焊接速度对厚板5083铝合金搅拌摩擦焊接头组织与性能的影响

（中铝材料应用研究院有限公司中铝中央研究院材料科学研究分院，北京102209）

0 前言

5083铝合金属于铝-镁系（5XXX）合金，为不可热处理铝合金，具有强度中等、塑性良好、焊接性能较好、耐应力腐蚀性能优良等特点，是船舶、汽车、轨道交通等制造行业理想的结构材料[1]。搅拌摩擦焊是一种固相连接技术，与传统熔化焊接方法相比，能够得到高性能、无缺陷、变形小的焊接接头，因此广泛应用于铝、镁、钛等轻合金的连接[2]。国内外学者对搅拌摩擦焊铝合金的微观组织、力学性能和断口形貌进行了大量研究，尤其是具有优良焊接性能的5083铝合金。TomotakeHirata[3]等人对3mm厚的5083-O铝合金进行工艺参数研究，对比不同转速和焊接速度下的接头性能，认为转速500r/min、焊接速度100 mm/min所对应的搅拌区域性能最好，各项力学性能与母材相当。古宝康[4]等人采用FSW焊接3 mm厚的5083-O态铝合金板材，在搅拌头转速恒定为800 r/min时，逐渐提高焊接速度进行工艺参数配置，当焊接速度为60 mm/min时，接头抗拉强度316 MPa，断后伸长率21.2%，断口存在细小的韧窝和解理平面，为韧性和脆性混合型断裂；Lombard[5]等人对6 mm厚5083-H111铝合金板材进行FSW工艺试验，得出搅拌头倾角为2.5°、转速266 r/min、焊接速度85 mm/min时，接头无缺陷，力学性能最优，并指出转速是保证焊接质量的关键因素。综上，已报道的文献主要集中在10 mm以下厚度的5083铝合金板材的研究，而对较厚5083铝合金板材研究较少。

本研究以12 mm厚的5083铝合金板材为对象，进行对接接头形式的搅拌摩擦焊试验。在同一转速、不同焊接速度条件下，对比研究焊接速度对5083厚板接头的微观组织和力学性能的影响规律。

1 试验方法

试验母材为12 mm厚的5083铝合金板材，试样尺寸300 mm×100 mm，化学成分如表1所示。

表1 5083铝合金化学成分 %

采用北京世佳博公司制造的FSW-LM2217-2D-10T型搅拌摩擦焊接设备，锥形搅拌头，搅拌针长度11.8 mm，下压量0.3 mm，倾斜角2.5°。板材对接放置。焊接工艺参数：焊接转速恒定为600 r/min，焊接速度为100 mm/min和300 mm/min。由于厚板焊接时焊接工艺参数可调节范围较窄，在此采用转速不变且在一定范围内改变焊接速度的方式进行研究，焊接速度过大或过小均不在本次试验出现。

金相试样取自焊缝截面，用阳极覆膜法制备试样（38 ml H2SO4+43 mlH2PO3+19 ml H2O混合液），采用Axio Scope.A1光学显微镜观察试样组织。利用Fischer HM 2000型显微硬度仪沿焊缝界面分上、下两层测量硬度。在室温条件下按照GB/T 228.1-2010标准在AG-X Plus-10 KN拉伸试验机上进行拉伸试验，用SEM观察拉伸后断口微观形貌。

2 试验结果和分析

2.1 接头宏观与微观形貌

焊接接头截面宏观形貌如图1所示，焊后接头形成了轴肩影响区（SAZ）、焊核区（NZ）、热机影响区（TMAZ）和热影响区（HAZ）4个不同的区域，焊缝区域上宽下窄，呈“盆”状。

图1 焊缝宏观形貌

在转速一定的情况下，焊接速度为300 mm/min的焊核区（NZ）和轴肩影响区（SAZ）区域小于焊接速度为100 mm/min的焊核区和轴肩影响区，这是因为焊接速度变化引起了焊缝金属热输入和受力情况变化。FSW线能量q的表达式为[6]

式中 A为常数；n为搅拌头转速；v为搅拌头焊接速度。

由式（1）可知，在转速不变的情况下，在一定范围内增大焊接速度会减小线能量q，降低塑性金属流动性；同时在焊缝的单位长度搅拌针参与搅拌和混合时间减少，加之轴肩在下压过程中与工件上表面单位长度接触时间也缩短，使得焊缝金属产热和受力在一定程度上减少，导致轴肩区和焊核区面积减小。

不同焊接速度的5083FSW铝合金接头截面微观形貌如图2所示，焊缝中心形成一系列同心圆环状结构，称为“洋葱环”[7]。

对比两种焊接速度形成的洋葱环后发现，焊接速度提高，洋葱环结构呈现不同形貌，圆环的间距有所增大。影响洋葱环间距的表达式为[8]

式中 kd为间距因子；f为轴肩与材料表面之间的摩擦系数；n为搅拌头的转速；v为搅拌头焊接速度。洋葱环的间距只与焊接转速和焊速有关，转速一定的条件下，焊速提高，洋葱环间距增大。其原理是：于焊缝热输入量影响着流动金属的量以及流动性，固定转速，提高焊接速度，热输入量和搅拌程度均下降，搅拌头每旋转一周前进的距离变大，导致洋葱环间距增大。

