献[6]，检测过程中试样在任一方向上不得出现3 mm的单一裂纹。

2 试验结果与分析

2.1 焊缝表面形貌分析

采用不同搅拌头实施焊接试验，焊接完成后对焊缝表面宏观形貌进行分析，如图1所示。

由图1可以看出，在搅拌头旋转速度为1 400 r/min，焊接速度为800 mm/min的相同焊接工艺参数条件下，获得的焊缝表面成型良好，纹路清晰，焊后飞边较小，匙孔处未见焊接缺陷。但是仔细对比发现，采用渐开线(2#)结构轴肩的搅拌头焊接时，焊缝表面形貌相对较为粗糙，飞边呈铝屑状分布在焊缝两侧，焊缝表面宏观形貌如图2所示。

图1 不同搅拌头焊后焊缝表面宏观形貌

图2 搅拌头2#焊后焊缝表面宏观形貌

2.2 焊后搅拌头形貌分析

采用1#～6#搅拌头分别在搅拌头旋转速度为1 400 r/min，焊接速度为800 mm/min的焊接工艺条件下连续焊接长度2 000 mm的焊缝，焊后对比不同搅拌头的轴肩和搅拌针的特征形貌,见表3。

由表3可以看出，搅拌针结构不同，焊后黏铝情况有所差异。当搅拌针加工斜竖向沟槽无论深沟槽和浅沟槽，均被铝屑黏满，在焊接初期沟槽可起到搅拌塑化金属，并使金属沿沟槽向下运动的作用，但随着焊接过程的持续进行，铝屑会黏满沟槽，此时沟槽在一定程度上作用不明显了。当搅拌针采用三截面结构的搅拌头，未发现有黏铝现象，此类型搅拌针在焊接时能增加搅拌量，搅拌程度越大，搅拌针向前移动所受到的阻力越小，小平面有利于塑性金属从搅拌针表面移动，避免前进侧的金属被剪切，减小了行进阻力，同时避免了搅拌针黏着铝屑。轴肩结构不同，焊后黏铝情况仍有所差异；当采用螺旋形渐开线的搅拌头焊接后，渐开线槽大部分被铝屑填满，造成在焊接过程中渐开线槽并未能起到对塑性金属导流的作用；而同心圆环形的轴肩无论焊接时间多长，均无黏铝现象存在。同时渐开线形轴肩搅拌头焊缝表面形貌较差，有大量丝状铝屑附着在焊缝表面；当搅拌头高速旋转时，渐开线对塑性金属的导流作用变得非常弱，沟槽及沟槽边缘只是对金属进行切削，并未起到导流作用；同心圆环则依靠圆环对塑性金属起到挤压、推动作用，因此轴肩采用同心圆结构，焊后焊缝表面相对光滑。

2.3 焊接接头力学性能分析

采用1#～6#搅拌头分别在焊接转速为1 400 r/min，焊接速度为800 mm/min和1 000 mm/min的焊接参数条件下焊接试验板，焊后均获得了无焊接缺陷的焊缝，不同搅拌头焊接后获得的接头抗拉强度如图3所示。

试验结果表明，采用不同的搅拌头焊接后获得的接头抗拉强度均能达到250 MPa，符合ISO25239-4的标准要求。从焊接接头抗拉强度对比分析可知，当选用同一种搅拌头实施焊接时，焊接速度采用1 000 mm/min时获得的接头抗拉强度值均大于焊接速度为800 mm/min的情况。其中，采用设计制造的同心圆三截面结构(其轴肩直径为18 mm，搅拌针为6～4 mm)的搅拌头，旋转速度为1 400 r/min和焊接速度为1 000 mm/min的工艺条件下，获得了最高的接头抗拉强度285 MPa。这也进一步说明采用较大速度焊接时，焊接线能量降低，避免了铝合金较大热输入量而造成的软化现象，在其它工艺因素确定后适当地增大焊接速度对提高接头抗拉强度是有利的。

