工艺参数对铝合金FSW接头性能的影响*

尹 欣

(郑州航空工业管理学院，河南 郑州 450046)

0 引言

铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，由于其具有重量轻(密度大约是钢的1/3)、抗腐蚀、比强度高、再生性好等优点，在装备轻量化方面具有良好的应用前景。铝合金的实际应用主要取决于材料的制备与连接性能，焊接是工业领域中广泛应用的材料连接技术之一，但是铝合金焊接存在以下技术难题：焊接接头强度远低于母材，特别是抗拉强度只有母材的60%左右；焊接容易产生气孔和热裂纹；线膨胀系数大，易产生焊接变形。搅拌摩擦焊FSW(Friction Stir Welding)焊接接头抗拉强度能达到母材的80%以上，且焊缝里的焊接缺陷极少，与传统的MIG焊相比具有无法比拟的优越性，是今后铝合金焊接的最主要手段之一，为此，本文研究了6061-T6铝合金的搅拌摩擦焊工艺参数对接头拉伸性能、硬度和微观组织的影响。

1 实验材料及方法

本实验选用厚度为12 mm的6061-T6铝合金材料为研究对象，其化学成分见表1，力学性能见表2。焊接前先用砂纸对板材表面打磨以去除氧化皮，采用乙醇清洗，采用FSW-RL31-010搅拌摩擦焊接设备进行焊接，由工装夹具将材料向下压紧，保证材料与垫板紧密贴实，焊接过程如图1所示。

图1 6061-T6铝合金搅拌摩擦焊接过程

表1 6061-T6化学成分(质量分数) %

表2 6061-T6力学性能

焊接工艺参数如下：深度为5.95 mm，焊接旋转速度为600 r/min～800 r/min，焊接速度为100 mm/min～300 mm/min。采用内凹双圆环锥形带螺纹搅拌头进行焊接，搅拌头形貌如图2所示。

图2 搅拌头形貌

实验在Instron-8801型万能拉伸试验机上进行拉伸测试，拉伸速率为2 mm/min，参照GB/T2651—1989《焊接接头拉伸试验方法》，用线切割的方式制取拉伸试样。

投射试样制作：在搅拌摩擦焊铝合金中心区及边缘区分别截取厚度为2 mm的试样，然后用水砂纸磨至100 μm，并剪取Φ5的圆片进行双喷减薄,最后在离子减薄仪中小角度减薄1 h以除去表面氧化膜，离子减薄的电压为3 000 V～3 500 V，掠角10°左右。制好的样品真空保存，3天内利用JEM-2100型透射电子显微镜观察试样中心小孔周围薄区的微观组织。

2 焊缝接头

实验过程所得的焊缝放大图如图3所示。研究发现，在没有任何气体保护措施的情况下，铝合金的搅拌摩擦焊焊接接头没有任何气孔等熔焊缺陷，并且铸造铝合金的搅拌摩擦焊焊接接头强度达到了母材的90%。

图3 铝合金搅拌摩擦焊焊缝放大图(50倍)

3 实验结果与讨论

3.1 焊接参数对拉伸性能影响

为了获得焊接接头良好的力学性能，必须采用合理的焊接规范。在搅拌摩擦焊焊接过程中，焊接工艺参数会通过改变轴肩与工件的接触状态来影响焊缝的表面成形效果。表3为不同旋转速度、焊速条件下焊接接头的实验结果。从实验结果可以看出，当旋转速度为800 r/min、焊接速度为200 mm/min时，接头的抗拉性能最高，达到230.83 MPa，为母材强度的92.24%；当旋转速度为700 r/min，焊接速度为200 mm/min时，接头的抗拉强度达到223.06 MPa，为母材强度的91.11%；当焊接速度为100 mm/min时，3个旋转速度下接头的力学性能都急剧下降，旋转速度为600 r/min的力学性能最差，仅为170.54 MPa，是母材强度的65.64%。

表3 搅拌摩擦焊焊接接头的力学性能

由表3可知，相同搅拌头形貌条件下，旋转速度和焊接速度对6061铝合金的接头力学性能有一定的影响，旋转速度为800 r/min、焊接速度为200 mm/min时接头力学性能最佳。这是因为当旋转速度为700 r/min时，由于焊接过程中产生的热量不足，导致试样接头未能焊上，焊缝表面出现沟槽缺陷；当旋转速度为800 r/min时，由于产生的热量较多且铝合金热导率较大，致使热影响区晶粒相当粗大，所以需要选择较高的焊接速度，降低热输入量，提高接头的成形能力。由表3还可以看出，断后延伸率随着焊接速度和旋转速度的变化基本保持为一个定值，母材的延伸率就很小，搅拌摩擦焊焊接接头的延伸率就更小，焊接参数对断后延伸率的影响不明显。

3.2 硬度分布

在接近焊缝试样上表面和下表面进行两条平行线的硬度测试，沿焊缝方向每间隔12 mm取一点，检验硬度在水平方向上的变化趋势，并对比上、下表面硬度线是否存在差异。不同转速、焊速条件下焊缝水平线显微硬度分布如图4所示。由图4可以看出，接近焊缝上表面的硬度值(上线硬度)均低于下线的硬度值，分析认为焊缝上表面在轴肩和搅拌针的共同作用下接收更多的热输入，热输入量的增加是焊缝区域硬度降低的主要原因，随着旋转速度的降低，焊缝区域的硬度与母材硬度差值减小；旋转速度为800 mm/min和700 mm/min时，焊缝区域与母材硬度值基本持平，可见降低热输入可以减小母材硬度的软化程度。

1-转速800 r/min、焊接速度200 mm/min；2-转速700 r/min、焊接速度200 mm/min；3-转速600 r/min、焊接速度200 mm/min

3.3 微观组织

图5为旋转速度为800 r/min、焊接速度为200 mm/min时搅拌摩擦焊接6061-T6铝合金试样的焊接接头微观组织。由图5(a)可见，热影响区局部晶粒较细小，但仍有较大晶粒存在，这是因为该区在焊接热循环的作用下发生了不同程度的回复，静态再结晶，局部晶粒细化。由图5(b)可见，形成了明显的拐角，焊缝两侧呈现不同的组织形貌。由图5(c)可见，与母材组织相比，晶粒明显细化，形成细小、均匀的等轴晶。

图5 搅拌摩擦焊接6061铝合金试样焊接接头微观组织

4 结语

(1)较高的焊接速度，降低热输入量，可以提高焊接接头的成形能力。断后延伸率随着焊接速度和旋转速度的变化基本保持为一个定值，母材的延伸率就很小，搅拌摩擦焊接头的延伸率就更小，焊接参数对断后延伸率的影响很不明显。

(2)在相同的焊速下，尽量选取较低的焊接旋转速度可以使焊缝与母材的硬度值更加接近。较高的热输入会降低焊缝区域的硬度值，焊接参数的选取应尽量控制热输入量，减小焊缝区域的软化程度。

(3)选用旋转速度为800 r/min、焊接速度为200 mm/min，接头成型质量较好，抗拉强度较优。