（上海航天設(shè)備制造總廠有限公司，上海200245）

0 前言

攪拌摩擦焊是一種新型的固相連接技術(shù)，目前已廣泛應(yīng)用于鋁合金焊接。但隨著產(chǎn)品質(zhì)量要求的不斷提高，尋求一種焊后強(qiáng)度更高、焊接工藝裕度更寬的新型攪拌摩擦焊技術(shù)十分必要。為此，本研究提出了超聲復(fù)合攪拌摩擦焊技術(shù)，即通過在焊接過程中引入超聲振動(dòng)起到細(xì)化晶粒、改善塑化金屬流動(dòng)的作用。以期為焊后強(qiáng)度要求嚴(yán)格的產(chǎn)品提供一種新型的焊接工藝技術(shù)方法，為鋁合金結(jié)構(gòu)件的高質(zhì)量、高可靠焊接提供技術(shù)支撐[1-5]。

針對(duì) 4 mm 厚度 6061 T6、2219 T6、5A06 H112鋁合金試板展開工藝研究，通過工藝試驗(yàn)比對(duì)，總結(jié)超聲波對(duì)攪拌摩擦焊接頭組織和力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)材料和方法

采用 4 mm 厚的 6061 T6、2219 T6、5A06 H112鋁合金試板，其化學(xué)成分如表1～表3所示。試件尺寸為100 mm×300 mm，焊前需打磨待焊區(qū)域，采用丙酮或酒精清洗表面。控制對(duì)接試板裝配間隙在0.05～0.3 mm范圍內(nèi)，工裝保證夾緊試板。

表1 6061鋁合金的化學(xué)成分 %

表2 2219鋁合金的化學(xué)成分 %

表3 5A06鋁合金的化學(xué)成分 %

超聲復(fù)合攪拌摩擦焊示意如圖1所示，工藝試驗(yàn)方法如圖2所示。試驗(yàn)主要參數(shù)與傳統(tǒng)攪拌摩擦焊試驗(yàn)相同，無(wú)需調(diào)整，主軸轉(zhuǎn)速800 r/min，焊接速度275mm/min，焊接壓入量0.1～0.2 mm。試驗(yàn)過程中前后不再調(diào)整主軸轉(zhuǎn)速、焊接速度等參數(shù)，僅改變外部是否施加超聲波。

圖1 超聲復(fù)合攪拌摩擦焊示意

圖2 工藝試驗(yàn)過程示意

用HNO3+HCl+HF+水溶液對(duì)拋光后的試樣進(jìn)行化學(xué)腐蝕，然后置于光學(xué)顯微鏡（Oberver D1m）下觀察接頭組織形貌。在電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（CMT 5305）上進(jìn)行接頭拉伸試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 微觀組織

試驗(yàn)參數(shù)下，6061 T6鋁合金超聲復(fù)合攪拌摩擦焊接頭與傳統(tǒng)攪拌摩擦焊接頭的宏觀形貌對(duì)比如圖3所示。

圖3 焊接微觀組織

由圖3可知，雖然焊縫仍由焊核區(qū)、熱影響區(qū)、熱機(jī)影響區(qū)組成，但是整個(gè)焊縫截面的形貌已產(chǎn)生較大差異，主要體現(xiàn)在：（1）超聲波的引入使得原本“圓碗”狀的焊縫截面形態(tài)向“倒梯形”的形態(tài)轉(zhuǎn)變和過渡；（2）超聲波加入后，焊核區(qū)“洋蔥環(huán)”的痕跡更加明顯，材料流動(dòng)能力增強(qiáng)；（3）超聲波引入后，焊縫熱影響區(qū)的寬度較傳統(tǒng)攪拌摩擦焊寬度縮?。徊捎贸晱?fù)合攪拌摩擦焊后，焊縫飛邊去除。

由此可見，超聲波已成功注入焊縫內(nèi)部，增強(qiáng)了金屬的塑性流動(dòng)能力。圖4為降低焊接熱輸入條件下的焊接缺陷對(duì)比，將主軸轉(zhuǎn)速降低到600 r/min，焊接速度保持275 mm/min，不加入超聲時(shí)焊縫表面成形良好，但是在前進(jìn)側(cè)出現(xiàn)孔洞型缺陷；加入超聲后，孔洞缺陷截面尺寸縮小，證明超聲的引入能夠增強(qiáng)材料的流動(dòng)能力，工藝裕度增加。

2219鋁合金的焊核區(qū)晶粒尺寸對(duì)比如圖5所示，由于焊核區(qū)尺寸小，難以根據(jù)GB/T 6394-2002《金屬平均晶粒度測(cè)定方法》對(duì)比晶粒度，但可以看出超聲波的加入起到了細(xì)化晶粒的作用。圖5a中焊核區(qū)晶粒最大尺寸約為10 μm，加入超聲后（見圖5b）晶粒最大尺寸約為5 μm。

2219熱影響區(qū)和熱機(jī)影響區(qū)晶粒對(duì)比如圖6所示，5A06焊縫組織晶粒對(duì)比如圖7所示。

由圖6、圖7可知，無(wú)論是以何種合金元素為主的鋁合金，超聲波的加入都能提升焊縫組織的均勻性，晶粒亦在一定程度上得到細(xì)化。

從對(duì)比圖中還可以看出，由于焊接參數(shù)不良，熱輸入量不足，材料的流動(dòng)性降低，在攪拌摩擦焊焊縫的前進(jìn)側(cè)出現(xiàn)體積型缺陷，通常稱之為孔洞缺陷。在其他焊接參數(shù)一致的條件下，施加超聲后的焊縫缺陷尺寸明顯減小。驗(yàn)證了超聲波的加入能夠增加金屬塑性流動(dòng)性，對(duì)形成致密的攪拌摩擦焊焊縫有積極作用。

