铝合金填充式搅拌摩擦点焊工艺试验

孙 倩，周 宏，吴在侯

（1.集美大学 轮机工程学院，福建厦门 361021；2.江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏镇江 212003）

铝合金填充式搅拌摩擦点焊工艺试验

孙 倩1，周 宏2，吴在侯2

（1.集美大学 轮机工程学院，福建厦门 361021；2.江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏镇江 212003）

文章对5A06铝合金进行了填充式搅拌摩擦点焊，对焊接接头进行了力学性能试验和金相试验。通过观察焊缝的微观组织，分析了不同焊接工艺参数对填充式搅拌摩擦点焊接头力学性能和截面成形的影响。结果表明：焊接时间对摩擦点焊接头的抗剪切性能和抗拉性能影响最大；点焊工具旋转速度增加对接头的抗拉性能有增强作用。

铝合金；焊接工艺参数；填充式搅拌摩擦点焊

0 引言

搅拌摩擦焊接工艺自身特点导致焊接结束、搅拌针离开焊件的位置处会留下一个搅拌针直径大小的匙孔[1]。对于直线焊缝，将匙孔留在余量即可消除匙孔，而对于搅拌摩擦点焊这种方法缺乏应用条件，必须用其他方式消除匙孔[2]。填充式搅拌摩擦点焊就是其中一种方法，本文采用先进的搅拌摩擦焊设备进行铝合金填充式搅拌摩擦点焊试验，分析不同工艺参数对接头力学性能的影响，对试验材料接头断裂形式和接头截面金相照片进行讨论和分析。

1 试验材料和试验设备

本文搅拌摩擦点焊试验所用的材料是5A06防锈铝，它在常温下组织为α固溶体和β相（Al3Mg2），其中的合金锰、铁、硅可形成不同的杂质相（AlMg2Zn、AlFeSi和Mg2Si），其化学成分如表1所示。

搅拌摩擦点焊试验采用的设备为 RPS100，搅拌头中心轴外直径为9 mm，中间圆环直径为5 mm。

表1 5A06铝合金的化学成分

试验工艺参数：

搅拌工具旋转速度为500 r/min～2 750 r/min，焊接时间为1.6 s～6.4 s，搅拌圆环下压量为0 mm～0.8 mm，焊接压力为21 kN～30 kN。

2 填充式搅拌摩擦点焊试验方案

试验方案设定如下：

1）材料填充阶段

此阶段要求在保证匙孔附近材料热影响区域尽可能小的前提下，将匙孔填充满与母材相同的材料。此阶段对匙孔内部材料的组织和缺陷没有特别的要求。

2）搅拌点焊修复阶段

用摩擦点焊法在匙孔处进行焊接过程，焊接区域尽量覆盖到所有匙孔区材料以及受前过程热影响的区域，最终形成组织和力学性能一致的搅拌摩擦焊接环焊缝。相比回抽式无匙孔搅拌摩擦焊接工艺[3]，此补焊工艺具有不必存在回抽段减薄区和工艺位置实现性好等优点。目前在摩擦点焊工艺、点焊接头性能方面信息有限，实现摩擦点焊补孔之前，必须对摩擦点焊工艺参数对焊点性能影响情况和焊点性能特点有全面的把握。为了便于点焊性能的测试，试验选用5A06铝合金板厚度为2 mm，试验采用搭接进行焊接，每个参数做7个焊点接头，6个用于做力学性能测试，1个用于截面金相分析，拟通过焊点性能测试数据评价摩擦点焊接头性能，并讨论其用于填补匙孔的可行性。

焊缝性能测试：抗剪切试样和十字拉伸试样如图1所示，相同试验参数抗剪切试样做3个，十字拉伸试样做3个，最后取平均值用于试验结果分析。

焊缝截面金相分析：焊缝沿直径截取截面制备金相试样，采用Zeiss Stemi2000-C显微镜观察截面情况。

图1 抗剪切试样与十字拉伸试样图示

3 工艺参数对接头截面成形的影响

图2为点焊工具旋转速度不同时接头截面图。随着点焊工具旋转速度逐渐增大，单位时间单位距离材料受热量增加，发生塑性流动的材料增加，从图中可以看出焊点与母材的环形分界线逐渐弯曲，上下分界线逐步向下凸起。

图2 点焊工具不同旋转速度不同焊点截面图（L=0.3 mm；t=2.4 s；F=30 kN）

图3为焊接时间不同时接头截面图，随着焊接时间逐渐增大，焊点与母材的上下分界线逐步向下移动并有凸起趋势。当焊接时间增至6.4 s，接头表层组织出现蜂窝状形态，这是由于焊接第三阶段，中间圆环上升的同时搅拌针下降与搅拌针摩擦生热的材料温度过高引起。

