毛育青， 柯黎明，， 劉奮成， 陳玉華

1.南昌航空大學(xué) 輕合金加工科學(xué)與技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室， 南昌 330063 2.西北工業(yè)大學(xué) 凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西安 710072

鋁合金厚板攪拌摩擦焊焊縫疏松缺陷形成機(jī)理

毛育青1,2， 柯黎明1,2，*， 劉奮成1， 陳玉華1

1.南昌航空大學(xué) 輕合金加工科學(xué)與技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室， 南昌 330063 2.西北工業(yè)大學(xué) 凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西安 710072

采用圓錐形攪拌頭焊接20 mm厚的7075-T6鋁板，分析焊接過程中焊縫內(nèi)部疏松缺陷的形成過程及原因。研究表明，焊縫表面成形良好，無明顯缺陷。但是，在焊縫軸肩區(qū)和焊核區(qū)之間出現(xiàn)了疏松缺陷。分析認(rèn)為，焊縫上、下部金屬溫度差太大，導(dǎo)致其塑性流動(dòng)行為發(fā)生變化是疏松缺陷形成的主要原因。攪拌摩擦焊(FSW)過程中，焊縫上部金屬溫度較高，而底部溫度仍然很低，脫離攪拌針端部的塑化金屬在周圍冷金屬巨大的變形抗力作用下轉(zhuǎn)而沿?cái)嚢栳槺砻嫱线w移。到達(dá)軸肩區(qū)下方匯聚區(qū)時(shí)，由于軸肩區(qū)金屬溫度高，向下的擠壓力太小，導(dǎo)致回遷上來的塑化金屬繼續(xù)往上遷移并沖破軸肩區(qū)而沿軸肩邊緣溢出形成飛邊。匯聚區(qū)內(nèi)沒有足夠的塑化金屬填充、焊縫無法被壓實(shí)而產(chǎn)生疏松孔洞。通過建立疏松缺陷形成的物理模型，可以更直觀地反映出焊縫金屬流動(dòng)形態(tài)及缺陷形成過程。

7075鋁合金； 攪拌摩擦焊(FSW)； 焊縫質(zhì)量； 塑性流動(dòng)； 焊接缺陷； 形成機(jī)理

7075鋁合金是一種Al-Mg-Zn-Cu系高強(qiáng)鋁合金，由于具有高比強(qiáng)度、高韌性和良好的抗應(yīng)力腐蝕性能等特點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于航空航天及兵器工業(yè)、船舶制造業(yè)、鐵路運(yùn)輸及汽車制造業(yè)等領(lǐng)域，且對(duì)其厚板的需求越來越大[1-2]。然而，此鋁合金被看做是“不可焊接”的合金之一，焊接時(shí)面臨許多的困難。采用傳統(tǒng)的熔焊方法焊接時(shí)，易產(chǎn)生氣孔、焊接裂紋等缺陷；焊縫脆性大，熱影響區(qū)軟化嚴(yán)重，極大地降低了接頭的拉伸性能和疲勞性能，限制了7075高強(qiáng)鋁合金的進(jìn)一步應(yīng)用[3-5]。

