方遠方 張 華

1.北京石油化工學院光機電裝備技術北京市重點實驗室，北京，1026172.北京市安全生產(chǎn)工程技術研究院，北京，102617

0 引言

攪拌摩擦焊(friction stir welding，F(xiàn)SW)技術是20世紀90年代出現(xiàn)的一項新型固相連接技術。該技術憑借其熱輸入量小、生產(chǎn)效率高、成本低等優(yōu)勢迅速在輕質合金焊接領域得到廣泛應用，在以鋁合金為主要生產(chǎn)材料的航空、航天及軌道列車制造等領域，攪拌摩擦焊技術的應用正在不斷深入[1-6]。

常規(guī)攪拌摩擦焊接過程中，焊縫旁邊會生成連續(xù)的飛邊，焊后必須將其去除，嚴重降低了焊接效率，而對于厚度較大或形狀不規(guī)則的焊材，與軸肩接觸的區(qū)域受熱較多，其余部分的受熱很少，焊接過程中熱量的不均勻分布會顯著影響焊縫的整體質量[7-10]。為了解決上述問題，靜止軸肩(靜軸肩)攪拌摩擦焊(stationary shoulder friction stir weld)技術被發(fā)明并應用。靜軸肩攪拌摩擦焊的焊縫表面光滑不產(chǎn)生弧紋，且在焊接過程中，軸肩不旋轉產(chǎn)熱，改善了接頭沿焊接厚度方向的熱量分布情況[11-13]。

目前國內外科研機構均采用零角度即機頭裝置與焊接平面垂直的靜軸肩攪拌摩擦，該方式可以減小焊接過程中的頂鍛力，但焊縫表面會經(jīng)常出現(xiàn)溝槽缺陷，導致焊接失敗，嚴重影響焊接質量，使得該技術在目前還無法大規(guī)模工程化應用。筆者采用傾斜靜軸肩焊接有效解決了此問題，試驗證明斜傾靜軸肩攪拌摩擦焊焊縫表面沒有溝槽缺陷。

1 試驗條件與方法

1.1 試驗材料

本試驗所用材料為生產(chǎn)列車壁板的6005A鋁合金中空型材，其整體結構與橫截如圖1所示，材料實際測得的力學性能參數(shù)如表1所示。

圖1 試驗鋁合金型材橫截面Fig.1 Cross section of aluminum alloy specimen

表1 母材力學性能

1.2 試驗過程

試驗設備為國產(chǎn)的靜龍門攪拌摩擦焊設備，通過特制靜軸肩專用刀柄實現(xiàn)靜軸肩攪拌摩擦焊，其機頭裝置如圖2所示。試驗材料接頭組合形式為對搭接混合焊接，錐形攪拌針長4.5 mm，根部直徑為5.45 mm，攪拌針自帶的軸肩直徑為10 mm，靜止軸肩直徑18 mm，采用0°與2°的焊接傾角進行試驗。

圖2 試驗用靜軸肩攪拌摩擦焊裝置Fig.2 Schematic diagram of stationary shoulder friction stir welding test device

試驗采用固定焊接速率、變換轉速的方式進行，為接近工程化應用條件，設置焊接速率為1 m/min，轉速范圍是1700～2300 r/min。焊后，試樣去掉型材中間立筋并取樣(圖3)進行拉伸檢測(按國家標準GB/T228.1—2010《金屬材料拉伸試驗 第一部分：室溫試驗方法》)和彎曲檢測(按國家標準GB/T2653—2008《焊接接頭彎曲試驗方法》)。拉伸檢測中，每個參數(shù)取3次檢測結果的平均值；彎曲檢測中，每個參數(shù)取2次檢測結果的平均值。對焊縫中段進行打磨、拋光并用質量分數(shù)5%的NaOH溶液侵蝕來獲得金相試樣，利用光學顯微鏡觀測試樣組織，利用掃描電鏡對拉伸檢測后的試樣斷口進行形貌組織觀測。

