王 楠，高中華，王 軍

（河北科技大學，河北石家莊050000）

1060 鋁合金攪拌摩擦焊焊縫金屬流動機理

王 楠，高中華，王 軍

（河北科技大學，河北石家莊050000）

對1060鋁合金進行攪拌摩擦焊，研究攪拌頭旋轉(zhuǎn)方向、焊接速度、主軸轉(zhuǎn)速和攪拌針偏移方向等不同因素對金屬流動的影響。結(jié)果表明，5 mm厚1060鋁合金在主軸轉(zhuǎn)速1 000～1 100 r/min、焊接速度200～300 mm/min時，可獲得無缺陷焊縫。在焊縫上部區(qū)域，軸肩的熱力作用大于攪拌針對焊縫金屬的作用。攪拌針的旋轉(zhuǎn)方向及螺紋旋向?qū)λ苄越饘倭鲃泳哂兄匾绊?。當攪拌頭偏移的方向不同時，焊接質(zhì)量相差較大。

1060鋁合金；焊接工藝；流動機理

0 前言

攪拌摩擦焊（FSW）作為一種新興的綠色固態(tài)焊接方法，焊接過程中無煙霧、無飛濺、無弧光、無輻射。與傳統(tǒng)熔焊相比，其焊接接頭性能更加可靠，從根本上解決了鋁合金、鎂合金等輕質(zhì)金屬焊接時產(chǎn)生的熱裂紋、氣孔等缺陷。由于具有低殘余應力、低形變、高強度、高可靠性等特點，攪拌摩擦焊技術(shù)已被廣泛應用于航空航天、船舶、高速列車等行業(yè)。

攪拌摩擦焊焊縫塑性金屬的流動狀態(tài)直接關(guān)系到焊縫組織的各項性能。為了解焊縫塑性金屬流動形態(tài)差別產(chǎn)生的原因，國內(nèi)外學者開展了大量研究。常用的方法主要有嵌入標記材料法、急停法、物理模擬法、數(shù)值模擬法等。

Paul D.Edwards焊接6 mm厚Ti-6Al-4V時采用鐵粉作為示蹤金屬，發(fā)現(xiàn)焊縫中心處的鐵粉隨攪拌針的轉(zhuǎn)動呈半圓弧狀分布，從回退側(cè)延伸到前進側(cè)[1]?？吕杳鞯热瞬捎勉~箔作為標示材料，銅箔與鋁板在厚度方向上交替疊放，試驗表明，金屬在焊縫厚度方向存在一定的塑性流動。而攪拌針上的螺紋旋向?qū)е铝撕缚p金屬在試板厚度方向上產(chǎn)生不同的流動形態(tài)[2]。P.B.Prangnell采用急停法觀察2195鋁合金匙孔區(qū)橫切面形貌，熱機影響區(qū)組織隨攪拌針的轉(zhuǎn)動均被拉長。前進側(cè)的組織沿焊接方向彎曲，與焊核區(qū)有清晰的邊界線，臨近攪拌針前沿出現(xiàn)了一個細長的變形帶?；赝藗?cè)的熱影響區(qū)相對較寬，這是攪拌針與流動到此處的前進側(cè)金屬共同作用的結(jié)果[3]。為便于觀察焊縫焊縫組織形態(tài)，國內(nèi)外學者采用彩泥、高聚物等模型[4-6]。B.C.Liechty采用青/紅色彩泥模擬對接焊縫，試驗表明，焊縫塑性區(qū)微小的溫度變化會對塑性材料流動的推力產(chǎn)生重大影響。S.D.Ji采用FLUENT軟件建立三維模型模擬焊縫金屬流動，結(jié)果表明，隨著距焊縫上表面距離及距攪拌針中心距離的增加，塑性金屬流動速率逐漸減緩，與此同時，增加攪拌頭傾角和加深攪拌針表面螺紋均增加金屬流動速率[7]。焊縫塑性金屬的流動狀態(tài)對焊縫質(zhì)量有著重要影響，但其他學者沒有對焊縫塑性金屬在其橫截面方向的流動進行詳細研究，故在此對其進行分析。

攪拌摩擦焊焊縫金屬流動機理較為復雜，攪拌針運動的情況對焊縫金屬流動有著決定性作用。本研究通過材料示蹤法，分析焊縫金屬的流動形貌，并分析了不同焊接工藝對焊縫金屬流動的影響。