攪拌摩擦焊(Friction Stir Welding, FSW)是一種全新的高效率、低成本、無污染的固相連接技術(shù)。焊接過程中，母材金屬不會(huì)熔化，主要是通過高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭與待焊工件摩擦、產(chǎn)熱使金屬達(dá)到塑化狀態(tài)，在攪拌頭驅(qū)動(dòng)力作用下流動(dòng)并發(fā)生冶金結(jié)合而形成致密的焊縫[6]?？梢员苊馊酆傅群附臃椒óa(chǎn)生的多種缺陷，特別適合熔焊方法難于焊接的多種材料，如鋁、鎂及其合金等[7-9]。研究發(fā)現(xiàn)，攪拌摩擦焊接過程中，焊縫成形與其金屬塑性流動(dòng)形態(tài)密切相關(guān)，決定著焊縫成形質(zhì)量[10]。當(dāng)焊接工藝參數(shù)、攪拌頭形狀等選擇不當(dāng)時(shí)，容易在焊縫中形成隧道、孔洞、未焊合等焊接缺陷。李寶華等[11]認(rèn)為焊接速度對(duì)焊縫缺陷形成的影響更明顯，太大的焊接速度容易導(dǎo)致焊接缺陷。趙衍華等[12]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用光滑的圓柱和圓錐形攪拌頭焊接時(shí)，容易在接頭中下部前進(jìn)側(cè)出現(xiàn)孔洞缺陷，而帶螺紋的攪拌頭可以避免缺陷產(chǎn)生。而王磊[13]和Shrivastava[14]等則發(fā)現(xiàn)，在焊縫上部前進(jìn)側(cè)位置出現(xiàn)孔洞缺陷，他們認(rèn)為這是由于焊接熱輸入不足造成金屬的流動(dòng)性差所導(dǎo)致。Kim等[15]研究FSW過程中缺陷類型發(fā)現(xiàn)，焊接過程中材料會(huì)產(chǎn)生異常攪動(dòng)而形成隧道孔洞缺陷。產(chǎn)生異常攪動(dòng)的原因可能是由于焊縫上部和下部的溫度不同造成的。對(duì)厚板鋁合金FSW而言，焊縫上、下部金屬溫度分布很不均勻。Xu等[16]對(duì)14 mm厚的2219鋁合金進(jìn)行FSW焊接發(fā)現(xiàn)，焊縫上、下表層溫度相差15 ℃左右。Mao等[17]對(duì)20 mm厚的AA7075-T6進(jìn)行FSW焊接時(shí)發(fā)現(xiàn)，沿焊縫厚度方向上最大溫度差達(dá)90 ℃。Canaday等[18]對(duì)32 mm厚的AA7050焊接時(shí)發(fā)現(xiàn)，沿厚度方向上焊縫性能差異很大，而這與金屬的溫度分布差異有關(guān)。因此，通過上述文獻(xiàn)不難發(fā)現(xiàn)，焊接過程中，當(dāng)焊縫金屬溫度差異較大時(shí)，將顯著影響金屬的塑性流動(dòng)行為，改變焊縫的成形。而關(guān)于厚板FSW焊縫中出現(xiàn)的這類疏松孔洞缺陷問題及形成原因還沒有更詳細(xì)的分析報(bào)道。

基于以上研究，本文選用常規(guī)帶反螺紋圓錐形攪拌頭進(jìn)行FSW焊接試驗(yàn)，通過觀察焊縫橫截面形貌和分析不同階段下焊縫金屬流動(dòng)形態(tài)的變化，結(jié)合焊縫金屬溫度分布結(jié)果，研究厚板FSW焊縫中疏松缺陷形成過程及產(chǎn)生原因。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)用材料為7075鋁合金，狀態(tài)為T6態(tài)，每塊待焊板材的尺寸為200 mm×75 mm×20 mm。材料的化學(xué)成分如表1所示。

焊前使用鋼絲刷打磨去除鋁合金表面的氧化膜，并用丙酮清洗板材表面油污及雜質(zhì)。采用平板對(duì)接方法，在X35K型立式銑床改裝的攪拌摩擦焊機(jī)上進(jìn)行攪拌摩擦焊試驗(yàn)。選用常規(guī)的圓錐形攪拌頭，其示意圖如圖1所示。其中攪拌頭夾持柄和軸肩部分的加工材料為H13模具鋼，而攪拌針材質(zhì)為固溶時(shí)效態(tài)GH4169鎳基高溫合金。軸肩端面形貌為內(nèi)凹面形，凹面最深處與軸肩邊緣夾角為2°，軸肩直徑為36 mm；攪拌針表面螺距為2 mm；攪拌針根部直徑為14 mm，端部直徑為8 mm，長(zhǎng)度為19.7 mm。試驗(yàn)采用的具體工藝參數(shù)如下：攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度n=235，375，475 r/min，焊接速度v=37.5 mm/min，傾斜角為2°，下壓量為0.5 mm。

