段珍珍,王 毅,賈坤寧

（長(zhǎng)春工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130012）

回填式FSSW工藝參數(shù)對(duì)接頭強(qiáng)度的影響

段珍珍,王 毅,賈坤寧

（長(zhǎng)春工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春130012）

以接頭形式2.5 mm+4.0 mm的5083鋁合金為對(duì)象，研究采用回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊（RFSSW）時(shí)下扎深度、旋轉(zhuǎn)速度、焊接時(shí)間三個(gè)主要工藝參數(shù)對(duì)接頭剪切拉力、交叉拉力及其斷裂方式的影響規(guī)律。結(jié)果表明，當(dāng)下扎深度2.8 mm、旋轉(zhuǎn)速度2 000 r/min、焊接時(shí)間7.5 s時(shí)，剪切拉力達(dá)到最大值14.62 kN，交叉拉力達(dá)到最大值5.49 kN。

RFSSW；鋁合金；工藝參數(shù)；接頭強(qiáng)度

0前言

攪拌摩擦點(diǎn)焊（FSSW）是1993年由日本馬自達(dá)等公司發(fā)明的點(diǎn)焊工藝[1-2]，發(fā)展至今衍生出了四種點(diǎn)焊方式：①常規(guī)式攪拌摩擦點(diǎn)焊（Pure FSSW）；②擺動(dòng)式攪拌摩擦點(diǎn)焊（Swing FSSW）；③回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊（Refill FSSW）；④塑流式攪拌摩擦點(diǎn)焊（Flowing FSSW）[3]。RFSSW技術(shù)焊接輕金屬合金具有無(wú)匙孔、高質(zhì)量、節(jié)省能源、工藝過(guò)程簡(jiǎn)單、工作環(huán)境清潔等優(yōu)點(diǎn)[4]，可以替代傳統(tǒng)的電阻點(diǎn)焊、沖壓鉚接等，勢(shì)必在鋁合金、鎂合金等輕量化材料焊接中發(fā)揮重要作用。在此研究了鋁合金工藝參數(shù)對(duì)RFSSW接頭剪切拉力、十字交叉拉力及其斷裂方式的影響，為鋁合金RFSSW工藝研究提供理論基礎(chǔ)。

1試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)用母材為5083鋁合金，熱處理狀態(tài)為T(mén)6，接頭形式2.5 mm+4 mm。設(shè)備采用北京賽福斯特公司生產(chǎn)的FSW-TS-S16型攪拌摩擦點(diǎn)焊專(zhuān)機(jī)，攪拌針直徑6 mm，攪拌套直徑9 mm。

影響FSSW接頭強(qiáng)度的主要焊接工藝參數(shù)為下扎深度、旋轉(zhuǎn)速度和焊接時(shí)間，為此，分別改變下扎深度2.6～2.9 mm、旋轉(zhuǎn)速度2 000～2 500 r/min、焊接時(shí)間6.5～8.0 s，焊接過(guò)程中的壓緊力保持在4 kN不變。

剪切拉力和交叉拉力試驗(yàn)分別按照ISO 14273[5]和ISO 14272[6]執(zhí)行，試樣尺寸如圖1所示。試樣拉斷后使用S-3400N型掃描電子顯微鏡進(jìn)行斷口分析。

圖1 剪切拉力和交叉拉力試樣尺寸

2試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1下扎深度的影響

旋轉(zhuǎn)速度2 000 r/min、焊接時(shí)間為6.5 s時(shí)，攪拌頭的下扎深度對(duì)剪切拉力和交叉拉力的影響規(guī)律如圖2所示。由圖2可知，剪切拉力和交叉拉力的變化規(guī)律相似，隨著下扎深度的增加，均是先增大后減小。當(dāng)下扎深度為2.8 mm時(shí)，剪切拉力達(dá)到最大值14.12 kN，交叉拉力達(dá)到最大值4.57 kN。當(dāng)下扎深度較小時(shí)，上下兩層板連接面的塑形連接區(qū)域較小，直接影響受力面積的大小，此時(shí)接頭的抗剪切能力和抗拉能力均較小；隨著下扎深度的增加，攪拌區(qū)域變大，上下兩層板的混合程度增大，剪切力和交叉拉力隨之增大；當(dāng)下扎深度超過(guò)一定值后，兩層板連接面寬度不再增大，反而在較大的攪拌區(qū)面積內(nèi)易產(chǎn)生組織缺陷，降低剪切力。