1 實驗方法

試驗采用300 mm×150 mm×5 mm的1060鋁合金板材，采用0.6 mm厚2A12鋁合金條作為示蹤金屬。示蹤金屬鑲嵌方法如圖1所示。試驗采用FSWLM-BM16-2D龍門式攪拌摩擦焊設(shè)備。攪拌頭規(guī)格如圖2所示，軸肩為同心圓環(huán)槽形，攪拌針為三棱錐形帶右旋螺紋?？刂戚S肩壓入量0.2 mm，焊接傾角2.5°。焊接工藝分組如表1所示。

圖1 示蹤金屬鑲嵌方式示意Fig.1Schematic of trace metal mosaic

圖2 攪拌頭規(guī)格示意Fig.2Schematic of tool size

表1 攪拌摩擦焊工藝Tab.1Friction stir welding process

焊后采用Keller試劑（2 ml HF+3 ml HCl+5 ml HNHO3+190mlH2O）腐蝕試件橫截面，在LEICA S8AP0體式顯微鏡上觀察焊縫宏觀顯微組織。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 攪拌頭旋轉(zhuǎn)方向?qū)饘倭鲃拥挠绊?/p>

在主軸轉(zhuǎn)速1 000 r/min、焊接速度200mm/min時，攪拌頭逆時針和順時針旋轉(zhuǎn)時的焊縫截面形貌如圖3所示，圖中白色渦流線為示蹤金屬2A12，焊縫下部的黑色團狀物為未達到熱塑性狀態(tài)的2A12。2A12鋁合金因未達到熱塑性狀態(tài)，未能與母材形成緊密連接，故腐蝕后呈黑色。

圖3 不同的攪拌頭旋轉(zhuǎn)方向的焊縫截面形貌Fig.3Weld section topography of different direction tool rotation

由圖3可知，攪拌頭旋轉(zhuǎn)方向不同時，軸肩作用區(qū)的金屬流動情況基本類似，示蹤金屬為橢圓形的渦流線，由焊縫中心向兩側(cè)延伸，呈現(xiàn)中間低、兩邊高的分布趨勢，在攪拌針的作用下，示蹤金屬隨攪拌針由焊縫中心流向回退側(cè)。焊縫塑性金屬流動情況是熱與力綜合作用的結(jié)果。焊縫上部金屬的流動區(qū)域與焊縫軸肩作用區(qū)基本重合。塑性金屬在軸肩的熱力作用下由焊縫中心一層一層向外側(cè)流動，而熱機影響區(qū)金屬未達到熱塑性狀態(tài)，對焊縫中心的金屬流動產(chǎn)生阻礙及支撐作用。隨著距焊縫中心距離的增加，渦流線呈現(xiàn)上升趨勢。

焊縫上部的渦流線主要分為四層，這與攪拌針的螺紋層數(shù)一致。在攪拌針前沿，焊縫溫度較低，尤其加入示蹤金屬后，對金屬導熱有一定的影響。攪拌針與焊縫前沿金屬接觸時，溫度較低，金屬軟化程度低，流動性差，金屬形變的臨界剪切力較大。攪拌針上的螺紋對焊縫金屬產(chǎn)生擠壓、破碎作用，把不能整體變形的焊縫前沿金屬剪切為與攪拌針螺紋形狀相契合的長條狀，減小變形抗力[8]。

焊縫下部金屬流動方向較為紊亂。攪拌針為右旋螺紋，順時針轉(zhuǎn)動時，焊縫塑性金屬在攪拌針的作用下向下運動，同時受到周圍非塑性金屬及墊板的支撐力，故其流動時受到的阻力較大，摩擦產(chǎn)熱較多，溫度升高，有利于塑性金屬的流動。所以焊縫底部塑性金屬流動區(qū)較寬，示蹤金屬與母材金屬結(jié)合緊密扎實，如圖3b所示。

攪拌針采用逆時針轉(zhuǎn)動時，焊縫金屬在攪拌針的作用下向上運動，焊縫下部金屬受到的剪切、擠壓作用較小，溫度較低（見圖3a），焊縫下部金屬流動不充分，未達到塑性狀態(tài)的黑色示蹤金屬較多且偏向前進側(cè)。焊縫下部金屬隨攪拌針的轉(zhuǎn)動向焊縫上部流動，擠壓力及摩擦力較小，導致焊縫底部溫度較低，臨界形變能較高，焊縫金屬熔合不良。根據(jù)瞬時空腔原理，焊縫底部金屬向上流動后，產(chǎn)生瞬時空腔[2]，焊接參數(shù)制定不合理，焊縫底部溫度較低時，沒有塑性金屬填充空腔，易產(chǎn)生孔洞及隧道形缺陷[9]。