表1 7075鋁合金化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of 7075 aluminum alloy wt.%

為了測(cè)量FSW過程中焊縫焊核區(qū)的峰值溫度，焊前需要在試板兩側(cè)打好直徑為1.1 mm的盲孔，其位置如圖2(a)所示，AS (Advancing Side) 表示焊縫的前進(jìn)側(cè)，RS (Retreating Side)表示焊縫的返回側(cè)，A～D表示4個(gè)測(cè)量點(diǎn)。再將直徑為1.0 mm的熱電偶插入盲孔內(nèi)，并用高溫膠固定好位置，保證焊接時(shí)熱電偶不會(huì)松動(dòng)。此外，為了分析焊縫底部的金屬流動(dòng)形態(tài)，在對(duì)接板底部放置一塊0.02 mm厚的銅箔作為標(biāo)示材料，如圖2(b)所示，焊后觀察其在焊縫中的分布狀態(tài)。

焊后沿垂直于焊接方向上的焊縫不同位置截取金相試樣，如圖3所示，1～6表示橫截面位置。金相試樣經(jīng)研磨、拋光后，使用Keller試劑進(jìn)行腐蝕，觀察各焊縫橫截面形貌差異及焊縫金屬塑性流動(dòng)形態(tài)特征。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 焊縫表面成形及其橫截面形貌

圖4為不同旋轉(zhuǎn)速度下獲得的焊縫表面形貌，由圖4可見，焊縫表面成形良好，其表面沒有明顯的焊接缺陷。隨著旋轉(zhuǎn)速度的增加，焊縫表面變得越來越光滑。

圖5為圖4中對(duì)應(yīng)的焊縫橫截面形貌。由圖可見，在焊縫表層的軸肩區(qū)和下方的焊核區(qū)之間形成了一個(gè)新的區(qū)域，稱為“疏松區(qū)”(Loose Zone)，其內(nèi)部分布著大量尺寸不一的孔洞。焊核區(qū)內(nèi)部出現(xiàn)了明顯的洋蔥環(huán)，且位于前進(jìn)側(cè)的焊核區(qū)與熱力影響區(qū)分界線比返回側(cè)的更清晰。焊核區(qū)兩側(cè)為熱力影響區(qū)，受焊核區(qū)金屬的擠壓作用，軋制流線發(fā)生彎曲變形且往上遷移。隨著攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度的增加，焊核區(qū)面積隨之增大，疏松區(qū)尺寸有減小趨勢(shì)。

Heurtier等[19]分析認(rèn)為，攪拌摩擦焊接過程中，焊縫上表層金屬與高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭軸肩端面直接摩擦。受摩擦熱和變形熱作用，表層金屬迅速被塑化，并在金屬間黏著力的帶動(dòng)下圍繞攪拌針繞流運(yùn)動(dòng)，在焊縫表層形成一流動(dòng)臂區(qū)，稱為軸肩區(qū)。軸肩區(qū)下方的金屬圍繞攪拌針螺紋向下遷移形成焊核區(qū)。柯黎明等[20]也證實(shí)，攪拌針表面的螺紋是塑化金屬沿軸向向下遷移的主要驅(qū)動(dòng)力，塑化金屬受螺紋內(nèi)部正壓力和螺紋表面與塑性金屬之間摩擦力的共同作用而沿表面螺紋向下做螺旋遷移運(yùn)動(dòng)。Ke等[21]詳細(xì)地解釋了焊縫金屬沿厚度方向流動(dòng)的機(jī)理。并認(rèn)為焊縫中的洋蔥環(huán)花紋是攪拌針周圍金屬沿?cái)嚢栳槺砻孑S向流動(dòng)、在攪拌針端部脫離攪拌針并擠壓周圍金屬的結(jié)果。此外，發(fā)現(xiàn)單位長(zhǎng)度焊縫中塑化金屬的軸向遷移量與旋轉(zhuǎn)速度和焊接速度的比值有關(guān)，一定范圍內(nèi)，比值越大，單位長(zhǎng)度焊縫中塑化金屬的軸向遷移量越多，焊核區(qū)尺寸越大，返回側(cè)往上遷移程度增加，導(dǎo)致疏松區(qū)的尺寸略有減小，如圖5所示。