图3 焊接时间不同时焊点的截面图（L=0.3 mm；F=30 kN；n=2 000 r/min）

图4为下压深度不同时接头截面图，随着下压深度增加，接头区域向下扩展。

图4 下压深度不同时焊点截面图（F=30 kN；t=2.4 s；n=2 000 r/min）

4 接头力学性能测试

1）搅拌工具旋转速度n对摩擦点焊的影响

在其他参数不变的情况下，选用不同搅拌速度所得的抗剪切性能和抗拉性能测试结果如表 2所示。

表2 搅拌工具旋转速度不同时焊点力学性能测试表

从表2可以看出，随着搅拌工具旋转速度n的增加，搅拌摩擦点焊焊缝的抗剪切性能变化不大，抗拉性能增强明显。

2）中间圆环下压（上升）时间t1（t2）对摩擦点焊的影响

表3为中间圆环下压（上升）时间不同时焊缝的抗剪切性能和抗拉性能测试结果，可以看出中间圆环下压（上升）时间为2.4 s时焊缝的抗剪切性能达到最高，1.6 s时抗拉性能达到最高；随着中间圆环下压（上升）时间减少，由于焊接热量小，无法使焊缝材料达到塑性流动的最佳温度，焊缝的抗剪切性能和抗拉性能总体下降。

表3 中间圆环下压（上升）时间不同时焊点的力学性能测试表

3）搅拌圆环下压量L对摩擦点焊的影响

搅拌圆环下压量L决定了焊缝热力搅动区域的深度，表4为搅拌圆环下压量不同时焊缝的抗剪切性能和抗拉性能测试结果，可以看出，当下压深度为0.3 mm时焊缝的抗剪切性能达到最大值，下压深度为0.2 mm时焊缝的抗拉性能达到最大值；当下压深度为0 mm时，上下试板仅有热和压力作用，未有热力搅动区域，因此抗剪切性能和抗拉性能都最低；当下压深度大于0.3 mm时，焊缝的抗剪切性能逐步下降，下压深度增加到0.8 mm时，焊缝的抗剪切性能下降了14.3%，不过此过程焊缝的抗拉性能没有明显下降。

表4 下压深度不同时焊点力学性能测试表

4）焊接压力F对摩擦点焊的影响

夹持压力过小会造成焊缝无法成形，但是压力过大又会造成圆环处压痕过深。对于本试验选用的2 mm的5A06铝合金经尝试性试验得出夹持压力F值超过20 kN焊缝即可形成，直到压力极限值30 kN都可得到外观无缺陷的焊缝。表5为焊接压力不同时焊缝的抗剪切性能和抗拉性能测试结果。可以看出焊接压力对焊缝抗剪切力影响不大，但是焊接压力偏小时（21 kN）焊缝抗拉性能较差。不过总体看来，可以获得优质摩擦点焊焊缝的焊接压力适应区间是比较大的。

表5 焊接压力不同时焊点力学性能测试表

5 摩擦点焊用于无匙孔搅拌摩擦焊技术的可行性分析

前面的工艺试验得出了各工艺参数对接头性能的影响，从性能测试数据可以看出，摩擦点焊接头具有一些以前的焊接接头所不具备的特征，如抗拉力远低于抗剪力的性能，这与摩擦点焊的工艺特殊性密切相关。为了明确摩擦点焊接头性能特性，保证其用于填补搅拌摩擦焊接最终匙孔时焊缝性能上的稳定可靠，需从接头断裂形式和焊缝组织两方面作进一步讨论。

5.1 接头断裂形式讨论

摩擦点焊接头的抗剪试片断裂形式为两类，如图5所示，其中I型剪切方式为自水平连接面撕裂，II型剪切方式为自竖直连接面剥落。对应性能数据，I型剪切的试片性能降低，抗剪力均未达到7.5 kN；II型剪切的试片抗剪力均达到7.5 kN以上，并且随着剥落界面的粗糙度的增加，抗剪力加大。因此，II型剪切方式试片为工艺参数合理的摩擦点焊接头。

图5 点焊接头剪切开裂形式

摩擦点焊接头的抗拉试片断裂形式为3类，如图6所示，其中沿水平连接面拉开的为I型拉裂方式，沿竖直连接面拉开剥落界面光滑的为II型拉裂方式，沿竖直连接面拉开剥落界面粗糙的为III型拉裂方式，这3类试片对应的抗拉力自小到大排列：II型、I型、III型。III型拉裂方式试片为工艺参数合理的摩擦点焊接头。