攪拌頭逆時針轉(zhuǎn)動，塑性金屬向上運動；順時針轉(zhuǎn)動，塑性金屬向下流動。但攪拌頭采用不同的旋轉(zhuǎn)方向時，焊縫上部塑性金屬渦流線分布一致，焊縫下部周邊區(qū)域的塑性金屬在焊縫上部金屬帶動下向熱機影響區(qū)附近流動。由此可知，在焊縫上部區(qū)域，軸肩的熱力作用遠大于攪拌針對焊縫金屬的作用。

2.2 焊接速度對金屬流動的影響

根據(jù)攪拌摩擦焊產(chǎn)熱式（1）[10]，攪拌頭的半徑是確定值，摩擦系數(shù)及焊接壓力也是穩(wěn)定值，因此可將其簡化為熱輸入常量系數(shù)k。主軸旋轉(zhuǎn)速度與焊接速度是直接影響焊接熱輸入的重要變量。主軸轉(zhuǎn)速與焊接速度匹配合理，攪拌頭對母材的摩擦攪拌作用及金屬自身的塑性變形產(chǎn)熱可使焊縫金屬達到塑性變形溫度區(qū)間，進入塑性狀態(tài)。旋轉(zhuǎn)速度過高或焊接速度過慢，焊縫熱輸入過大，導致焊接過程中金屬隨攪拌頭運動打滑，熱輸入不均勻，局部出現(xiàn)過熱、熔化；旋轉(zhuǎn)速度過低或焊接速度過快，焊縫熱輸入不足，焊縫金屬溫度低，塑性變形阻力大，金屬流動不充分，導致焊縫根部出現(xiàn)“吻接”，甚至焊縫中部出現(xiàn)孔洞缺陷及攪拌針折斷等情況，不能形成可靠連接。

式中ω為攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度；μ為摩擦系數(shù)；P為焊接壓力；R1，R2為攪拌頭軸肩和攪拌針的半徑；k為熱輸入常量系數(shù)；v為焊接速度。

攪拌針逆時針轉(zhuǎn)動、轉(zhuǎn)速1 000 r/min，不同焊速下的焊縫截面形貌如圖4所示。焊接速度100mm/min時（見圖4a），可清晰地觀察到示蹤金屬規(guī)整的分布在焊縫中，焊縫金屬流動充分，但焊縫上部幾乎沒有層狀渦流線，可見熱輸入過大；焊接速度為200mm/min、300 mm/min時，如圖4b、4c所示，焊縫下部隨著焊接速度的提高，焊縫熱輸入減小，金屬過熱度減小，渦流線清晰可見；焊接速度達到300 mm/min時，部分示蹤金屬未能從回退側(cè)流動到前進側(cè)，金屬流動性隨著焊接速度的提高而逐漸減?。缓附铀俣仍黾拥?00mm/min、500mm/min時，焊縫下部幾乎觀察不到示蹤金屬的流動蹤跡，軸肩作用區(qū)的深度也隨著焊接速度的提高變淺。由于主軸采用逆時針旋轉(zhuǎn)，焊縫下部金屬流動性較差，示蹤金屬未能與母材金屬形成有效連接。

2.3 主軸轉(zhuǎn)速對金屬流動的影響

焊接速度400 mm/min、攪拌頭逆時針旋轉(zhuǎn)、不同主軸轉(zhuǎn)速下的焊縫截面形貌如圖5所示。轉(zhuǎn)速為800 r/min時（見圖5a），焊縫金屬流動性差，軸肩作用區(qū)深度淺，焊縫中部區(qū)域出現(xiàn)孔洞缺陷；隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，如圖5b、5c所示，軸肩作用區(qū)逐步加深；主軸轉(zhuǎn)速達到1 000 r/min時，可觀察到焊縫示蹤金屬由回退側(cè)流經(jīng)攪拌針后方到達焊縫前進側(cè)。焊縫下部黑色示蹤金屬由塊狀變?yōu)榻z狀，分布區(qū)域擴大。由此可見，隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，焊縫金屬流動性加強。當主軸轉(zhuǎn)速達到1 100 r/min時，如圖5d所示，渦流線清晰，黑色示蹤金屬基本消失，攪拌針對焊縫的熱輸入充分，金屬的變形抗力變小，流動速率提高。

圖4 主軸轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，不同焊速下的焊縫截面形貌Fig.4Weld section topography of different welding speed and tool rolling speed is 1 000 r/min

圖5 焊接速度400 mm/min，不同主軸轉(zhuǎn)速下的焊縫截面形貌Fig.5 Weldsectiontopographyofdifferenttoolrollingspeed and welding speed is 400 mm/min