圖3 拉伸試樣取樣示意圖Fig.3 Schematic diagram for sampling of tensile test

2 試驗結果與討論

2.1 焊縫表面觀測

由圖4可以看出，靜軸肩攪拌摩擦焊焊縫表面光滑無弧紋，無飛邊、裂紋等缺陷，在實際生產(chǎn)中可省去去除飛邊等清理工序，提高效率。普通攪拌摩擦焊熱量主要分布在焊縫與軸肩的接觸面，而靜軸肩攪拌摩擦焊的熱量沿深度方向分布更加均勻，更有利于焊縫內部的材料流動與成形。

(a)靜軸肩攪拌摩擦焊焊縫(b)普通攪拌摩擦焊焊縫圖4 焊縫表面形貌Fig.4 Morphology of welding surface

0°靜軸肩焊接試驗中，焊縫表面經(jīng)常會出現(xiàn)溝槽缺陷(圖5)，這是由于軸肩在焊接過程中不轉動，因此軸肩表面的溫度較低，周圍塑化流動的鋁合金材料附著在軸肩表面迅速冷卻固化，將焊縫表面“劃傷”，破壞焊接成形。為解決這個問題，本試驗將焊接接頭傾斜2°(圖6)，進行傾斜靜軸肩攪拌摩擦焊。焊接方向前端的軸肩與焊材保持一定距離時，即使焊接過程中有材料附著，也不會對焊縫產(chǎn)生影響，后端的軸肩對焊縫進行強力“抹平”，確保焊縫表面質量。雖然帶傾角的焊接使焊縫的減薄量有所增大，但由于材料流動更加充分，同時焊縫表面不會產(chǎn)生隧道等缺陷，因此焊縫的成形性能得到整體提升，接頭的力學性能并沒有因此受到影響。經(jīng)多次反復試驗，將機頭沿焊接方向抬起的焊接傾角確定為2°時的試驗效果最佳，既可保證焊縫表面質量(圖5)，又不會因為角度過大造成焊接的前進抗力過大。

圖5 靜軸肩攪拌摩擦焊焊縫表面形貌Fig.5 Surface morphology of stationary shoulder friction stir welding

圖6 靜軸肩攪拌摩擦焊焊接示意圖Fig.6 Schematic diagram of stationary shoulder friction stir welding

2.2 力學性能分析

相對于普通攪拌摩擦焊，靜軸肩攪拌摩擦焊軸肩不轉動，產(chǎn)生的熱量較小，因此通過提高攪拌工具的轉速來增加攪拌針與鋁合金之間的熱輸入，保證接頭性能。

拉伸檢測后的試樣如圖7所示，全部試樣的斷裂方式一致，裂縫均出現(xiàn)在焊縫前進側與母材交界處。試樣的抗拉強度的均值在215～222 MPa之間，屈服強度均值在147～153 MPa之間(表2)，可見在焊接速率為1 m/min時，靜軸肩攪拌摩擦焊的接頭抗拉強度保持在母材的70%～73%，屈服強度是母材的53%～55%(表1)。試驗中的抗拉強度與屈服強度最大值出現(xiàn)在轉速n=2100 r/min，由應力-應變曲線(圖8)可看出該轉速下的拉伸性能最優(yōu)，且各轉速下的拉伸性能總體保持平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)大幅度波動。

圖7 拉伸檢測后的試樣Fig.7 Specimen after tensile test

表2 接頭力學性能

圖8 應力-應變曲線(焊速1 m/min)Fig.8 Stress-strain curve (welding speed 1000 mm/min)