焊縫中前進(jìn)側(cè)焊核區(qū)與熱力影響區(qū)的分界線比返回側(cè)的更明顯，主要原因與焊接過程中前進(jìn)側(cè)和返回側(cè)的金屬塑性流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。在焊縫前進(jìn)側(cè)，母材的塑性變形方向與焊接方向一致；而在返回側(cè)，母材塑性變形方向與焊接方向相反。隨著攪拌頭向前移動(dòng)，前進(jìn)側(cè)的塑化金屬逆時(shí)針地被擠壓至攪拌針后方空腔中，而返回側(cè)的塑化金屬隨著攪拌頭外表面順時(shí)針地流向后方[22]。因此，前進(jìn)側(cè)的焊縫塑化金屬塑性流動(dòng)方向與母材金屬流動(dòng)方向相反，兩者之間的相對(duì)變形差很大；而返回側(cè)的金屬塑性流動(dòng)方向與母材金屬流動(dòng)方向相同，母材金屬與焊縫金屬幾乎平滑地過渡在一起。

但是，針對(duì)焊縫中上部位出現(xiàn)的貫穿焊核區(qū)上方疏松缺陷還沒有見過相應(yīng)的報(bào)道。Das[23]和Liu[24]等研究發(fā)現(xiàn)，在FSW焊縫根部前進(jìn)側(cè)位置處容易形成隧道型孔洞，這可能是由于焊接速度過大或者軸向下壓力不夠?qū)е碌乃芑饘倭鲃?dòng)性較差造成的。而文獻(xiàn)[13-14]中發(fā)現(xiàn)在焊縫上部前進(jìn)側(cè)焊核區(qū)邊緣出現(xiàn)許多微小的孔洞，他們認(rèn)為是由于焊接過程中熱輸入不足造成的，隨著壓力的增大，這種缺陷會(huì)逐漸消失。然而，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)這種疏松缺陷的原因并不是由于壓力不夠造成的。文獻(xiàn)[15]中指出，當(dāng)焊縫上、下部溫度不同時(shí)，會(huì)造成材料的異常攪動(dòng)而導(dǎo)致較大的隧道孔洞，且這種缺陷對(duì)壓力并不敏感。

2.2 不同階段下焊縫金屬的塑性流動(dòng)形態(tài)

