呂志軍，張昊，郭躍，黃永德

（1. 天津航空機(jī)電有限公司，天津 300308；2. 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；3. 華恒焊接股份有限公司，江蘇 昆山 215300）

攪拌摩擦焊是一種性能優(yōu)異的固相連接技術(shù)，具有低能耗、綠色環(huán)保的焊接優(yōu)勢(shì)，被廣泛用于航空航天、軌道交通等高裝備制造領(lǐng)域[1—4]。隨著攪拌摩擦焊技術(shù)及其工程化應(yīng)用發(fā)展，為了順應(yīng)綠色制造以及智能制造的發(fā)展趨勢(shì)，以高柔性及智能化為特征的機(jī)器人攪拌摩擦焊技術(shù)已成為攪拌摩擦焊領(lǐng)域研發(fā)的重點(diǎn)[5—7]。無傾角攪拌摩擦焊技術(shù)與工業(yè)機(jī)器人相結(jié)合，將有利于機(jī)器人攪拌摩擦焊接的發(fā)展。傳統(tǒng)攪拌摩擦焊施焊時(shí)攪拌頭向后傾斜，攪拌頭軸線與工件法線呈2°～5°的夾角，攪拌頭傾角主要起改善接頭致密性、增強(qiáng)軟化材料填充能力、改善熱循環(huán)和降低殘余應(yīng)力的作用。但是，由于存在焊接傾角，在焊接轉(zhuǎn)彎處需調(diào)節(jié)攪拌頭的角度，這不僅增加了焊接工序，而且要求焊接設(shè)備具有傾角的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，這大大增加了設(shè)備的復(fù)雜性。無傾角式攪拌摩擦焊接技術(shù)可以彌補(bǔ)以上不足。無傾角攪拌摩擦焊接時(shí)，攪拌頭軸線時(shí)刻與焊件平面垂直，在轉(zhuǎn)彎時(shí)無需對(duì)攪拌頭傾角進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以適用于空間曲面構(gòu)件的焊接，極大提高了攪拌摩擦焊接的作業(yè)柔性，對(duì)無傾角攪拌摩擦焊接進(jìn)行研究將對(duì)促進(jìn)機(jī)器人攪拌摩擦焊的發(fā)展具有重要意義[8—9]。

現(xiàn)階段關(guān)于無傾角攪拌摩擦焊的研究有很多，例如，英國(guó)焊接研究所 TWI研制出多種適用于無傾角攪拌摩擦焊接的攪拌頭，并且試驗(yàn)得到了成形良好、質(zhì)量?jī)?yōu)良的焊縫。董繼紅等[10]研制出一種無傾角自頂鍛攪拌摩擦焊焊接工具，并申請(qǐng)了專利。趙慧慧等[11]在鋁合金超薄板無傾角微攪拌摩擦焊搭接接頭組織性能的研究中采用特制的攪拌頭降低了焊縫的寬度，并且得到了成形良好、力學(xué)性能高的焊縫。目前為止，國(guó)內(nèi)在3 mm以上厚度板材的無傾角攪拌摩擦焊方面的研究還未見相關(guān)報(bào)道。本試驗(yàn)著眼于無傾角攪拌摩擦焊的發(fā)展與應(yīng)用，對(duì)5 mm厚的6061-T6鋁合金無傾角攪拌摩擦焊焊縫成形、接頭力學(xué)性能、組織形貌特點(diǎn)以及接頭硬度分布進(jìn)行研究，為無傾角攪拌摩擦焊的工業(yè)化應(yīng)用提供相關(guān)依據(jù)，以促進(jìn)無傾角攪拌摩擦焊接技術(shù)與工業(yè)機(jī)器人相結(jié)合，為機(jī)器人攪拌摩擦焊接技術(shù)的研發(fā)提供相關(guān)參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

