王運會，黃春平，陳文亮，，梁養(yǎng)民，柯黎明

（1.駐四三〇廠軍代表室，西安710021；2.南昌航空大學(xué)，南昌330063；3.西安航空發(fā)動機(jī)

（集團(tuán)）有限公司，西安710021）

0 引 言

航空發(fā)動機(jī)低溫段鋁合金葉片由葉片本體和鑲條組成，通常采用釬焊將這兩者進(jìn)行連接，但釬焊釬縫中存在的微小孔洞會影響釬縫的強度和致密性。攪拌摩擦焊（FSW）技術(shù)是英國焊接研究所于1991年發(fā)明的一種新型固相連接技術(shù)［1－2］，它利用一種特殊形式的攪拌頭插入工件的待焊部位，通過高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭與工件間進(jìn)行摩擦攪拌，產(chǎn)生的摩擦熱使該部位金屬處于熱塑性狀態(tài)，并擠壓形成焊縫［3－4］。FSW過程中待焊金屬不發(fā)生熔化，是一種固態(tài)焊接方法，避免了熔化焊時焊縫中可能出現(xiàn)的各種缺陷，且焊接質(zhì)量穩(wěn)定、焊后接頭變形小、接頭性能顯著優(yōu)于熔化焊接頭的。與釬焊相比，F(xiàn)SW可明顯提高焊縫的強度和致密性，焊接質(zhì)量更加穩(wěn)定，將FSW應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)鋁合金葉片的焊接對航空發(fā)動機(jī)的生產(chǎn)制造具有重要意義，而目前還未見相關(guān)報道。為此，作者嘗試采用FSW對航空發(fā)動機(jī)鋁合金葉片本體和鑲條進(jìn)行了焊接，并分析了工藝參數(shù)對焊縫成形的影響。

1 試樣制備與試驗方法

葉片本體和鑲條材料均為6A02－T6鋁合金，兩者的連接接頭形式如圖1所示，鑲條的厚度為9mm，鑲條前端凸臺的厚度為1.3mm。試驗選用的攪拌頭如圖2所示，攪拌頭的軸肩直徑為12mm，帶左螺紋的攪拌針直徑為4mm，長度為4.5mm。由于焊接結(jié)構(gòu)為鎖底形式，為了減小攪拌針在焊接過程中受到的阻力并提高其穩(wěn)定性和使用壽命，將攪拌針的端部設(shè)計成與攪拌針軸線成24°的錐圓臺。

采用自制的龍門式數(shù)控攪拌摩擦焊機(jī)和工裝夾具進(jìn)行試驗，為了減小鑲條前端凸臺的變形，攪拌頭插入的位置偏向鑲條一側(cè)，并偏離葉片本體與鑲條的界面結(jié)合中心線0.7mm。在FSW過程中，攪拌頭的傾斜角為2°，攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度n為750～1 500r·min－1，焊接速度v為100～300mm·min－1，試驗過程中采用相同的工藝參數(shù)對葉片本體和鑲條分別進(jìn)行了單面和雙面焊接。焊接結(jié)束后，沿焊接的橫截面截取試樣，并制成金相試樣，采用光學(xué)顯微鏡觀察焊縫狀形。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 旋轉(zhuǎn)速度對焊縫成形的影響

由圖3（f），（g）可見，在旋轉(zhuǎn)速度n＝1 250r·min－1的雙面焊（A區(qū)域）和n＝1 500r·min－1單面焊（B區(qū)域）的焊縫上部均發(fā)現(xiàn)了明顯的孔洞型缺陷，如圖4所示，且后者尺寸明顯大于前者的。旋轉(zhuǎn)速度n＝750r·min－1和n＝1 000r·min－1時的單面焊和雙面焊均能得到無缺陷的焊縫，而且后者鑲條前端凸臺的變形相對較小?？梢?，將FSW應(yīng)用于鋁合金葉片本體與鑲條之間的鎖底連接能夠很好地實現(xiàn)單面焊和雙面焊，并且焊后鑲條前端凸臺的變形很小。這是由于在整個焊接過程中，焊縫金屬都處于塑化狀態(tài)，焊縫溫度低于金屬的熔點，焊縫附近金屬傳導(dǎo)的熱量相對熔化焊的要低，因此，F(xiàn)SW焊后焊縫附近鑲條前端凸臺的變形要明顯低于熔化焊的。在其它工藝參數(shù)不變的情況下，攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度較小時，單位時間內(nèi)攪拌頭與焊縫的摩擦產(chǎn)熱較低，使焊縫金屬不能達(dá)到完全塑化，焊縫金屬的流動性變差，粘滯性也加大，F(xiàn)SW過程中焊縫塑性流動的金屬對焊縫附近的金屬具有擠壓作用，因此，焊縫金屬的不完全塑化加大了對焊縫附近金屬的擠壓力；同時，焊縫的產(chǎn)熱低使得焊縫附近金屬的溫度較低，焊接過程中該部分金屬對焊縫塑性流動具有阻礙作用，焊縫附近金屬的溫度越低，粘滯性越大，對焊縫塑性流動的金屬阻礙力也越大，相反，焊縫塑性流動的金屬對焊縫附近金屬的反作用力越大。因此，攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度較小時，焊縫塑性流動的金屬對焊縫附近金屬的作用力較大，這也就解釋了在旋轉(zhuǎn)速度n＝750r·min－1時鑲條前端凸臺的變形較旋轉(zhuǎn)速度n＝1 000r·min－1時大的原因。

