于明玉，朱 海，張 劍，襲著鑫，孫朝偉

(1.東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040；2.東北林業(yè)大學(xué) 工科教學(xué)實習(xí)中心，黑龍江 哈爾濱 150040)

無針攪拌摩擦焊(Pinless friction stir welding,PFSW)是在攪拌摩擦焊(FSW)的基礎(chǔ)上發(fā)展的一種新型固相焊接技術(shù)，PFSW與傳統(tǒng)攪拌摩擦焊相比最大的特點是僅有軸肩而沒有攪拌針，在軸肩下表面加工有溝槽以增強(qiáng)金屬的塑性流動。由于該焊接工藝沒有攪拌針，因此可以實現(xiàn)薄板的無匙孔閉合連接。因其具有焊接載荷小、改善接頭完整性等優(yōu)勢為薄板焊接提供了新的思路，因其可以得到強(qiáng)度可靠的無匙孔接頭而備受關(guān)注[1]。

唐博[2]等人研究了工藝參數(shù)對PFSW對接焊接頭性能的影響，得出在轉(zhuǎn)速1 200 r/min、焊接速度300 mm/min～400 mm/min時接頭的拉伸強(qiáng)度可達(dá)到母材的90%，伸長率可達(dá)到母材的80%。Wenya[3]等人研究了PFSW工藝參數(shù)對其接頭缺陷及性能的影響，發(fā)現(xiàn)在合理的焊接參數(shù)下，缺陷可以被消除，接頭的最大抗拉強(qiáng)度為326 N/mm2，約為基材的74.1%。Liu[4]研究了軸肩形貌對PFSW對接接頭性能的影響，指出六槽工具可以防止包鋁層進(jìn)入焊核區(qū)，改善接頭性能，接頭的抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值362 N/mm2，相當(dāng)于母材的85.1%。然而上述文獻(xiàn)均是針對PFSW焊接穩(wěn)定段接頭性能的研究，關(guān)于PFSW焊接起始端與末端的研究還未見報道。

2198-T4鋁鋰合金是一種比強(qiáng)度和比剛度高的新型航空航天鋁合金材料，與其他鋁合金相比較，可減輕結(jié)構(gòu)重量的10%。目前對于2198鋁鋰合金主要采用激光焊接，由于采用激光焊接鋁合金能量吸收率低，焊縫缺陷多等不足，PFSW成了很好的替代工藝，但目前有關(guān)2198鋁鋰合金PFSW對接焊研究尚未開展，對2198鋁鋰合金進(jìn)行PFSW工藝研究，對推進(jìn)和拓展攪拌摩擦焊的應(yīng)用具有較大的工程意義和價值。

本課題對2198-T4鋁鋰合金薄板進(jìn)行PFSW對接焊的工藝研究，將整條焊縫分為起始端、焊接穩(wěn)定的中間段和末端三部分，對所得三個部分的接頭進(jìn)行對比分析，并分別研究焊接速度對整條焊縫不同位置的焊核和焊接深度的影響及其規(guī)律，為PFSW的工程應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試驗方法

試驗采用1.8 mm厚的2198-T4鋁鋰合金板進(jìn)行PFSW對接焊試驗。該合金化學(xué)成分見表1。

表1 2198-T4鋁鋰合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Chemical compositions of 2198-T4 Al-Li alloy(wt/%)

PFSW對接焊試驗在XKA5032立式數(shù)控銑床上進(jìn)行，所用攪拌頭形貌如圖1所示，其軸肩直徑為12 mm，軸肩表面的溝槽深度為0.3 mm。焊接過程中攪拌頭逆時針旋轉(zhuǎn)，主軸傾角為2.5°，攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度均為1 200 r/min，試驗焊接速度分別為40 mm/min、70 mm/min、85 mm/min、100 mm/min、120 mm/min和160 mm/min，下壓量均為0.5 mm，起始端停留時間為15 s，末端停留時間2 s。焊后沿垂直于焊接方向在每條焊縫的起始端、末端及焊接穩(wěn)定段(中間段)截取焊縫橫截面試樣，制備4個金相試樣,試樣尺寸如圖2所示。焊核深度、焊接深度取平均值。

