孫楓喬，　宮文彪，　姜　帆

(長春工業(yè)大學 材料科學與工程學院， 吉林 長春　130012)

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無針攪拌摩擦點焊鋁合金搭接接頭的組織與性能研究

孫楓喬，宮文彪*，姜帆

(長春工業(yè)大學 材料科學與工程學院， 吉林 長春130012)

摘要：采用無針式攪拌頭對(1.0+1.5) mm厚6005A-T6鋁合金進行攪拌摩擦點焊，對焊后組織形貌、拉伸性能和斷口形貌研究分析。結(jié)果表明，焊點接頭組織分為4個區(qū)域，其中攪拌區(qū)的晶粒最為細小。點焊接頭抗剪切性能明顯高于其抗剝離性能，攪拌頭停留時間的變化僅對剝離性能有所影響，對拉剪性能影響不大,拉剪斷口顯示為韌性斷裂。

關鍵詞：無針式攪拌頭; 6005A-T6鋁合金; 攪拌摩擦點焊

0引言

攪拌摩擦焊作為近年來發(fā)展的一種新型固相連接技術，已在高速列車、航空航天等領域得到了快速的發(fā)展和應用。攪拌摩擦點焊技術研究也日益成為研究的熱點，以期用來解決鋁合金電阻點焊中的一些局限性與不足[1-5]。劉克文[6]等利用LY12鋁合金進行攪拌摩擦點焊，發(fā)現(xiàn)攪拌頭形狀對焊點剪切強度有著顯著影響。周冠南[7]等采用銅箔示蹤的方法分析下壓量對界面畸變的影響，發(fā)現(xiàn)下壓量的增加可提高接頭的剪切性能。文中采用(1.0+1.5) mm搭接的6005A-T6鋁合金，用無針式攪拌頭進行攪拌摩擦點焊焊接，研究分析了點焊接頭組織、拉伸性能和斷口形貌。

1試驗材料和方法

試驗設備及方法如圖1所示。

(a) 試驗設備及攪拌頭 (b) 搭接方式

圖1試驗設備及方法

試驗材料選用6005A-T6鋁合金，采用1.0 mm板在上，1.5 mm板在下搭接方式進行焊接。攪拌頭選用自行設計加工的無針式攪拌頭，其軸肩直徑為12 mm，軸肩端面加工成能促進金屬塑性流動的花紋狀結(jié)構，試驗設備為北京賽福斯特公司生產(chǎn)的FSW-LM-5025龍門式攪拌摩擦焊機(見圖1(a))。拉剪試驗板尺寸為100 mm×25 mm，上下板搭接長度50 mm，剝離試樣試板尺寸為200 mm×25 mm(見圖1(b))，所有拉剪試驗均在WDW-200型微機控制電子萬能材料試驗機上進行。利用Nikon金相分析系統(tǒng)分析焊點組織，用JEOL-5600型掃描電鏡對斷口形貌進行分析。

2結(jié)果與分析

2.1焊點組織形貌

攪拌摩擦焊點焊接頭橫截面宏觀形貌如圖2所示。

圖2焊點宏觀形貌

從圖2可以看出，攪拌頭下壓焊接后，上板塑化的金屬被攪拌頭擠壓至兩側(cè)，在焊點表面遺留下匙孔(Pin Hole)，上板表面與匙孔連接處有飛邊形成。經(jīng)過腐蝕后，其橫截面大體分成四個區(qū)域。其中，與匙孔周圍相連區(qū)域為攪拌區(qū)(SZ)，攪拌區(qū)與母材之間分別又由熱機械影響區(qū)(TMAZ)和熱影響區(qū)(HAZ)構成。熱機械影響區(qū)的組織范圍很小，這可能是由于攪拌頭下壓焊接過程中，攪拌頭并沒有對焊點邊緣處材料產(chǎn)生過大的壓緊力作用，致使TMAZ與HAZ兩區(qū)域的分界線并不明顯。

點焊接頭中各區(qū)域的微觀形貌如圖3所示。

(a) 母材

(b) 攪拌區(qū)

(c) 熱影響區(qū)

(d) 混合區(qū)域

圖3(a)為母材在經(jīng)過固溶處理與時效處理之后，伴隨有黑色化合物的產(chǎn)生。經(jīng)過軋制處理后化合物被拉長，拉長方向與軋制方向相同。圖3(b)為SZ區(qū)域組織微觀形貌，與母材相比，該區(qū)域處含有少量的黑色化合物，這是該區(qū)域在經(jīng)歷攪拌頭劇烈旋轉(zhuǎn)攪拌后晶粒被打碎重組的緣故，所以，該區(qū)域的晶粒組織也最為細小。相比之下，圖3(c)HAZ微觀形貌中晶粒則較為粗大，第二項粒子較多。該區(qū)域處只受到攪拌頭摩擦熱的作用，摩擦熱使晶粒有所長大，且母材中軋制拉長的黑色化合物變短。圖3(d)為3種區(qū)域混合區(qū)，更為直觀地看到TMAZ和HAZ有較多的黑色第二項粒子，且晶粒較SZ粗大。TMAZ區(qū)域輪廓不是很明顯，呈長條狀存在焊核區(qū)與熱影響區(qū)之間。