為了更詳細(xì)地分析厚板FSW焊縫中出現(xiàn)的疏松缺陷的形成過程，選擇旋轉(zhuǎn)速度為375 r/min、焊接速度為37.5 mm/min參數(shù)下獲得的焊縫作為研究對(duì)象，根據(jù)圖3中焊縫的標(biāo)示位置截取試樣，觀察不同階段下的焊縫橫截面形貌變化及流動(dòng)形態(tài)特征，如圖6所示。其中，圖6(a)為初始階段下的焊縫橫截面形貌；圖6(b)為焊接穩(wěn)定階段下的焊縫橫截面形貌；而圖6(c)～圖6(f)為焊縫結(jié)束階段下焊縫橫截面形貌。為了描述FSW過程中焊縫的形成過程，需要從焊縫的結(jié)束階段開始反推來描述焊縫金屬的流動(dòng)變化。首先，焊縫金屬在攪拌針的剪切、攪拌作用下開始塑化，在攪拌針表面螺紋驅(qū)使作用下向下遷移，周邊的金屬向上彎曲變形，如圖6(f)所示。當(dāng)攪拌針插入板材底部時(shí)，沿表面螺紋遷移下來的金屬在底部堆積，并擠壓周邊冷金屬，成為最開始階段的焊核區(qū)金屬，如圖6(e)所示。隨著攪拌針的遷移，越來越多的塑化金屬向下遷移、積累，并和從攪拌針兩側(cè)擠壓過來的、往下遷移的金屬匯合，逐漸填充攪拌針后方的空腔，如圖6(d)所示。在焊接的初始階段，由于攪拌頭與焊縫產(chǎn)熱時(shí)間短，焊縫熱輸入少，焊縫中金屬的塑化程度不夠充分，往下遷移金屬量少，焊縫中焊核區(qū)尺寸較小，疏松區(qū)尺寸較大，如圖6(a)所示。隨著焊接時(shí)間的加長(zhǎng)，焊縫熱輸入增多，金屬的塑化程度增強(qiáng)，導(dǎo)致焊縫中更多的金屬沿?cái)嚢栳槺砻嫱逻w移，焊縫中焊核區(qū)明顯增大，疏松區(qū)尺寸也相應(yīng)地減小，如圖6(b)所示。而進(jìn)入焊接結(jié)束階段，焊縫中的焊核區(qū)尺寸和疏松區(qū)尺寸變化不大，在焊縫上部仍存在明顯的疏松孔洞。

對(duì)薄板FSW而言，焊接過程中焊縫上、下表層的溫度相差不大?！俺槲?擠壓”理論[25]認(rèn)為，采用帶反螺紋的圓錐形攪拌頭焊接時(shí)，當(dāng)攪拌頭瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)引起塑化金屬沿螺紋表面軸向流動(dòng)時(shí)，必存在一入口端和一出口端。在入口端，會(huì)形成一瞬時(shí)空腔，周圍塑化金屬將被吸向此空腔，形成“抽吸效應(yīng)”；在出口端，塑化金屬將改變流向并擠壓周邊金屬，形成“擠壓效應(yīng)”。正是由于空腔對(duì)塑化金屬朝焊縫中心的抽吸作用和擠壓區(qū)對(duì)塑化金屬的擠壓作用，使高溫塑化金屬沿?cái)嚢栳樰S向方向形成劇烈的遷移運(yùn)動(dòng)。所以，焊縫中的塑化金屬主要是沿著攪拌針表面螺紋向下做螺旋遷移運(yùn)動(dòng)，塑化金屬最終在焊縫下部匯聚形成焊核區(qū)。越來越多的塑化金屬向下遷移使得焊核區(qū)逐漸變大，并開始往上擠壓并與軸肩區(qū)金屬匯合，形成致密的焊縫。但是對(duì)厚板鋁合金FSW焊接而言，焊縫上、下部金屬的溫度相差太大，則可能直接改變焊縫金屬的流動(dòng)方式，從而改變焊縫成形。這可能是出現(xiàn)上述物理現(xiàn)象的主要原因。

2.3 焊縫中疏松缺陷形成過程的物理模型

為了更形象地描述焊接過程中疏松缺陷的形成過程，根據(jù)上述焊縫塑化金屬在橫截面上的流動(dòng)形態(tài)的分析和討論，建立了簡(jiǎn)易的物理模型示意圖，如圖7所示。圖7中灰色的彎曲線條表示焊縫中周邊變形金屬的軋制流線；黑色箭頭表示焊縫塑化金屬遷移路徑，圖7(c)中灰色箭頭表示畫虛線區(qū)域內(nèi)金屬可能流動(dòng)的路徑；圖7(d)中焊核區(qū)上方的灰色區(qū)域表示形成的疏松區(qū)缺陷。

