（南昌航空大學(xué) 焊接工程系，南昌 330036）

攪拌摩擦焊接（Friction stir welding，簡(jiǎn)稱(chēng)FSW） 是由英國(guó)焊接研究所(TWI)于20世紀(jì)90年代發(fā)明的一種新型固相連接技術(shù)，最初主要用于鋁合金、鎂合金等輕質(zhì)合金的焊接，但隨著航空航天、軌道列車(chē)等領(lǐng)域的發(fā)展，對(duì)鋁合金攪拌摩擦焊焊接質(zhì)量提出了更高的要求[1—3]。常規(guī)攪拌摩擦焊所需要的熱量主要來(lái)源于軸肩與工件表面的摩擦熱，致使焊縫區(qū)溫度場(chǎng)呈上高下低的“淺漏斗狀”，焊縫底層溫度低，金屬流動(dòng)不充分，易出現(xiàn)組織疏松、孔洞或未焊透等缺陷[4—6]。

為了提高接頭性能，目前國(guó)內(nèi)外的研究學(xué)者主要提出了兩種思路，一種是從改變攪拌頭形狀、焊接速度、攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度、軸肩下壓量等工藝參數(shù)著手，改善材料的流動(dòng)和攪拌摩擦過(guò)程中的產(chǎn)熱，同時(shí)減少攪拌頭的磨損，但是接頭強(qiáng)度提高能力有限[7—14]。另一種思路是增加輔助熱源，以補(bǔ)充焊接熱輸入，協(xié)助軟化材料，但是在雙重?zé)嵫h(huán)的影響下，焊接溫度高于常規(guī)攪拌摩擦焊，導(dǎo)致焊縫熱影響區(qū)擴(kuò)大，從而降低了接頭的力學(xué)性能，而且輔助熱源本身也存在一定的局限性[15—18]。超聲輔助攪拌摩擦焊（Ultrasonic Assisted Friction Stir Welding，簡(jiǎn)稱(chēng)UAFSW）焊接溫度明顯低于常規(guī)攪拌摩擦焊，且變形金屬在超聲振動(dòng)作用下，金屬微粒獲得能量，產(chǎn)生高頻振動(dòng)，金屬微粒的熱運(yùn)動(dòng)加劇，溫度升高，內(nèi)摩擦力減小，從而變形阻力下降，金屬的變形抗力減少，能在更低的溫度下形成焊縫，與攪拌摩擦焊相同，都是一種綠色的能源，因此利用超聲振動(dòng)能量來(lái)輔助攪拌摩擦焊具有很大的應(yīng)用前景[19—20]。

基于上述原因，文中用攪拌摩擦焊和超聲輔助攪拌摩擦焊分別對(duì)3 mm厚的7075鋁合金薄板進(jìn)行焊接試驗(yàn)，對(duì)比分析超聲的加入對(duì)焊縫接頭性能的影響。

1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)材料為7075-T6鋁合金，尺寸為200 mm×80 mm×3 mm，其成分見(jiàn)表1。在常規(guī)攪拌摩擦焊的基礎(chǔ)上直接將超聲振動(dòng)通過(guò)工具頭施加在攪拌頭前方待焊工件上，攪拌針與超聲工具頭的水平距離約為 2 cm，超聲振動(dòng)頻率為20 kHz，超聲功率可在0～2 kW之內(nèi)調(diào)節(jié)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用的超聲功率為800 W，攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為750 r/m，焊接速度為37.5 mm/min。

超聲輔助攪拌摩擦焊采用的焊接參數(shù)為：軸肩直徑為Φ16 mm，攪拌針直徑為Φ5 mm，長(zhǎng)度為2.65 mm，采用左螺紋，電火花加工深度為0.5 mm。焊接完成后，取焊縫橫截面制作金相試樣，用Keller試劑腐蝕后，在4XB-TV型倒置金相顯微鏡下進(jìn)行微觀組織觀察；室溫下在WDW-50型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸試樣尺寸見(jiàn)圖1，并用Quanta 200環(huán)境掃描電子顯微鏡對(duì)拉伸斷口進(jìn)行掃描觀察。

表1 7075鋁合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Chemical composition of 7075 aluminum alloy (mass fraction)%