2.2點焊接頭拉伸性能

焊點拉伸形貌與性能如圖4所示。

(a) 拉伸力與停留時間關系

(b) 剝離前后對比及斷裂位置

圖4(a)是在攪拌頭轉(zhuǎn)速1 500 r/s，下壓深度1.5 mm時，改變停留時間對(1.0+1.5) mm搭接接頭最大載荷的影響。根據(jù)圖中曲線，相同參數(shù)下點焊接頭的拉剪力要遠大于其剝離力，這是由于搭接上下兩板的水平界面區(qū)域范圍遠大于其豎直界面連接范圍造成的。在改變停留時間分別為5、10和15 s時，其最大剪切力的大小并無太大變化，這說明停留時間并不是決定點焊接頭拉剪強度的最主要因素。然而，對于剝離強度而言，停留時間為10 s時的最大剝離力明顯高于同參數(shù)下其他停留時間的剝離力。根據(jù)圖4(b)反映的不同停留時間焊點剝離后的宏觀形貌，可以看出停留時間5 s和15 s時的斷裂位置位于攪拌區(qū)，而停留時間為10 s時的斷裂位置并不完全在攪拌區(qū)，還有在向焊點內(nèi)側(cè)延伸的塑性區(qū)斷裂，這也恰好解釋了10 s的停留時間剝離力較大些的原因。同時,也說明了停留時間在一定程度上對搭接上下板豎直界面有一定影響。

2.3焊點斷口形貌

焊點拉剪斷裂形貌如圖5所示。

(a) 拉剪前后對比

(b) 拉伸斷口形貌

圖5(a)為點焊接頭拉剪試樣斷裂前后對比圖，發(fā)現(xiàn)斷裂位置基本位于上板和下板之間結(jié)合的塑性區(qū)，并伴隨有一定程度滑移。對斷裂位置進行SEM分析，從圖5(b)中發(fā)現(xiàn)，斷口由大小不一的韌窩結(jié)構組成，說明點焊接頭斷裂方式為韌性斷裂。韌窩普遍具有一定的方向性，其角度與拉伸方向相吻合，這是由于在拉剪過程中，斷裂位置受載荷影響被延伸拉長所導致的。

3結(jié)語

1)無針式攪拌頭攪拌摩擦焊點焊的接頭組織大體分為4個區(qū)域，焊核區(qū)晶粒尺寸細小，熱機械影響區(qū)和熱影響區(qū)晶粒粗大，并伴有黑色第二相粒子。

2)相同參數(shù)下點焊接頭拉剪載荷遠大于剝離時的載荷，焊接過程中，攪拌頭停留時間對剝離載荷具有一定影響，在10 s時剝離載荷最大。攪拌頭停留時間對焊點拉剪載荷無明顯影響。

3)點焊接頭剪切斷口呈韌性斷裂，韌窩方向與拉剪載荷方向一致。

參考文獻：

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Influence of needleless stir friction head welding on micro-structure and properties of aluminum alloy lapping

SUN Fengqiao,GONG Wenbiao*,JIANG Fan

(School of Materials Science & Engineering, Changchun university of technology, Changchun 130012， China)

Abstract：Needleless stir head friction welding is applied to the 6005A-T6 aluminum alloy which is 1.0+1.5 mm thickness. The microstructures, tensile properties and fracture morphology are studied, and the results show that the microstructure of welding are divided into four regions, in which the finest crystal grain is in the stirred region. The shear resistance at welding joints is significantly higher than that of peeling, and the staying time of the stir head only influences the peeling property but effect a little to the shear strength. The ductile rupture appears in the fracture morphology of shear.

Key words：Needleless stir head; 6005A-T6 aluminum alloy; friction stir spot welding.

中圖分類號：TG 439.8

文獻標志碼：A

文章編號：1674-1374(2016)01-0001-04

DOI:10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2016.1.01

作者簡介：孫楓喬(1991-)，男，漢族，吉林吉林人，長春工業(yè)大學碩士研究生，主要從事材料先進連接工藝方向研究,E-mail:ccut_sfq@163.com. *通訊作者：宮文彪(1966-)，男，漢族，吉林梅河口人，長春工業(yè)大學教授，博士，主要從事材料先進連接技術和熱噴涂方向研究,E-mail:gwbiao@sina.com.

基金項目：吉林省科技廳重點科技攻關項目(20140204070GX)

收稿日期：2015-12-12