圖2 下扎深度對(duì)試驗(yàn)力的影響規(guī)律

剪切拉力試驗(yàn)后斷口的宏觀和微觀形貌如圖3、圖4所示?？梢钥闯?，在不同的下扎深度，試樣均在上下兩層板的結(jié)合面處斷裂。在切應(yīng)力作用下，上下兩層板沿滑移面分離而造成滑移面分離斷裂，雖然斷后沒(méi)有較大的塑形變型，但斷裂面具有細(xì)小的凹凸，呈纖維狀，屬于典型的延性斷裂。

圖3 剪切試樣斷口宏觀形貌

圖4 剪切試樣斷口微觀形貌（下扎深度2.6 mm）

交叉拉力試驗(yàn)后斷口的宏觀和微觀形貌如圖5、圖6所示。在不同下扎深度下，試樣同樣從上下兩層板的結(jié)合面處斷裂，但與剪切斷裂不同的是焊點(diǎn)的邊緣塑形變型較大，中心處較平整。這是因?yàn)樵谡ψ饔孟?，較薄的上層板首先達(dá)到母材的屈服強(qiáng)度，逐步開(kāi)始產(chǎn)生塑性變形，當(dāng)達(dá)到接頭能夠承受的最大拉力后，接頭從焊點(diǎn)邊緣的某處開(kāi)始產(chǎn)生裂紋，裂紋擴(kuò)展到一定程度后，接頭內(nèi)部突然斷裂。因此，焊點(diǎn)的邊緣處有較多細(xì)小的韌窩，內(nèi)部較平坦。

圖5 交叉拉力試樣斷口宏觀形貌

圖6 交叉拉力試樣斷口微觀形貌（下扎深度2.8 mm）

2.2旋轉(zhuǎn)速度的影響

下扎深度2.8 mm、焊接時(shí)間6.5 s時(shí)，旋轉(zhuǎn)速度對(duì)剪切拉力和交叉拉力的影響規(guī)律如圖7所示。轉(zhuǎn)速為2 000～2 500 r/min時(shí)，剪切拉力和交叉拉力的變化較小，隨著旋轉(zhuǎn)速度的增加，剪切拉力略微降低，交叉拉力略有提高。表明旋轉(zhuǎn)速度在此范圍內(nèi)，均能使材料有較好的流動(dòng)性，攪拌區(qū)組織致密，不會(huì)產(chǎn)生明顯的缺陷。

圖7 旋轉(zhuǎn)速度對(duì)試驗(yàn)力的影響規(guī)律

剪切拉力試驗(yàn)后斷口的宏觀和微觀形貌如圖8和圖9所示。在不同旋轉(zhuǎn)速度下，試樣均在上下兩層板的結(jié)合面處斷裂。同樣是切應(yīng)力使上下兩層板沿滑移面分離，斷面呈纖維狀并有細(xì)小凹凸，與不同下扎深度的影響規(guī)律類(lèi)似。

圖8 剪切試樣斷口宏觀形貌

圖9 剪切試樣斷口微觀形貌（轉(zhuǎn)速2 200 r/min）

交叉拉力試驗(yàn)后斷口的宏觀和微觀形貌如圖10和圖11所示。當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度為2000～2200r/mim時(shí)，試樣在上下兩層板的結(jié)合面處斷裂，焊點(diǎn)邊緣的塑形變型較大，中心處較平整；當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度達(dá)到2500r/min時(shí)，焊點(diǎn)從上層板母材斷裂，表明此時(shí)焊點(diǎn)能承受的應(yīng)力大于母材的抗拉強(qiáng)度。從微觀斷口可以看出，焊點(diǎn)根部起裂源區(qū)的塑性韌窩特征較明顯，隨著正拉力的增大，接頭發(fā)生塑性滑移，斷裂面上的塑性撕裂特征較為明顯，在拉力方向上存在大量的拋物線形韌窩和撕裂棱。

圖10 交叉拉力試樣斷口宏觀形貌

2.3焊接時(shí)間的影響

下扎深度2.8 mm、旋轉(zhuǎn)速度2 000 r/min時(shí)，焊

接時(shí)間對(duì)剪切拉力和交叉拉力的影響規(guī)律如圖12所示。隨著焊接時(shí)間的增加，均是先增大后減小。當(dāng)焊接時(shí)間為7.5s時(shí)，剪切拉力達(dá)到最大值14.62 kN，交叉拉力達(dá)到最大值5.49 kN。隨著焊接時(shí)間的延長(zhǎng)，焊接熱量輸入進(jìn)一步增加，焊點(diǎn)接頭材料流動(dòng)性更充分，使抗剪切拉伸性能和抗正拉性能增強(qiáng)；但進(jìn)一步增加焊接時(shí)間時(shí)，攪拌針粘連較嚴(yán)重，減少了回填金屬量，使性能有所下降。