圖4 圖3中A，B區(qū)焊接缺陷處的顯微組織Fig.4 Microstructure of weld defects in zone A （a）and B（b）in Fig.3

但這并不意味著旋轉(zhuǎn)速度越大越好，根據(jù)柯黎明等［5］提出的FSW焊縫金屬塑性流動的“抽吸－擠壓”理論，由于試驗采用的為左螺紋攪拌針，在FSW過程中，攪拌針對周圍的塑化金屬有向下的綜合作用力，使攪拌針周圍的塑化金屬呈現(xiàn)向下的遷移，而在焊縫底層，塑化金屬受底部未塑化金屬的阻礙而向周邊流動，因此FSW過程中焊縫的上部出現(xiàn)瞬時的低壓區(qū)或空腔，在焊縫的下部局部區(qū)域則形成較大的壓力擠壓焊核區(qū)外圍的金屬，導(dǎo)致外圍金屬受下部金屬高壓區(qū)和上部金屬低壓區(qū)的壓力差作用向上運動，填充回之前產(chǎn)生的瞬時空腔。當(dāng)攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度過高時，單位時間內(nèi)攪拌頭與焊縫金屬的摩擦增加，由于攪拌頭的軸肩在FSW過程中產(chǎn)熱占大部分，致使攪拌頭軸肩所接觸的焊縫上半部分金屬溫度過高，金屬急劇軟化，而底部金屬溫度相對較低，金屬軟化程度不夠，使得脫離攪拌針端部的金屬不能產(chǎn)生足夠的壓力擠壓焊核區(qū)外圍的金屬，致使填充回之前產(chǎn)生瞬時空腔的壓力差作用減弱；同時，攪拌針周圍及軸肩底部的塑化金屬溫度過高，黏度過低，不能對更遠(yuǎn)處的金屬產(chǎn)生足夠的摩擦力使其與攪拌針和軸肩一起轉(zhuǎn)動，使得沒有足夠的金屬在攪拌針后方填充至攪拌頭沿焊接方向運動時在其后方形成的空腔，因此，焊縫上部出現(xiàn)的瞬時空腔沒能得到及時填充而成為孔洞型缺陷。并且隨著旋轉(zhuǎn)速度的進(jìn)一步提高，填充瞬時空腔的壓力差作用越弱以及填充至瞬時空腔的金屬越少，導(dǎo)致瞬時空腔不能及時得到充足的塑化金屬填充，因此，孔洞型缺陷有增大的趨勢，這是旋轉(zhuǎn)速度n＝1 500r·min－1時焊縫的孔洞缺陷明顯大于n＝1 250r·min－1時的緣故。因此，綜合各因素考慮，在攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度n＝1 000r·min－1時能夠得到較好的焊縫接頭，并且鑲條前端凸臺的變形最小。

2.2 焊接速度對焊縫成形的影響

圖5 不同焊接速度下的接頭橫截面形貌（n＝1 000r·min－1）Fig.5 Macroscopic overviews of cross－section of joint at different welding rates

圖5為在其它焊接參數(shù)不變時，不同焊接速度下的接頭橫截面形貌。從圖中可以看出，在焊接速度為v＝100mm·min－1和v＝200mm·min－1時焊縫都無明顯缺陷，而在焊接速度v＝300mm·min－1的焊縫中則出現(xiàn)了明顯的隧道孔和孔洞缺陷，對比焊接速度v＝100mm·min－1和v＝200mm·min－1時的焊縫形貌可以得出，前者鑲條前端凸臺的變形較后者的小。