两种焊速下前进侧和后退侧微观形貌如图3所示。可以看出，两种焊速下的晶粒大小分布、焊核区和热机影响区以及分界线的分布规律一致。焊核区直接受到搅拌针的摩擦和搅拌作用，在剧烈塑性变形和高温的共同作用下晶粒分布细小且均匀；热力影响区受到温度升高和搅拌头的扭转摩擦等多重作用，晶粒明显拉长变形；热影响区仅受到热循环作用，晶粒未发生变形；前进侧热力影响区与焊核区界线比后退侧界线更明显，这是由于前进侧金属流动方向与母材的相对运动方向相反，而后退侧运动方向相同且温度略高，金属流动性更佳，故后退侧界线相对模糊。

图2 不同焊接速度的5083FSW铝合金接头截面洋葱环微观形貌

图3 不同焊接速度的5083FSW铝合金接头截面焊核区微观形貌

当转速一定，两种焊速下5083FSW铝合金显微组织分布规律相同，但在焊接速度为300 mm/min的试样后退侧根部发现了未焊合缺陷[9]——1条500μm长的裂纹状细线贯穿焊缝底部，指向后退侧焊核区及热影响区，如图4所示。这是因为焊接速度较快，搅拌摩擦热输入不足，塑化的材料流动不充分，造成搅拌针前端板材间隙没有被焊合。这种焊接缺陷对焊接接头的力学性能影响很大，不仅降低了接头抗拉强度，而且使断裂位置发生改变。

图4 焊速300 mm/min的后退侧根部未焊合缺陷

2.2 接头力学性能

拉伸试验测试5083FSW铝合金接头抗拉强度和延伸率，母材与焊缝力学性能对比如表1所示。当焊速为100 mm/min时，抗拉强度高达308 MPa，为母材强度的97.1%，基本与母材相当，断后延伸率略微下降。当焊接速度为300 mm/min时，抗拉强度仅为178 MPa，为母材的56.2%，断后延伸率也大大下降，焊接接头力学性能恶化。

表1 不同焊速下焊接接头力学性能与母材对比

当转速一定，两种焊速下5083FSW铝合金焊缝截面显微硬度分布曲线如图5所示。由图5可知，沿焊缝截面硬度分布近似呈W形分布，即两侧母材硬度高，热影响区和热力影响区硬度值降低，到焊缝中心位置焊核处硬度值又升高。其原因为焊核区的金属发生了动态再结晶，晶粒细小均匀，细晶强化效果明显，抵抗塑性变形能力增强，因此硬度值高于焊缝其他区域。整体来看，两种焊速的上部和下部对应的焊缝硬度的最低点都位于前进侧。由此可见，焊缝区域出现了较大程度的软化现象[10]。

由图5还可知，两种焊接速度下的焊缝区域，上部硬度值普遍低于下部硬度值，这是因为上部主要受到轴肩下压和搅拌针摩擦的双重作用，产生较大热量且冷却时间长，热影响区和热力影响区的晶粒受到高温作用出现了过时效，导致晶粒长大[11]，故相对焊缝下半部分硬度值下降。

图5 不同焊速的焊缝区硬度分布

2.3 断口分析

两种焊速的断裂位置示意如图6所示。焊速为100 mm/min的试样断裂位置发生在热影响区，而焊速为300 mm/min的试样断裂位置发生在焊核区域，这是因为焊核区微观组织晶粒细小均匀，强度高于母材，而热影响区晶粒为典型的受热长大组织，区域材料性能弱化，断口通常出现在该区域。但当焊接速度为300 mm/min时，焊缝根部出现了未焊合，导致接头力学性能急剧下降，故断裂位置发生在焊核中心。

两种焊速的焊接接头断口微观组织如图7所示。当焊速为100 mm/min时，接头断口呈韧性断裂，韧窝直径较大，数量较多，接头获得较高的韧性，这与力学性能中断后延伸率值较高相吻合。当焊速为300 mm/min时，断口处韧窝较浅且部分被拉长，存在少量准解理面，接头断口为韧-脆混合断裂[12]，塑韧性较差。

图6 接头断裂位置

图7 焊接接头断口微观组织

3 结论

（1）对于12 mm厚板5083铝合金FSW焊接接头，当转速一定时（600r/min），焊速100mm/min的输入线能量高于焊速300 mm/min的，轴肩热影响区和焊核区分布面积大，且洋葱环间距较小，排布更紧凑。

（2）当焊速为300 mm/min时，在焊接接头的焊核区底部发现未焊合缺陷，对断裂位置和抗拉强度有直接影响，力学性能急剧降低；而焊速为100mm/min时，获得的焊接接头的力学性能较好，达到母材的97.1%，断后延伸率与母材相当；两种焊速的硬度分布大致呈“W”分布，焊缝上部硬度值普遍低于下部硬度值，硬度最低点位于前进侧热影响区。

（3）焊速100 mm/min的焊接接头断裂机制为韧性断裂，塑韧性较好；焊速300 mm/min焊接接头断裂机制为韧-脆性混合断裂，塑韧性较差。由此可见，在进行厚板铝合金搅拌摩擦焊时，当转速一定时需匹配合适的焊速，才能获得高质量的焊接接头。