圖11 交叉拉力試樣斷口微觀形貌（旋轉(zhuǎn)速度2 500 r/min）

圖12 焊接時(shí)間對(duì)試驗(yàn)力的影響規(guī)律

在不同焊接時(shí)間下，剪切斷口的宏觀形貌和微觀形貌特點(diǎn)與下扎深度、旋轉(zhuǎn)速度的影響規(guī)律類(lèi)似，試樣在上下兩層板的結(jié)合面處斷裂，均屬延性斷裂。

頭部拉力試驗(yàn)后斷口的宏觀形貌如圖13所示。當(dāng)焊接時(shí)間7～8 s時(shí)，焊點(diǎn)均從上層板母材斷裂?？梢钥闯?，焊接時(shí)間對(duì)接頭強(qiáng)度的影響較大，當(dāng)焊接時(shí)間充分時(shí)，材料可充分回填，并在攪拌作用下有效流動(dòng)而不產(chǎn)生缺陷，進(jìn)而獲得較好的性能。

圖13 頭部拉力試樣斷口宏觀形貌

3結(jié)論

（1）當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度為2 000 r/min，焊接時(shí)間為6.5 s時(shí)，接頭剪切拉力和交叉拉力隨著攪拌頭下扎深度的增加均是先增大后減小。

（2）當(dāng)焊接時(shí)間為6.5 s、下扎深度為2.8 mm、轉(zhuǎn)速為2 000～2 500 r/min時(shí)，剪切拉力和交叉拉力的變化較小。

（3）當(dāng)下扎深度2.8 mm、旋轉(zhuǎn)速度2 000 r/min時(shí)，剪切拉力和交叉拉力隨著焊接時(shí)間的增加均是先增大后減小。當(dāng)焊接時(shí)間為7.5 s時(shí)，剪切拉力達(dá)到最大值14.62 kN，交叉拉力達(dá)到最大值5.49 kN。

（4）接頭剪切試驗(yàn)均從上下兩層板的結(jié)合面處斷裂，屬于延性斷裂；而交叉拉力試驗(yàn)隨著熱輸入的增大，焊點(diǎn)從上層板母材斷裂。

[1]Iwashita T.Method and apparatus for Joining[P].U.S.Patent，6601.751，2003.

[2]Thomas W M，Kallee S W，Staines D G，et al.Friction stir welding process variants and developments in the automotive industry[C].SAE World congress，USA，2006.

[3]鄧?yán)棂i，柯黎明，董春林.攪拌摩擦點(diǎn)焊技術(shù)的研究現(xiàn)狀[J].熱加工工藝，2014，43（17）：10-14.

[4]王聯(lián)鳳，朱小剛，喬鳳斌.Al-Mg合金填充式攪拌摩擦點(diǎn)焊性能研究[J].焊接學(xué)報(bào)，2014，35（2）：99-105.

[5]ISO 14273-2000，電阻點(diǎn)焊、縫焊和凸焊抗剪試驗(yàn)用樣品尺寸和程序[S].

[6]ISO 14272-2000，試樣尺寸和（電阻）點(diǎn)焊，縫焊和浮凸的凸焊的交叉拉力試驗(yàn)程序[S].

Influence of process parameters on the joint strength by refill FSSW

DUAN Zhenzhen，WANG Yi，JIA Kunning
（Changchun Institute of Technology，Changchun 130012，China）

In this paper，the study object is aluminum alloy 5083 with the joint form of 2.5 mm+4.0 mm.Researched the influence of main process parameters such as pressing depth，rotational speed and welding time,on the shear tensile，cross tension and fracture mode by refill FSSW.The results show that the maximum shear tensile is 14.62 kN and the maximum cross tension is 5.49 kN when the pressing depth is 2.8 mm，the rotational speed is 2 000 r/min and the welding time is 7.5 s.

RFSSW；aluminum alloy；process parameters；joint strength

TG453.9

B

1001-2303（2016）11-0034-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.11.06

獻(xiàn)

段珍珍，王毅，賈坤寧，等.回填式FSSW工藝參數(shù)對(duì)接頭強(qiáng)度的影響[J].電焊機(jī)，2016，46（11）：34-37.

2016-04-04；

2016-06-06

段珍珍（1982—），女，河北石家莊人，博士，講師，主要從事焊接工藝及先進(jìn)材料連接的研究工作。