所用材料為 6061-T6鋁合金板材，尺寸為 250 mm×80 mm×5 mm。6061鋁合金的主要合金元素是鎂與硅，并形成強(qiáng)化相Mg2Si。具有優(yōu)良切削加工性、良好的抗腐蝕性、韌性高及加工后不變形等特點(diǎn)，航天、通訊領(lǐng)域，也廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化機(jī)械零件、精密加工、模具制造、電子及精密儀器等。6061鋁合金的化學(xué)成分見表1。其常溫時(shí)拉伸強(qiáng)度為308 MPa。

表1 6061鋁合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Chemical compositions of 6061 Al-Alloy (mass fraction) %

設(shè)計(jì)無傾角攪拌摩擦焊接適用的攪拌頭，軸肩內(nèi)凹并開有阿基米德螺線型花紋，攪拌針均開左螺紋，針長(zhǎng)4.7 mm，根部直徑5 mm，端部直徑3 mm。攪拌頭具體尺寸見圖1。軸肩的阿基米德螺線形開槽設(shè)計(jì)增加了軸肩對(duì)塑性金屬的包攏效果與對(duì)材料驅(qū)動(dòng)能力。攪拌頭材料為 H13熱作模具鋼，該鋼耐磨性好，具有良好的耐熱性，在較高溫度時(shí)具有較好的強(qiáng)度和硬度，高的耐磨性和韌性。

圖1 試驗(yàn)所用攪拌頭尺寸Fig.1 Size of FSW tool used in experiment

圖2 拉伸試樣尺寸Fig.2 Tensile specimen size

將兩塊鋁合金試板經(jīng)去毛刺、打磨去氧化膜、酒精擦拭等處理后安裝在攪拌摩焊平板工裝上，并用夾具夾緊，使其對(duì)接整齊嚴(yán)密。使用 STC350160W 懸臂式攪拌摩擦焊接機(jī)床對(duì)鋁合金進(jìn)行無傾角攪拌摩擦焊接試驗(yàn)，設(shè)置好攪拌摩擦焊接數(shù)控機(jī)床程序，開始進(jìn)行焊接操作。保持焊接時(shí)插入速度10 mm/min、下壓量0.25 mm不變，焊接時(shí)軸肩壓入工件材料后預(yù)熱8 s，并調(diào)整旋轉(zhuǎn)速度n(r/min)及焊接速度v(mm/min)進(jìn)行焊接試驗(yàn)。采用奧林巴斯金相顯微鏡進(jìn)行接頭組織觀察；使用UTM電子萬能拉伸機(jī)測(cè)試接頭拉伸性能，加載速度2 mm/min，在焊縫中部區(qū)域截取拉伸試樣，尺寸見圖2；使用410MVD數(shù)顯顯微維氏硬度計(jì)對(duì)接頭顯微硬度分布進(jìn)行測(cè)試，加載載荷100 N，保持時(shí)間10 s。

2 結(jié)果與分析

2.1 無傾角攪拌摩擦焊對(duì)接接頭焊縫成形

不同焊接參數(shù)下焊縫表面形貌見圖3，在試驗(yàn)設(shè)定的參數(shù)范圍內(nèi)縫表面均成形良好，沒有明顯的焊接缺陷，但不同焊接參數(shù)情況，焊縫表面形貌有明顯的差別。由圖3a—c可知，隨攪拌頭轉(zhuǎn)速增加，焊縫表面變得越來越光滑，但飛邊量卻逐漸增多；由圖3c—e可知，隨焊接速度增加，焊縫表面逐漸變粗糙，但飛邊量越來越少。分析認(rèn)為，零傾角攪拌摩擦焊焊縫表面成形與焊接熱輸入有關(guān)，攪拌頭轉(zhuǎn)速增加，熱輸入增大，軸肩下方金屬塑化程度高，攪拌頭向前行進(jìn)，塑化金屬可以順利脫離軸肩而形成光滑的焊縫。隨著焊接速度增大，熱輸入變小，軸肩下方金屬塑化程度較低，流動(dòng)性變差，金屬脫離軸肩相對(duì)困難，導(dǎo)致焊縫表面粗糙。