表3 焊后搅拌头特征

图3 焊接接头抗拉强度对比图

拉伸试样断裂后的形貌如图4所示。

图4 拉伸试验断裂位置

由图4可见，拉伸断裂发生在前进侧过渡区的焊缝热影响区，与之前的试验结果类似[7-8]。焊接试样经180°正弯和背弯试验后，焊缝位置未出现裂纹，如图5所示。

(a) 面弯试样

(b) 背弯试样

不同规格型号的搅拌头主要区别在于轴肩结构、尺寸以及搅拌针结构设计的不同。搅拌头结构主要可分为轴肩同心圆+搅拌针螺旋沟槽型、轴肩渐开线+搅拌针螺旋沟槽型和轴肩同心圆+搅拌针三平面型三大类；尺寸设计主要区别在于轴肩尺寸和搅拌针尺寸。综上所述，轴肩渐开线类型的搅拌头均存在黏铝、焊缝表面成型差等现象，螺旋沟槽型搅拌针也存在会被铝屑填满，从而降低对塑性金属的导流作用，也会使焊接接头性能降低；而采用同心圆环轴肩+三截面搅拌针可实现较好的焊缝表面形貌，同时在力学性能测试时，也表现出了比较好的力学性能优势。目前搅拌头市场存在有多种不同尺寸规格的同心圆三截面搅拌头，不同的尺寸也会对焊接性能产生影响。轴肩的主要作用是避免塑性金属移动至焊接以外区域以及在焊接过程中产生热量，轴肩直径大小对焊接热输入影响比较明显。

3 结 语

1)采用优化设计不同的搅拌头，对4 mm板厚6082-T6铝合金板材对接接头实施了搅拌摩擦焊接，均可以获得成型良好、表面光滑、无焊接缺陷的焊缝，接头抗拉强度均能达到250 MPa；但是轴肩为渐开线形状和搅拌针带有斜向螺旋槽的搅拌头在焊接中，存在黏铝及焊缝成型较差现象。

2)使用设计制造的轴肩同心圆搅拌针三截面结构的搅拌头，在旋转速度为1 400 r/min和焊接速度为1 000 mm/min的工艺条件下，获得了抗拉强度285 MPa最高的接头强度，断裂位置发生在焊缝前进侧的热影响区。

[1] 王大勇,冯吉才,王攀峰.搅拌摩擦焊用搅拌头研究现状与发展趋势[J].焊接,2004(6):6-10.

[2] Shindo D J, Rivera A R, Murr L E. Shape optimization for tool wear in the friction-stir welding of cast Al359- 20%SiCMMC[J]. Journal of Materials Science,2002,37(10):4999-5005.

[3] 李程锦,王陆钊,刘其鹏,等.搅拌头几何参数及倾角对搅拌摩擦焊接质量影响的数值分析[J].大连交通大学学报,2017,38(5):70-74.

[4] 李博，沈以赴，胡伟叶.伸缩式搅拌头厚铝板搅拌摩擦焊缺陷及其补焊工艺[J].中国有色金属学报,2012,22(1):62-71.

[5] Zhang Zhao, Wu Qi, Zhang Hongwu. Numerical studies of effect oftool sizes and pin shapes on friction stir welding of AA2024-T3 allo[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China,2014,24:3293-3301.

[6] 国际标准化组织委员会(ISO)．ISO25239-2011．铝合金搅拌摩擦焊焊接工艺规程及鉴定[S].[出版地不详]:瑞士出版社，2011:3-5.

[7] 肖静,宫文彪,刘威,等.6005A-T6/6082-T6铝合金FSW与MIG接头组织与性能研究[J].长春工业大学学报,2015,36(1):1-5.

[8] 刘杰,杨景宏,王炎金,等.35 mm厚板铝合金搅拌摩擦焊接头组织和性能艺[J].焊接学报,2012,33(6):101-104.