2.4 攪拌針偏移方向?qū)饘倭鲃拥挠绊?/p>

在實際的焊接過程中，零件裝卡定位、對刀等過程中產(chǎn)生誤差，導致攪拌頭偏移中心位置，影響焊接質(zhì)量。攪拌頭偏離焊縫中心，其軸肩對母材的頂鍛力和摩擦力基本保持不變，焊接過程中由于攪拌針偏移，對焊縫金屬的擠壓、切割作用將會改變。攪拌摩擦焊焊縫金屬前進側(cè)與回退側(cè)的金屬流動方式有區(qū)別，焊縫前沿前進側(cè)金屬與攪拌針摩擦產(chǎn)熱，隨著攪拌針的轉(zhuǎn)動溫度逐漸升高，由前進側(cè)向回退側(cè)流動，經(jīng)由攪拌頭后側(cè)，流回前進側(cè)。

試驗設(shè)定主軸逆時針旋轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速1 000 r/min、焊接速度400 mm/min時，攪拌頭分別偏移前進側(cè)、回退側(cè)1.5 mm，如圖6所示。當攪拌頭向前進側(cè)偏移1.5 mm，即焊縫中心落在攪拌針回退側(cè)，如圖6a所示，焊縫中出現(xiàn)孔洞缺陷，主要是因為焊縫及示蹤金屬處于攪拌頭回退側(cè)，缺少由前進側(cè)向回退側(cè)流動過程，其擠壓、剪切、摩擦作用大大減弱，溫度較低，金屬流動性差，特別是示蹤金屬，未能達到塑性流動溫度，幾乎觀察不到示蹤金屬的流動痕跡。當攪拌頭向回退側(cè)偏移1.5 mm，即焊縫中心落在攪拌針的前進側(cè)，如圖6b所示，焊縫中渦流線規(guī)整清晰，塑性金屬流動較為充分，示蹤金屬與母材連接緊密。由此可見，塑性金屬由前進側(cè)經(jīng)過攪拌針前沿流動到回退側(cè)是焊縫金屬流動的關(guān)鍵過程，焊縫處于攪拌針前進側(cè)并未對焊縫的熱輸入量產(chǎn)生較大影響。焊縫下部未觀察到示蹤金屬的流動情況，渦流線從焊縫中心右側(cè)流向回退側(cè)，焊縫下部塑性金屬流動距離小于一周。

3 結(jié)論

（1）針對5 mm厚1060鋁合金，采用合理的焊接線能量，即主軸轉(zhuǎn)速為1 000～1 100 r/min、焊接速度200～300 mm/min時，可獲得無缺陷焊縫。

（2）在焊縫上部區(qū)域，軸肩的熱力作用大于攪拌針對焊縫金屬的作用。攪拌針上的螺紋可促進焊縫金屬的流動，攪拌針的旋轉(zhuǎn)方向及螺紋旋向?qū)λ苄越饘倭鲃臃较蚓哂兄匾绊憽?/p>

圖6 攪拌頭分別偏移前進側(cè)、回退側(cè)1.5 mm時焊縫截面形貌Fig.6Weld section topography of tool respectively offset 1.5 mm on advance side and retreat side

（3）攪拌頭在垂直于焊縫方向，向回退側(cè)偏移時對焊接結(jié)果影響不大，向前進側(cè)偏移時焊縫金屬流動性變差，易出現(xiàn)缺陷。

（4）焊縫塑性金屬流動過程中，塑性金屬由前進側(cè)經(jīng)過攪拌針前沿流動到回退側(cè)是焊縫金屬產(chǎn)熱的主要時期，是焊縫金屬流動的關(guān)鍵過程。

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Study on metal flow mechanism of welds on 1060 aluminum alloy in FSW

WANG Nan，GAO Zhonghua，WANG Jun
（Hebei University of Science&Technology，Shijiazhuang 050000，China）

Through the research on FSWtechnologyof1060 aluminumalloy，the metal flowinfluenced bydifferent factors is analyzed such as the tool rolling direction，welding speed，tool rolling speed and tool pin offset direction.The results showthat no defect weld is obtained when the tool rolling speed is 1 000～1 100 r/min and the welding speed is 200～300 mm/min for 5 mm thickness 1060 aluminum alloy.In the upper part of welds，the thermal effect of tool shoulder is greater than the effect of tool pin on the weld metal.Tool pin's rolling and thread directions have an important influence on the plastic metal flowing.The welding qualities are significantly different when the tool offset directions are different.

1060 aluminum alloy；welding technology；flow mechanism

TG456

A

1001－2303（2016）06－0019-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.06.04

2015-09-08

王楠（1989—），女，河北石家莊人，在讀碩士，主要從事焊接工藝方面的工作。