彎曲檢測后的試樣如圖9所示，試樣在所選工藝窗口內，轉速1700 r/min試樣在背彎34°、92°時出現(xiàn)裂紋，轉速1800 r/min試樣在背彎57°時出現(xiàn)裂紋，轉速1900 r/min、2000 r/min、2100 r/min、2200 r/min、2300 r/min試樣背彎180°均無裂紋。這是因為轉速較低時，焊縫底部的材料被攪拌得不夠充分，導致材料的流動性不好，形成疏松組織。上述轉速試樣正彎180°均無裂紋。

圖9 彎曲檢測后的試樣Fig.9 Specimen after bending test

2.3 橫截面組織結構

(a)n=1700 r/min (b)n=1800 r/min

(c)n=1900 r/min (d)n=2000 r/min

(e)n=2100 r/min (f)n=2200 r/min

(g)n=2300 r/min圖10 接頭橫截面組織(焊速1 m/min)Fig.10 Morphology of joint section (welding speed 1 m/min)

靜軸肩攪拌摩擦焊試樣橫截面金相如圖10所示，可以看出，焊縫區(qū)域組織均勻，沒有出現(xiàn)裂紋、孔洞等缺陷。轉速1700 r/min、1800 r/min的焊縫根部靠近后退側出現(xiàn)組織混濁不均勻區(qū)域，這解釋了低轉速試樣背彎時出現(xiàn)裂紋的原因。轉速較低時，焊縫的前進側與后退側明顯不同，前進側的界面分界線較為清晰。隨著轉速的升高，前進側與后退側的區(qū)別度降低，焊縫兩側形狀對稱，而且減薄量減小，焊縫與母材表面等高。

2.4 斷口形貌分析

挑選力學性能較好的4組轉速(2000 r/min、2100 r/min、2200 r/min、2300 r/min)試樣進行拉伸斷口組織觀測。圖11中，左側圖片為低倍形貌圖，右側圖片為方框區(qū)域的放大圖，可以看出4組試樣的晶粒組織分布均勻，存在大量韌窩組織，沒有明顯的脆性斷裂組織，此時的試樣斷裂機制為韌性斷裂。這解釋了力學檢測結果中的抗拉強度與屈服強度在轉速大于2000 r/min時保持在高水平，沒有出現(xiàn)大幅度的波動。轉速2100 r/min時，試樣的抗拉強度與屈服強度達到最大值，此時的材料在焊接過程中得到最為充分的攪拌，轉速與焊接速率的配比達到最佳。

(a)n=2000 r/min

(b)n=2100 r/min

(c)n=2200 r/min

(d)n=2300 r/min圖11 斷口形貌(焊速1 m/min)Fig.11 Fracture morphology (welding speed 1 m/min)

3 結論

(1)6005A鋁合金型材靜軸肩攪拌摩擦焊的焊縫表面光滑、減薄量小，無溝槽、裂紋等缺陷，焊接不產(chǎn)生飛邊。

(2)焊接傾角為0°時，軸肩附近的鋁合金焊材會附著在軸肩表面，破壞焊接成形，產(chǎn)生焊縫表面溝槽。將焊接傾角設定為2°可以有效避免焊縫表面產(chǎn)生溝槽缺陷，提高焊接質量。

(3)焊接速率保持在1 m/min時，6005A鋁合金型材靜軸肩攪拌摩擦焊接頭的抗拉強度最大值為222 MPa，達到母材的73%，屈服強度最大值為153 MPa，達到母材的55%，二者均出現(xiàn)在轉速2100 r/min時。轉速為1700 r/min、1800 r/min時，焊縫底部材料得不到充分攪拌，導致試樣背彎檢測時出現(xiàn)裂紋缺陷；轉速升高至1900 r/min及其以上時，焊縫底部的材料得到充分攪拌，流動性提升，缺陷消失。

(4)拉伸檢測后的試樣斷口出現(xiàn)在焊縫前進側與母材交界處，斷口表面有大量韌窩組織，沒有明顯的脆性斷裂組織，斷裂機制為韌性斷裂，焊縫晶粒分布均勻且細化程度隨著轉速增加不斷提高。