图6 点焊接头拉伸开裂形式

综上所述，在最佳工艺参数条件下，摩擦点焊接头的薄弱面为竖直连接面。

5.2 接头截面金相照片分析

图7为接头金相图，图8～图10为图7中标示出的三处区域放大金相照片。

图7 接头截面金相照片分区图

接头从组织形貌分为：热力影响区、压力影响区、热影响区和母材区。从焊接整体过程来看，接头由搅拌圆环下压上升迫使接头区域金属发生塑性流动而形成[5]。其中焊点内部大部分材料和母材区域组织形貌相差很大，说明这部分材料受热量较大，成为热力影响区；在接头下端两侧有部分区域和母材区域组织形貌相差不大，说明这部分材料受热量较小，成为压力影响区。

由于母材材料属于非热处理强化铝合金，热影响区区域与母材形貌差别不明显。接头中组织呈现“洋葱状”形貌，在焊接第三阶段，搅拌圆环上移留出空腔，同时搅拌针下压材料，材料向两边塑性流动填满空腔，由于此过程时序相关，同一时刻上下两层材料必然存在流动变形速率差，导致组织中出现“洋葱状”层层堆叠的形貌。

图8 1区域放大

图9 2区域放大

图10 3区域放大

焊点和母材的结合界面有两个部位：水平连接界面和竖直连接界面。水平连接界面就是搭接界面，竖直连接界面是由于点焊工具套环向下摩擦挤压运动造成的连接界面。

由于点焊工具套环下压深入到第二层材料表面以下，将区域表面的氧化膜打碎分散挤压入中心区域，在搅拌圆环上升时中心材料又被填入搅拌圆环上升形成的瞬时空腔[6]，水平连接界面区域的材料在热和力的共同作用下变形、流动，界面接触并扩散融合，由平面分离状态变成曲面结合状态，因此水平连接界面连接质量高，这是摩擦点焊接头抗剪性能优异的本质原因。

点焊工具套环摩擦向下运动时会将母材剪切出一个界面，在套环上升时由填入点焊圆环上升形成的瞬时空腔的材料和此界面有一个接触扩散连接过程[6]。这个结合界面从受力情况来看仅仅受到横向挤压作用，从受热情况看母材侧表面温度较高和填入材料发生扩散融合。竖直连接界面分为与热力影响区形成的连接界面和与压力影响区形成的连接界面。由于压力影响区材料温度较其它区域温度低，与竖直界面形成可靠连接的条件比其它区域更为苛刻，是结合最为薄弱的区域。

6 结论

通过对5A06铝合金进行填充式搅拌摩擦点焊以及对接头性能的分析，可以得出以下结论：

1）摩擦点焊工艺试验研究表明，焊接时间对摩擦点焊接头的抗剪切性能和抗拉性能影响最大；点焊工具旋转速度仅对接头的抗拉性能有增强作用；焊接深度和焊接压力的工艺范围窗口较大。

2）摩擦点焊接头组织呈“洋葱状”流线形貌，其接头由热力影响区、压力影响区和热影响区构成；点焊接头与母材存在水平和竖直两个连接界面，其中竖直连接界面是点焊接头连接最为薄弱的部位。

3）性能较弱的竖直连接界面的存在会消弱匙孔补焊处的力学性能，因此亟待开发一种新型的摩擦点焊技术予以技术代替，应用于匙孔填补工艺。

[1]荆忠亮,赵彤涌,宋志强.船舶结构的搅拌摩擦焊技术[J].舰船科学技术,2015,37(4)： 117-120.

[2]王训宏,王快社.搅拌摩擦焊的发展现状及存在的问题[J].焊接技术,2006,35(06)： 2-4.

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[6]李标峰.船用铝合金焊接及其船体建造工艺[M].北京： 国防工业出版社,2005.

Experiment on Filling Friction Stir Spot Welding of Aluminum Alloy

SUN Qian1,ZHOU Hong2,WU Zaihou2
(1.Marine Engineering Institute,Jimei University,Fujian Xiamen 361021,China; 2.Naval Architecture and Ocean Engineering Institute,Jiangsu University of Science and Technology,Jiangsu Zhenjiang 212003,China)

In the paper,the 5A06 aluminum alloy is welded by the filling friction stir spot welding technology.The mechanical properties of the welded joint and metal lography are tested.By observing the weld microstructure,the analysis of the different welding parameters on the filling mechanical properties of friction stir welding joints and shape of cross section is done.The result shows that the time of welding has the biggest effects on the friction welding joints shear resistance and tensile properties.The rotation speed of the welding tool can enhance the tensile properties of joints.

aluminum alloy; welding parameter; filling friction stir spot welding

TG453.9

A

10.14141/j.31-1981.2017.05.010

孙倩（1974—），女，副教授，研究方向：船舶与海洋结构物设计制造。