分析認(rèn)為，在其它工藝參數(shù)不變的情況下，焊接速度較小時，焊縫金屬在單位時間內(nèi)與攪拌頭的接觸增加，致使焊縫的產(chǎn)熱增多，焊縫金屬得到了充分塑化，并且塑化金屬的流動性較好，焊縫外圍金屬受下部金屬高壓區(qū)和上部金屬低壓區(qū)的壓力差作用向上運動，在攪拌針后方由于塑化金屬的離心運動所產(chǎn)生的空腔能夠得到塑化金屬及時充分的填充，因此，焊接速度較小時，幾乎沒有疏松和孔洞缺陷產(chǎn)生；隨著焊接速度的提高，焊縫金屬單位時間內(nèi)與攪拌頭的接觸減小，焊縫產(chǎn)熱降低，致使塑性金屬得不到充分塑化，并且塑化金屬的流動性變差，由于左螺紋攪拌針對焊縫金屬存在兩個方向的作用力，沿攪拌針圓周的力和垂直于攪拌針螺紋表面的力［6］，沿攪拌針圓周的力使焊縫金屬產(chǎn)生圓周方向的流動，而垂直于攪拌針螺紋表面的力驅(qū)使焊縫金屬產(chǎn)生向下的流動，當(dāng)焊接速度過快時，沿圓周方向力的作用加劇，而垂直于攪拌針螺紋表面的力相對圓周方向力的增加要小很多，并且單位橫截面上焊縫金屬的流動主要表現(xiàn)為沿圓周方向的流動，塑化金屬沿垂直于攪拌針螺紋表面的力還未來得及向下流動即隨著攪拌頭的快速移動很快形成焊縫；同時，焊接速度過快，焊縫的產(chǎn)熱降低，特別是焊縫底端遠(yuǎn)離軸肩位置的產(chǎn)熱較低，焊縫底部未參與焊縫塑性流動的金屬的溫度較低，對焊縫底部塑性流動的金屬有阻礙的作用，焊縫底部未參與焊縫塑性流動金屬的溫度越低，粘滯性越大，對焊縫塑性金屬力的作用越大，力的作用使得焊縫底部塑化的金屬沿攪拌針兩側(cè)向上流動，并且焊接速度過快，單位橫截面焊縫底部的金屬來不及得到向下流動金屬的補充，因此，在焊縫底部容易形成大的隧道孔缺陷。而且如果焊接速度過快，攪拌針后方由于塑化金屬的離心運動在焊縫上方所產(chǎn)生的瞬時空腔得不到及時充分的填充，容易產(chǎn)生疏松和孔洞等缺陷。這解釋了在焊接速度v＝300mm·min－1時，由于焊接速度過快使得FSW過程中葉片本體與鑲條焊縫的下方產(chǎn)生了隧道孔缺陷，而在焊縫上方則由于FSW過程中產(chǎn)生的瞬時空腔得不到完全填充而形成了孔洞缺陷。

在其它工藝參數(shù)一定的條件下，隨著焊接速度的逐漸提高，焊縫產(chǎn)熱逐漸降低，焊縫金屬的塑化程度逐漸變差，焊縫流動的塑化金屬對焊縫附近金屬的作用力加大；同時，焊縫產(chǎn)熱的降低也使得焊縫附近金屬的溫度隨之降低，增加了焊縫附近金屬對焊縫塑性流動金屬的束縛力，相反，焊縫塑性流動金屬對焊縫附近金屬的反作用力也得到了增加，因此，焊接速度的增加，加大了焊縫塑性流動的金屬對焊縫附近金屬的作用力，使得焊縫附近金屬的變形增加，這也證明了在焊接速度v＝200mm·min－1時鑲條前端凸臺的變形量較焊接速度v＝100mm·min－1大的原因。因此，在焊接速度v＝100mm·min－1時，葉片本體與鑲條的焊縫成形較好，并且鑲條前端凸臺的變形最小。對接頭進(jìn)行拉伸性能測試表明，F(xiàn)SW接頭的強度遠(yuǎn)高于同類零件釬焊接頭的強度。

3 結(jié) 論

（1）采用攪拌摩擦焊技術(shù)能夠很好地實現(xiàn)鋁合金葉片本體與鑲條的鎖底結(jié)構(gòu)單面和雙面連接，并且焊后鑲條前端凸臺的變形小，能保證焊接接頭的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

（2）攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度越高，焊縫上部越易產(chǎn)生孔洞型缺陷，旋轉(zhuǎn)速度越低，焊后鑲條前端凸臺的變形越大；焊接速度越快，焊縫上部越易出現(xiàn)孔洞缺陷，焊縫底部越易產(chǎn)生隧道孔缺陷，并且焊后鑲條前端凸臺的變形也相對較大。

（3）攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度n為1 000r·min－1，焊接速度v為100mm·min－1時能夠獲得無缺陷的鋁合金葉片本體與鑲條鎖底連接接頭，接頭強度遠(yuǎn)高于同類零件釬焊接頭的強度。

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［5］柯黎明，潘際鑾，邢麗，等.攪拌摩擦焊焊縫金屬塑性流動的抽吸－擠壓理論［J］.機(jī)械工程學(xué)報，2009，45（4）：89－94.

［6］柯黎明，潘際鑾，邢麗，等.焊縫金屬厚度方向的流動與洋蔥瓣花紋的形成［J］.焊接學(xué)報，2008，29（7）：39－42.