焊縫疏松缺陷形成過程被簡(jiǎn)單地劃分成4個(gè)階段：首先，在攪拌針前方的金屬受攪拌針的擠壓作用發(fā)生彎曲變形；其次，當(dāng)攪拌針經(jīng)過時(shí)，塑化金屬在攪拌針螺紋的驅(qū)動(dòng)作用下開始往下遷移，并擠壓周邊的冷金屬；再次，當(dāng)塑化金屬脫離攪拌針端部時(shí)，在底板的剛性約束下轉(zhuǎn)而向四周擠壓金屬；最后，當(dāng)大量的塑化金屬在攪拌針后方的空腔中逐層堆積時(shí)，焊核區(qū)金屬和軸肩區(qū)金屬直接相遇并發(fā)生冶金結(jié)合而形成致密的焊縫，橫截面上出現(xiàn)類似洋蔥環(huán)的結(jié)構(gòu)。然而，在焊縫中軸肩區(qū)和焊核區(qū)之間出現(xiàn)了疏松區(qū)孔洞，則說明兩者之間沒有足夠的金屬填充、壓實(shí)。

文獻(xiàn)[15]提到，當(dāng)焊縫上、下部溫度不同時(shí)，焊接過程中塑化金屬可能發(fā)生異常攪動(dòng)，從而導(dǎo)致焊接缺陷。對(duì)于鋁合金厚板FSW而言，焊縫上部和下部金屬的溫度相差很大，焊縫上層金屬溫度比底層金屬溫度高幾十度。當(dāng)焊縫上表層溫度太高時(shí)，焊縫軸肩區(qū)金屬向下的擠壓作用力減小；而焊縫底部的溫度又較低，沿?cái)嚢栳樳w移至焊縫底部并脫離攪拌針端部的塑化金屬在底板的剛性約束下轉(zhuǎn)而擠壓周邊的金屬，而周邊的金屬溫度較低時(shí)，變形抗力很大，塑化金屬無法擠壓周邊金屬遷移，則可能沿著攪拌針表面往上遷移。當(dāng)遷移至焊核區(qū)上方交匯處時(shí)(圖7(c)中的虛線圈位置)，由于軸肩區(qū)金屬溫度太高，對(duì)這些金屬的擠壓力不夠，此處的塑化金屬則可能繼續(xù)向上遷移，并沿著軸肩邊緣溢出形成飛邊，移動(dòng)路徑如圖7(c)中灰色箭頭所示。導(dǎo)致此處缺少足夠的塑化金屬填充，形成如圖7(d)中的疏松區(qū)缺陷。而至于為什么沿焊縫前進(jìn)側(cè)方向偏移，則與焊縫上部金屬的溫度分布有關(guān)。

2.4 模型的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述模型中對(duì)焊縫塑化金屬流動(dòng)方式推測(cè)的正確性，對(duì)同一參數(shù)下獲得的焊縫的不同位置溫度分布進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如圖8所示。結(jié)果表明，同一側(cè)位置焊縫上部金屬溫度比下部金屬的高60 ℃左右；同一厚度方向、對(duì)稱位置處焊縫前進(jìn)側(cè)金屬溫度比返回側(cè)的高12 ℃左右。因此，可以進(jìn)一步證明上述描述焊縫塑化金屬流動(dòng)方式的正確性。在焊縫上表層，由于受到軸肩和攪拌針的共同攪拌作用，產(chǎn)生的熱輸入更多，且上部金屬主要與空氣接觸，散熱較慢，熱損失少，焊縫金屬溫度高。而焊縫底部?jī)H僅受到攪拌針端部的攪拌作用，產(chǎn)熱量少，且底部金屬與鋼板表面接觸，散熱較快，熱量損失較大，進(jìn)一步導(dǎo)致焊縫底部的金屬溫度降低，所以出現(xiàn)了上述所描述的金屬遷移方式。而焊縫上部前進(jìn)側(cè)的金屬溫度高于返回側(cè)的，金屬的變形抵抗力低，導(dǎo)致遷移上來的塑化金屬沿偏向前進(jìn)側(cè)的位置流動(dòng)、溢出，如圖6(b)和圖6(c)中虛線箭頭所示。