圖1 焊縫宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of weld

2 結(jié)果與分析

2.1 接頭成形分析

從圖 1可以看出，在相同的工藝參數(shù)下，普通FSW 與 UAFSW 均能得到表面成形良好的焊縫，但普通FSW表面成形較為粗糙，表面出現(xiàn)起皮現(xiàn)象，且在焊縫上部，軸肩影響區(qū)與焊核的界面處產(chǎn)生了明顯的隧道型缺陷；施加超聲后，焊縫表面成形明顯改善，變得更加光滑平整，焊縫內(nèi)部隧道型缺陷消失，材料流動(dòng)明顯改善。分析認(rèn)為在軸肩作用下，金屬內(nèi)表面發(fā)生層流運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生內(nèi)摩擦阻力，使得內(nèi)摩擦界面發(fā)生粘連和不穩(wěn)定流動(dòng)等現(xiàn)象，從而導(dǎo)致焊縫表面較為粗糙，出現(xiàn)毛刺、起皮等缺陷，且在攪拌摩擦焊過(guò)程中，焊縫金屬發(fā)生塑性流動(dòng)，攪拌頭不斷將塑性金屬?gòu)那斑M(jìn)側(cè)轉(zhuǎn)移到后退側(cè)，由于塑性金屬的流動(dòng)性較差，攪拌針后方形成的瞬時(shí)空腔得不到及時(shí)填充，從而形成隧道型缺陷；而施加超聲后，變形金屬在超聲振動(dòng)作用下，金屬顆粒獲得能量，產(chǎn)生高頻振動(dòng)，內(nèi)摩擦力減小，從而變形阻力下降，塑性和塑性流動(dòng)明顯改善，焊縫表面變得光滑，同時(shí)，隧道型缺陷消失。

2.2 微觀組織分析

將不同焊接方法得到的焊接接頭進(jìn)行局部放大，以將兩者焊縫金屬的塑性流線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比，如圖2所示，明顯可看出，普通FSW前進(jìn)側(cè)出現(xiàn)明顯的隧道型缺陷，金屬塑性流線(xiàn)較為模糊，加入超聲輔助后，金屬塑性流動(dòng)得到了充分改善，焊縫形貌特征明顯，焊核處出現(xiàn)了明顯的“洋蔥環(huán)”結(jié)構(gòu)，且塑性流線(xiàn)清晰，形成了明顯的塑性流動(dòng)層。從宏觀角度分析，超聲波能量作用在金屬表面，會(huì)產(chǎn)生表面效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)，使攪拌摩擦過(guò)程中的切削阻力降低；從微觀角度分析，在一定強(qiáng)度的超聲振動(dòng)下，位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)吸收足夠多的超聲能量而變得活躍，使得位錯(cuò)從被釘扎的平衡位置擺脫出來(lái)，促進(jìn)了金屬的塑性流動(dòng)。

圖2 不同焊接方法下接頭塑性流線(xiàn)對(duì)比Fig.2 Plastic flow lines of joints under different welding methods

不同焊接方法下焊縫的微觀組織見(jiàn)圖3，從圖3a和3b可以看出，在普通FSW與UAFSW兩種焊接方法下，熱影響區(qū)晶粒均發(fā)生長(zhǎng)大，普通FSW晶粒長(zhǎng)大尤為明顯。熱影響區(qū)組織演變與溫度場(chǎng)的變化有一定的聯(lián)系。分析認(rèn)為，攪拌摩擦焊過(guò)程中，由于熱影響受焊接熱循環(huán)的影響，晶粒發(fā)生長(zhǎng)大，但是，施加超聲后，金屬材料的摩擦因數(shù)降低，相同條件下，UAFSW焊接過(guò)程中攪拌頭與工件的摩擦產(chǎn)熱較普通FSW 減小，在焊縫相同位置，其峰值溫度降低，因此，普通FSW焊縫熱影響區(qū)受熱影響作用更大，其晶粒尺寸要大于UAFSW焊縫熱影響區(qū)的晶粒尺寸。從圖 3c可以看出，由于攪拌針的攪拌作用，焊核區(qū)晶粒得到細(xì)化，為均勻細(xì)小的等軸晶組織，UAFSW的晶粒細(xì)化程度比普通FSW更大，組織分布更為均勻。這說(shuō)明超聲振動(dòng)能量注入到焊縫區(qū)域內(nèi)，使再結(jié)晶組織均勻且細(xì)化，在超聲振動(dòng)的機(jī)械效應(yīng)和體積效應(yīng)下，晶粒組織沿多個(gè)方向的高頻振動(dòng)加劇，塑性流動(dòng)加強(qiáng)，導(dǎo)致晶粒組織更為細(xì)小，分布更為均勻。