圖3 焊縫表面成形Fig.3 Appearances of friction stir weld

2.2 接頭組織形貌分析

攪拌頭轉(zhuǎn)速n=1500 r/min、焊接速度v=95 mm/min時(shí)，6061-T6鋁合金零傾角攪拌摩擦焊接頭組織分布見圖4。零傾角攪拌摩擦焊接頭從組織上可區(qū)分為 5個(gè)不同區(qū)域：焊核區(qū)(WNZ)、熱力影響區(qū)(TMAZ)、熱影響區(qū)(HAZ)、軸肩影響區(qū)(SAZ)和母材(BM)。母材組織和熱影響區(qū)組織相對(duì)粗大；熱力影響區(qū)組織受到機(jī)械攪拌和熱循環(huán)雙重作用，晶粒組織明顯被拉長(zhǎng)，發(fā)生彎曲變形，如圖5a、c分別為焊接接頭前進(jìn)側(cè)和后退側(cè)的微觀組織圖；軸肩影響區(qū)和焊核區(qū)組織受到強(qiáng)烈的攪拌作用，晶粒破碎，又在高溫下發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，形成細(xì)小的等軸再結(jié)晶組織，如圖5b為焊核區(qū)的微觀組織。

圖4 接頭橫截面形貌Fig.4 Cross sections of joint

圖5 6061鋁合金無傾角攪拌摩擦焊接頭微觀組織Fig.5 Microstructure of 6061 Al-Alloy FSW with zero tilt angle

不同焊接參數(shù)下 6061-T6鋁合金無傾角攪拌摩擦接頭橫截面形貌見圖6。由圖6a—c可知，隨著攪拌頭轉(zhuǎn)速增加，焊縫寬度和焊核尺寸均先變大后變小。分析認(rèn)為，焊核是由攪拌摩擦焊“抽吸-擠壓”作用形成的，攪拌頭轉(zhuǎn)速越高“抽吸-擠壓”作用越強(qiáng)，金屬沿?cái)嚢栳樀倪w移量越多，焊核尺寸變大。但當(dāng)攪拌頭轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大到1500 r/min時(shí)，焊核尺寸有變小，分析認(rèn)為，當(dāng)攪拌頭轉(zhuǎn)速過高時(shí)，過輸入過量，導(dǎo)致金屬過度軟化以至于無法產(chǎn)生足夠的壓力向攪拌頭周圍擠壓金屬材料，因此焊核尺寸較小[12—14]。由圖6c—e可知，隨焊接速度增加，焊縫寬度和焊核尺寸均逐漸變小。分析認(rèn)為，隨焊接速度增加熱輸入逐漸變小，攪拌頭的“抽吸-擠壓”作用變?nèi)?，焊縫區(qū)塑化金屬的量變小，金屬的流動(dòng)性能逐漸變?nèi)?，?dǎo)致焊縫寬度和焊核的尺寸減小。而當(dāng)焊接速度達(dá)到 300 mm/min時(shí)，焊接速度過快而熱輸入量較低，焊縫金屬的塑化程度不充分，金屬的流動(dòng)性不好，導(dǎo)致焊接過程中金屬不能充分填充攪拌針后方的空腔，而形成孔洞缺陷[15]，如圖6e中標(biāo)記所示，將標(biāo)記處缺陷放大，如圖7所示。

圖6 6061鋁合金無傾角攪拌摩擦焊焊縫橫截面形貌Fig.6 Cross sections of 6061 Al-alloy FSW with zero tilt angle

圖7 n=1500 r/min, v=300 mm/min時(shí)，焊縫底部產(chǎn)生的缺陷Fig.7 Defect in weld bottom when n=1500 r/min, v=300 mm/min