同時(shí)，為了驗(yàn)證焊縫疏松缺陷形成過程推理的正確性，采用0.02 mm厚的銅箔作為示蹤材料鑲嵌在對(duì)接板底部，如圖2(b)所示。隨即選擇一組參數(shù)為600 r/min的旋轉(zhuǎn)速度、37.5 mm/min的焊接速度進(jìn)行FSW試驗(yàn)。焊后觀察銅箔顆粒在焊縫中的分布情況，如圖9所示。由圖9(a)可見，焊縫底部銅箔片在攪拌針的攪拌作用下破碎，形成了大小不一的銅顆粒。在攪拌針的擠壓作用下，部分破碎銅顆粒隨著焊縫底部塑化金屬向四周遷移。而周邊母材冷金屬溫度較低，變形抗力大(如圖9(a)中焊縫下部焊核兩側(cè)粗實(shí)線箭頭所示)，迫使焊核區(qū)塑化金屬轉(zhuǎn)而向上移動(dòng)(如圖9(a)中下部細(xì)虛線箭頭所示)。在焊縫返回側(cè)，銅顆粒順著金屬遷移方向流動(dòng)，并最終在焊縫底部堆積、疊加，有序地分布在焊核區(qū)的洋蔥環(huán)上，如圖9(a)中A區(qū)所示。在焊縫前進(jìn)側(cè)，在周邊冷金屬的擠壓作用下，迫使破碎銅顆粒隨著塑化金屬沿?cái)嚢栳槺砻嫦蛏线w移(如圖9(a)中右側(cè)細(xì)虛線箭頭所示)，直到焊縫軸肩區(qū)下方，如圖9(a)中B區(qū)位置所示。焊縫軸肩區(qū)金屬溫度很高，金屬塑化程度大，變形抗力小，即對(duì)向上遷移而來的塑化金屬的頂鍛力小。所以，遷移至該區(qū)下方的塑化金屬將繼續(xù)擠壓軸肩區(qū)金屬向上遷移，如圖9(a)中C區(qū)位置所示。并最終沿軸肩邊緣溢出形成飛邊，導(dǎo)致軸肩下方區(qū)域內(nèi)的填充金屬不夠而形成疏松缺陷。其流動(dòng)示意圖即為圖7(c)和圖7(d)所示。為了證明焊縫底部破碎的銅顆粒一起隨著塑化金屬遷移到焊縫上表面形成了飛邊，將焊縫上表面返回側(cè)的飛邊金屬(位于圖9(a)中位置D處)進(jìn)行磨拋、腐蝕，觀察其形貌，如圖9(b)所示。發(fā)現(xiàn)飛邊金屬內(nèi)部有破碎的銅顆粒，而母材中并不存在這樣的銅顆粒，說明這些銅顆粒是從鑲嵌在焊縫底部的銅箔被攪拌針破碎后隨著塑化金屬遷移至焊縫上表面而進(jìn)入飛邊金屬內(nèi)的。因此，通過上述的試驗(yàn)論證，可以進(jìn)一步證明上述對(duì)焊縫疏松缺陷形成機(jī)理分析推理的正確性。

3 結(jié) 論

1) 攪拌摩擦焊接鋁合金厚板時(shí)，焊縫表面成形良好，無明顯缺陷。但在焊縫軸肩區(qū)和焊核區(qū)之間容易形成“疏松孔洞”缺陷，且缺陷位置更偏向焊縫的前進(jìn)側(cè)。