圖1 無針攪拌頭及軸肩形貌Fig.1 Pinless tool and shoulder

圖2 金相試樣尺寸(mm)Fig.2 Size of the metallographic sample(mm)

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 焊接位置與焊接深度的關(guān)系

旋轉(zhuǎn)速度1 200 r/min、焊接速度40 mm/min、焊接起始端停留時間為15 s、末端停留時間2 s的情況下，一條焊縫三個位置的宏觀形貌如圖3所示。可看出，焊接起始端和焊接末端存在的缺陷較為明顯(主要為未焊透缺陷)，但在焊接穩(wěn)定段得到了無缺陷且質(zhì)量較高的焊縫。

起始端焊接深度為809.9 μm，末端焊接深度僅為404.2 μm(如圖3a和圖3b)，而焊接穩(wěn)定段完全焊透(如圖3C和圖3d)，接頭無缺陷。其主要原因是在焊接起始端和末端的熱輸入主要為攪拌頭與板材間的定點旋轉(zhuǎn)摩擦熱。而在焊接穩(wěn)定段中，熱輸入變?yōu)閿嚢桀^端面與板材之間的滑動摩擦與旋轉(zhuǎn)摩擦，并且由于焊接傾角為2.5°，在焊接過程中攪拌頭端面與板材之間伴有材料的堆疊與遷移，這使得攪拌頭與板材間有擠壓變形的過程，焊接摩擦力較起始端顯著增大，生成的摩擦熱更多，熱輸入隨之增大；此時材料塑性較強(qiáng)，金屬塑性流動較好，焊核以及熱機(jī)影響區(qū)深度較大，焊接穩(wěn)定段無明顯缺陷，可實現(xiàn)1.8 mm厚度2198鋁鋰合金薄板的焊接。

圖3 各位置的接頭橫截面宏觀形貌Fig.3 Macroscopic morphologies of the cross section of the joint at each position

2.2 工藝參數(shù)的變化對焊接深度的影響

2.2.1 焊接速度對焊接穩(wěn)定段焊接深度的影響

轉(zhuǎn)速1 200 r/min、焊接速度分別為40 mm/min和80 mm/min所獲穩(wěn)定焊接段試樣的橫截面宏觀組織形貌如圖4。由圖4可以看出，其宏觀整體形貌與常規(guī)攪拌摩擦焊的相似，也可以將其大致分為四個區(qū)，分別為焊核區(qū)(NZ)、熱機(jī)影響區(qū)(TMAZ)、熱影響區(qū)(HAZ)及母材區(qū)(BM)，但由于沒有攪拌針的作用，焊核區(qū)近似呈現(xiàn)“碗”狀。對比圖4a和圖4b可以得出，焊接速度從40 mm/min提高到80 mm/min時，焊核區(qū)與熱機(jī)影響區(qū)的深度均有減小。分析認(rèn)為，這是由于焊接速度的變化導(dǎo)致了熱輸入的變化。當(dāng)攪拌頭轉(zhuǎn)速不變而焊接速度提高時，熱源移動加快，攪拌頭軸肩端面與板材上表面接觸時間不夠充分，導(dǎo)致板材單位面積內(nèi)熱源作用在材料表面時間變短，而此時通過空氣、攪拌頭及墊板損失的熱量基本保持不變，這使得摩擦所產(chǎn)生的熱源能量只能停留在材料表層，熱能傳遞效率降低。由于能量不能有效地導(dǎo)入材料內(nèi)部導(dǎo)致熱輸入降低，材料塑性流動較差，焊核深度與熱機(jī)影響區(qū)深度減小，從而使焊接深度明顯降低，圖4b中在HAZ中觀察到有未焊透缺陷。

圖4 穩(wěn)定焊接段試樣橫截面形貌Fig.4 Cross-sectional morphologies of the sample in the stable welding section