2.3 焊接接頭力學(xué)性能分析

在 WDW-50型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，每組取3組試樣，取其平均值進(jìn)行分析。母材抗拉強(qiáng)度為522 MPa，普通FSW由于焊縫中存在隧道型缺陷，焊后接頭平均抗拉強(qiáng)度僅為 191 MPa，而UAFSW焊后接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到373 MPa，達(dá)到母材強(qiáng)度的71.5%，斷裂位置均位于焊縫內(nèi)部。表明超聲攪拌摩擦焊試樣的抗拉強(qiáng)度比普通攪拌摩擦焊有較大的提高，施加超聲振動(dòng)，可明顯增加鋁合金焊接的工藝窗口。分析認(rèn)為超聲振動(dòng)能量在固體內(nèi)傳播會(huì)產(chǎn)生機(jī)械效應(yīng)，使焊縫在吸收超聲能量的同時(shí)，各金屬顆粒也產(chǎn)生高頻振動(dòng)，處于激活狀態(tài)，其運(yùn)動(dòng)能級(jí)、擴(kuò)散能力以及金屬流變行為明顯增強(qiáng)，改善了普通攪拌摩擦焊材料流動(dòng)不足、材料混合不均勻等缺陷；同時(shí)超聲振動(dòng)輔助攪拌摩擦焊會(huì)在焊縫處產(chǎn)生體積效應(yīng)，超聲應(yīng)變場(chǎng)與攪拌摩擦焊應(yīng)變場(chǎng)進(jìn)行相互疊加，增加了晶粒的內(nèi)應(yīng)力，使晶體內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)發(fā)生變形、位錯(cuò)移動(dòng)加劇，晶粒發(fā)生細(xì)化，從而提高了材料的力學(xué)性能。

2.4 斷口掃描

超聲輔助攪拌摩擦焊焊接接頭斷口電鏡掃描見(jiàn)圖4，斷口中韌窩數(shù)量較少，尺寸及深度較小，斷口中有局部的小平面，平面上有明顯的撕裂棱，為準(zhǔn)解理形貌，屬于脆性斷裂的一種，斷口中還伴有許多冰糖狀結(jié)構(gòu)，為典型的脆性斷裂特征，因此該斷口為韌窩和準(zhǔn)解理的混合斷裂形式，接頭塑性變形能力較弱。

3 結(jié)論

采用普通攪拌摩擦焊和超聲輔助攪拌摩擦焊方法對(duì)7075鋁合金進(jìn)行焊接試驗(yàn)，并對(duì)焊接接頭的微觀組織、力學(xué)性能、斷口形貌進(jìn)行分析，主要結(jié)論如下。

1)超聲振動(dòng)促進(jìn)了焊縫金屬的流動(dòng)，能有效抑制孔洞、隧道型缺陷等的形成，拓寬了普通攪拌摩擦焊的工藝窗口。

2)超聲振動(dòng)使金屬原子處于激活狀態(tài)，降低了金屬的粘度，在提高焊縫金屬材料塑性的同時(shí)，降低了焊接熱循環(huán)的峰值溫度，使熱影響區(qū)晶粒尺寸變小。

3)超聲輔助攪拌摩擦焊焊核區(qū)晶粒尺寸比普通攪拌摩擦焊晶粒更細(xì)小，其組織更均勻、致密。

4)超聲能量的加入，改善了焊縫的力學(xué)特性。接頭平均抗拉強(qiáng)度達(dá)到 373 MPa，為母材強(qiáng)度的71.5%，斷口為韌窩和準(zhǔn)解理的混合斷裂形式，接頭塑性變形能力較弱。