2) 焊縫上部和下部金屬溫度差太大是導(dǎo)致疏松缺陷形成的主要原因。焊縫上層塑化金屬沿?cái)嚢栳樎菁y遷移至焊縫底部時(shí)開始脫離攪拌針端部，在墊板剛性約束下轉(zhuǎn)而擠壓周圍金屬，由于焊縫底部溫度低，抗變形能力強(qiáng)，塑化金屬無法擠壓周邊金屬遷移而沿著攪拌針表面向上遷移，到達(dá)軸肩區(qū)下方匯聚區(qū)時(shí)，由于軸肩區(qū)金屬溫度太高，向下的擠壓力太小，塑化金屬繼續(xù)往上遷移并沖破軸肩區(qū)而沿軸肩邊緣溢出，導(dǎo)致匯聚區(qū)的填充金屬不夠，焊縫無法被壓實(shí)而形成疏松孔洞缺陷。其中，焊縫上部前進(jìn)側(cè)金屬的溫度高于返回側(cè)的，抗變形能力更弱，導(dǎo)致疏松缺陷位置偏向此側(cè)。

3) 通過簡(jiǎn)易的金屬流動(dòng)物理模型，可以更直觀地反映出焊縫金屬塑性流動(dòng)方式和疏松缺陷的形成過程。

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(責(zé)任編輯：李世秋)

＊Corresponding author. E-mail: liming_ke@126.com

Formation mechanism of weld loose defect in friction stir weldingthick plates of aluminum alloy

MAO Yuqing1,2, KE Liming1,2,*, LIU Fencheng1, CHEN Yuhua1

1.NationalDefenceKeyDisciplineLaboratoryofLightAlloyProcessingScienceandTechnology,NanchangHangkongUniversity,Nanchang330063,China2.StateKeyLaboratoryofSolidificationProcessing,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi’an710072,China

20 mm thick 7075-T6 aluminum alloys are joined by friction stir welding (FSW) using a tapered pin, and the formation process and reason of loose void defect are investigated during FSW. The results show that the weld surfaces are good without any defects. However, the loose defect is found in all welds between the shoulder zone and the nugget zone. The main reason is that the metal is stirred abnormally to cause the change in the plastic flow behavior due to high temperature difference on the top and bottom of the weld. During FSW, the temperature on the top is high while low on the bottom of the weld, the plastic material fallen off the pin-tip suffers from large deformation constraining force of the surrounding cold metal, and then moves upwards along the surface of the pin to reach the shoulder zone. The extruding force to plastic material is small because the temperature is too high, and the plastic material continues to migrate upwards and traverses the shoulder zone to flow along the edge of tool shoulder and form the flash finally. There is not enough plasticized metal to fill the cavity, and the loose zone is thus formed in the weld. By establishing the physical model for loose defect formation, the flow behavior of the plastic material and the formation process of loose defect in FSW can be directly reflected.

aluminum alloy 7075; friction stir welding (FSW); weld quality; plastic flow; weld defects; formation mechanisms

2016-04-26； Revised：2016-06-01； Accepted：2016-06-16； Published online：2016-06-22 09：36

URL：www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20160622.0936.002.html

s：National Natural Science Foundation of China (51265043, 51265042); Landed Plan of Science and Technology in Colleges and Universities of Jiangxi Province (KJLD13055, KJLD12074)

http://hkxb.buaa.edu.cn hkxb@buaa.edu.cn

10.7527/S1000-6893.2016.0197

2016-04-26； 退修日期：2016-06-01； 錄用日期：2016-06-16； 網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-06-22 09：36

www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20160622.0936.002.html

國(guó)家自然科學(xué)基金 (51265043, 51265042); 江西省高等學(xué)?？萍悸涞赜?jì)劃 (KJLD13055, KJLD12074)

＊通訊作者.E-mail: liming_ke@126.com

毛育青， 柯黎明， 劉奮成， 等． 鋁合金厚板攪拌摩擦焊焊縫疏松缺陷形成機(jī)理[J]． 航空學(xué)報(bào), 2017, 38(3): 420367. MAO Y Q, KE L M, LIU F C, et al. Formation mechanism of weld loose defect in friction stir welding thick plates of aluminum alloy[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2017, 38(3): 420367.

V252.2

A

1000-6893(2017)03-420367-09