2.3 接頭拉伸強(qiáng)度分析

對(duì)焊后試板在焊縫中部位置截取3個(gè)拉伸試樣，以 3個(gè)試樣拉伸強(qiáng)度的平均值作為該焊接參數(shù)下接頭拉伸強(qiáng)度，得出不同焊接參數(shù)下焊接接頭的拉伸強(qiáng)度見表2，其中母材抗拉強(qiáng)度為303 MPa。由表2可知，在試驗(yàn)焊接參數(shù)范圍內(nèi)，零傾角攪拌摩擦焊焊接5 mm后6061-T6鋁合金，接頭拉伸強(qiáng)度均達(dá)到了母材強(qiáng)度的60%。焊接工藝參數(shù)對(duì)接頭拉伸強(qiáng)度的影響見圖8。

圖8 焊接工藝參數(shù)對(duì)接頭拉伸強(qiáng)度的影響Fig.8 Influences of welding parameters on tensile strength of joint

如圖8a所示，當(dāng)v=95 mm/min時(shí)，隨攪拌頭轉(zhuǎn)速增加，接頭拉伸強(qiáng)度先增加后減小，當(dāng)攪拌頭轉(zhuǎn)速n=1180 r/min時(shí)，接頭拉伸強(qiáng)度最高。分析認(rèn)為，攪拌頭轉(zhuǎn)速和焊接速度的變化直接影響焊接熱輸入，當(dāng)n=750 r/min時(shí)，焊接熱輸入較小，焊接接頭中析出的強(qiáng)化相的量較少，因此接頭拉伸強(qiáng)度較低；隨攪拌頭轉(zhuǎn)速增加到1180 r/min時(shí)，接頭強(qiáng)化相析出量增多，接頭拉伸強(qiáng)度增加；當(dāng)攪拌頭轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加到 1500 r/min時(shí)，焊接熱輸入過量，導(dǎo)致接頭沉淀強(qiáng)化相過量析出，接頭組織變得粗大，反而降低了接頭強(qiáng)度[16—17]。

如圖8b所示，當(dāng)n=1500 r/min時(shí)，隨焊接速度增大，接頭拉伸強(qiáng)度逐漸增大。分析認(rèn)為，攪拌頭轉(zhuǎn)速n=1500 r/min時(shí)，焊接熱輸入處于較高水平，沉淀強(qiáng)化相大量析出導(dǎo)致接頭組織粗大，隨焊接速度增大，焊接熱輸入減小，強(qiáng)化相的析出量有所下降，接頭組織不斷細(xì)化，接頭拉伸強(qiáng)度有所提高。當(dāng)焊接速度達(dá)到300 mm/min時(shí)，焊縫底部存在孔洞缺陷，但由于缺陷位置在焊核區(qū)，缺陷范圍很小，且缺陷周圍組織強(qiáng)度比熱影響區(qū)組織強(qiáng)度高，拉伸試樣未在缺陷處斷裂，而是在熱影響區(qū)位置斷裂，因此該缺陷并未影響接頭的拉伸強(qiáng)度。

表2 5 mm厚6061鋁合金試板對(duì)接接頭抗拉強(qiáng)度Tab.2 Tensile strength of 5 mm thick 6061 Al-Alloy plate FSW joints

3 結(jié)論

1) 設(shè)計(jì)了適用于無傾角攪拌摩擦焊用攪拌頭，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)5 mm厚6061-T6鋁合金板材的無傾角攪拌摩擦焊對(duì)接焊接，并且焊縫成形良好。

2) 零傾角攪拌摩擦焊接頭從組織上可區(qū)分為 5個(gè)不同區(qū)域：焊核區(qū)(WNZ)、熱力影響區(qū)(TMAZ)、熱影響區(qū)(HAZ)、軸肩影響區(qū)(SAZ)和母材(BM)；隨著攪拌頭轉(zhuǎn)速增加，焊縫寬度和焊核尺寸均先變大后變?。浑S焊接速度增加，焊縫寬度和焊核尺寸均逐漸變小。

3) 當(dāng)焊接速度固定時(shí)，隨攪拌頭轉(zhuǎn)速增加，接頭拉伸強(qiáng)度先增加后減??；當(dāng)攪拌頭轉(zhuǎn)速固定時(shí)，隨焊接速度增加，接頭拉伸強(qiáng)度逐漸增大。