圖4 焊縫缺陷對(duì)比

圖5 2219焊核區(qū)晶粒對(duì)比

圖6 2219熱影響區(qū)和熱機(jī)影響區(qū)晶粒對(duì)比

2.2 力學(xué)性能

采用相同的工藝參數(shù)，加超聲與不加超聲的6061 T6攪拌摩擦焊接頭力學(xué)性能如表4所示，性能對(duì)比如圖8所示。

不加超聲時(shí)接頭的抗拉強(qiáng)度為215 MPa，加超聲時(shí)接頭的抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到247 MPa，較常規(guī)攪拌摩擦焊提高14.8%，達(dá)到母材的83.7%；接頭的斷后伸長(zhǎng)率也略有提高，從5.8%增加到6.2%。

2219與5A06施加超聲前后的力學(xué)性能對(duì)比如表5和表6所示。

由表4～表6可知，超聲的引入對(duì)不同牌號(hào)的鋁合金攪拌摩擦焊接頭力學(xué)性能的影響是不同的。對(duì)于5A06鋁合金，超聲波對(duì)接頭抗拉強(qiáng)度影響不大，但能提高焊接接頭力學(xué)性能的穩(wěn)定性。對(duì)于2219和6061鋁合金，超聲波可以明顯提高接頭的抗拉強(qiáng)度，但兩者提高的幅度不同，6061鋁合金接頭的抗拉強(qiáng)度提高14.8%，而2219鋁合金接頭的抗拉強(qiáng)度提高11.7%。同樣，超聲波對(duì)不同牌號(hào)鋁合金攪拌摩擦焊接頭的斷后伸長(zhǎng)率的影響也有所不同。

圖7 5A06焊縫組織晶粒對(duì)比

表4 6061鋁合金FSW力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

圖8 加超聲與不加超聲拉伸性能對(duì)比

表5 2219鋁合金FSW力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

表6 5A06鋁合金FSW力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

3 機(jī)理分析

由以上試驗(yàn)結(jié)果分析可知，超聲波可以實(shí)現(xiàn)焊縫晶粒細(xì)化、金屬流動(dòng)性增強(qiáng)的效果，最終表現(xiàn)為焊縫形貌發(fā)生變化和力學(xué)性能提升。其作用機(jī)理主要有[6-7]：

（1）機(jī)械共振作用。因?yàn)槌暤恼駝?dòng)效應(yīng)，在焊接過程中其對(duì)周圍的金屬起著二次攪動(dòng)作用，可以有效地使旋轉(zhuǎn)攪拌破碎的晶粒再次發(fā)生微小破碎結(jié)晶。在攪拌頭周圍處于局部熔融狀態(tài)的鋁金屬中，顆粒在超聲波的振動(dòng)下會(huì)發(fā)生相應(yīng)振動(dòng)，超聲頻率越高，顆粒的振動(dòng)就越強(qiáng)烈，在共振狀態(tài)下振動(dòng)最強(qiáng)，顆粒間沒有方向的相互劇烈振動(dòng)、相互碰撞會(huì)導(dǎo)致晶粒破碎而再度重新結(jié)晶，超聲引起的這些促使晶粒破碎再結(jié)晶的效應(yīng)也是導(dǎo)致晶粒細(xì)化的一個(gè)重要原因。

（2）周期性激波作用。超聲波是一種周期性波，大振幅的超聲波在介質(zhì)中振動(dòng)時(shí)會(huì)形成層層類似波浪式的激波，在每個(gè)波面邊緣會(huì)形成一定的壓強(qiáng)梯度，在焊接的塑化鋁金屬中會(huì)產(chǎn)生局部高溫和壓力，可以一定程度上減少金屬流動(dòng)時(shí)的宏觀偏析，促使晶粒細(xì)化。

（3）超聲波的熱效應(yīng)。它使得超聲波的能量一部分被焊縫處塑性狀態(tài)的金屬所吸收，這一部分金屬在短時(shí)間內(nèi)能夠提高溫度，增強(qiáng)流動(dòng)性，減少材料流動(dòng)阻力，使攪拌頭的攪動(dòng)更順暢，攪拌得更充分，良好地融合金屬。

4 結(jié)論

（1）超聲復(fù)合攪拌摩擦焊技術(shù)中超聲的引入影響焊縫截面形貌，與傳統(tǒng)攪拌摩擦焊相比晶粒更為細(xì)小，熱影響區(qū)更窄。

（2）超聲的加入增強(qiáng)了焊縫塑性狀態(tài)金屬的流動(dòng)性，降低了缺陷發(fā)生率。

（3）超聲的引入對(duì)不同牌號(hào)鋁合金攪拌摩擦焊接頭力學(xué)性能的影響是不同的。對(duì)于5A06鋁合金，超聲的引入對(duì)接頭抗拉強(qiáng)度均值影響不大；6061 T6鋁合金和2219 T6鋁合金的攪拌摩擦焊接頭力學(xué)性能獲得提升。6061 T6鋁合金加超聲時(shí)接頭的抗拉強(qiáng)度可達(dá)247 MPa，較常規(guī)攪拌摩擦焊提高14.8%，達(dá)到母材的83.7%；而2219鋁合金接頭的抗拉強(qiáng)度達(dá)371 MPa，較常規(guī)攪拌摩擦焊提高11.7%。