因此，焊接速度對穩(wěn)定焊接段的焊核區(qū)、熱機(jī)影響區(qū)的影響較大，并直接影響焊接深度。故穩(wěn)定焊接段的焊接深度隨著焊接速度的提高而逐漸減小。

2.2.2 焊接速度對不同焊接位置焊核深度的作用規(guī)律

為了清晰的表明焊接速度對不同焊接位置焊核深度的影響規(guī)律，測量了試驗所得每條焊縫起始端與穩(wěn)定焊接段(焊縫中間段)的焊核深度，根據(jù)每條焊縫中間段和起始端的數(shù)據(jù)分散情況，利用origin繪圖軟件繪制了不同焊接速度下焊縫起始端和中間段兩部分焊核深度的散點圖，如圖5所示。

圖5 工藝參數(shù)的變化與不同焊接位置焊核深度的關(guān)系圖Fig.5 Relationship between the change of process parameters and the depth of nugget at different welding positions

可以看出，起始端由于沒有焊接速度的參與，而停留時間皆為15 s，故焊核深度分布在500 μm～600 μm之間。而在焊接穩(wěn)定段，焊核深度有著隨著焊接速度的提高逐漸減小的趨勢。同時，焊接速度低于100 mm/min時，穩(wěn)定焊接段的焊核深度要大于起始端的焊核深度，而當(dāng)焊接速度大于100 mm/min時，穩(wěn)定焊接段的焊核深度小于起始端的。分析認(rèn)為，這是由于焊接速度變化導(dǎo)致焊縫穩(wěn)定段熱輸入發(fā)生變化，在焊接穩(wěn)定段的熱量由攪拌頭端面與板材間的滑動摩擦熱、旋轉(zhuǎn)摩熱擦和材料擠壓變形所產(chǎn)生的熱量組成；而起始端的熱量只來源于攪拌頭與材料間的摩擦熱。焊接速度低于100 mm/min時，焊接穩(wěn)定段所產(chǎn)生的熱能量要高于起始端的焊接熱，材料塑化較為充分，因此焊接穩(wěn)定段的焊核深度大于起始端的；當(dāng)焊接速度大于100 mm/min時，熱源在板材表面移動過快，材料所吸收熱能量的效率降低，焊接熱量不能有效地傳遞，導(dǎo)致熱輸入降低，金屬塑性流動較差，使焊接深度減小。

以上分析表明，焊接起始端與焊接末端是比較容易產(chǎn)生缺陷的焊接位置，焊接速度是焊接穩(wěn)定段的主要影響變量。改變焊接速度可以引起焊接熱輸入的變化，從而影響焊核區(qū)及熱機(jī)影響區(qū)的深度，進(jìn)一步影響接頭質(zhì)量。

3 結(jié) 論

1)成功實現(xiàn)了1.8 mm厚新型2198鋁鋰合金薄板無針攪拌摩擦焊焊接，并在攪拌頭轉(zhuǎn)速1 200 r/min、焊接速度40 mm/min參數(shù)下，得到了試樣穩(wěn)定焊接段(中間段)無缺陷的焊縫。

2)無針攪拌摩擦焊對接焊接頭組織與傳統(tǒng)攪拌摩擦焊對接焊的相似，接頭可分為焊核區(qū)(NZ)、熱機(jī)影響區(qū)(TMAZ)、熱影響區(qū)(HAZ)。焊接深度主要由焊核區(qū)與熱機(jī)影響區(qū)的深度決定，穩(wěn)定段焊接的深度隨焊接速度的提高而逐漸減小。

3)將焊縫劃分為起始端、穩(wěn)定焊接段(中間段)和末端三個段，并發(fā)現(xiàn)焊縫起始端與焊縫末端比焊縫中間段更容易產(chǎn)生缺陷。

4)焊接速度存在一個臨界值，當(dāng)焊接速度過高時將導(dǎo)致中間段的焊核深度減小，使焊接深度低于起始端和末端的。