崔云龍，張世欣，劉 桐

(中車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司，山東 青島 266111)

S線(xiàn)是鋁合金攪拌摩擦焊接接頭的一種常見(jiàn)缺陷，是攪拌摩擦焊的研究熱點(diǎn)之一[1-3]。諸多學(xué)者對(duì)S線(xiàn)的形貌特征及其產(chǎn)生原因進(jìn)行了研究，并構(gòu)建了多種理論模型解釋S線(xiàn)的形成過(guò)程[4-5]。主流觀點(diǎn)認(rèn)為S線(xiàn)的形成與氧化鋁顆粒有關(guān)，是坡口對(duì)接面氧化膜被攪拌針?lè)鬯橹笱趸X顆粒在焊縫中聚集形成的缺陷，塑性金屬流動(dòng)現(xiàn)象在此過(guò)程中發(fā)揮了重要作用[6-7]。

但是上述主流觀點(diǎn)在學(xué)術(shù)界并沒(méi)能獲得一致認(rèn)可，一方面是因?yàn)榕c主流觀點(diǎn)配套的多種理論模型缺乏實(shí)驗(yàn)結(jié)果支撐，另一方面是因?yàn)檫@些模型無(wú)法解釋S線(xiàn)的諸多形態(tài)特征。因此，現(xiàn)有的理論模型需要進(jìn)一步的改進(jìn)和細(xì)化[8-9]。本文作者提出氧化膜繞流模型對(duì)S線(xiàn)形成機(jī)制進(jìn)行說(shuō)明，并通過(guò)多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)對(duì)理論模型進(jìn)行驗(yàn)證，為攪拌摩擦焊的工程化應(yīng)用提供理論支持。

1 氧化膜繞流模型

通過(guò)板厚中間位置的平行剖面解析S線(xiàn)的形成過(guò)程。圖1為氧化膜繞流模型的示意圖。模型所分析的接頭為對(duì)接接頭，坡口為攪拌摩擦焊常用的I型坡口，即坡口角度為0°且不留間隙。

圖1 氧化膜繞流模型示意圖

在穩(wěn)定焊接過(guò)程中，攪拌摩擦焊的溫度場(chǎng)處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，攪拌針周?chē)蓛?nèi)到外以虛線(xiàn)為界可以劃分為三個(gè)環(huán)形區(qū)域：①區(qū)的溫度最高，材料受到攪拌頭的直接作用被徹底粉碎，塑性金屬的流動(dòng)性極強(qiáng)，圍繞攪拌針迅速旋轉(zhuǎn)；②區(qū)的溫度有所下降，但材料仍處于熱塑性狀態(tài)，具有較強(qiáng)的流動(dòng)性和變形能力；③區(qū)的溫度繼續(xù)下降，材料未處于熱塑性狀態(tài)，但較高的溫度會(huì)使坡口對(duì)接面的氧化膜迅速增厚[10]。

上述各區(qū)域左右兩側(cè)的尺寸有一定差別，這是由攪拌摩擦焊的產(chǎn)熱特性所決定的。攪拌針的前半部分在前進(jìn)過(guò)程中與材料發(fā)生顯著的擠壓和摩擦，此過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量熱量，受此影響由前進(jìn)側(cè)到后退側(cè)各區(qū)寬度持續(xù)增加；攪拌針的后半部分對(duì)材料的擠壓和摩擦較為輕微，產(chǎn)熱較少，受此影響由后退側(cè)到前進(jìn)側(cè)各區(qū)寬度持續(xù)減少。上述各區(qū)域的實(shí)際寬度很小，為了演示S線(xiàn)的形成過(guò)程，圖1對(duì)各區(qū)域進(jìn)行了放大。

隨著攪拌針向前運(yùn)動(dòng)，坡口對(duì)接面的氧化膜會(huì)依次經(jīng)歷如下過(guò)程：坡口對(duì)接面進(jìn)入③區(qū)，受攪拌摩擦焊的熱作用，氧化膜的厚度由常溫狀態(tài)下的2 μm～5 μm猛增到約100 μm；隨后坡口對(duì)接面進(jìn)入②區(qū)，氧化膜持續(xù)受熱發(fā)生軟化并具備了較強(qiáng)的變形能力；然后氧化膜跟隨熱塑性狀態(tài)的金屬一同沿著旋轉(zhuǎn)方向流動(dòng)，進(jìn)而繞過(guò)攪拌針運(yùn)行到側(cè)后方，再由后退側(cè)向前進(jìn)側(cè)移動(dòng)，越接近前進(jìn)側(cè)氧化膜受到的阻力就會(huì)越大，直到停滯不前；最終氧化膜離開(kāi)②區(qū)，流動(dòng)性喪失，逐漸冷卻形成S線(xiàn)。

如圖1所示，焊接過(guò)程中②區(qū)不斷有材料受熱進(jìn)入熱塑性狀態(tài)，裹挾著其中的氧化膜繞過(guò)攪拌針流動(dòng)，因此在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)劇烈攪拌的①區(qū)不會(huì)對(duì)坡口對(duì)接面的氧化膜產(chǎn)生直接作用。氧化膜在③區(qū)厚度猛增，這使得氧化膜在繞流過(guò)程中不會(huì)輕易破損，因此整個(gè)焊接過(guò)程中坡口兩側(cè)的材料一直被氧化膜分隔，沒(méi)能充分混合在一起。攪拌摩擦焊接頭中的S線(xiàn)正是氧化膜變形扭曲的產(chǎn)物。

繞流過(guò)程中氧化膜兩側(cè)的塑性金屬的流動(dòng)性有差異，靠近攪拌針一側(cè)的塑性金屬流速更快，因而流體的壓強(qiáng)更小，壓強(qiáng)的差異會(huì)導(dǎo)致氧化膜向內(nèi)凹陷，形狀產(chǎn)生波動(dòng)。氧化膜受力如圖2所示，當(dāng)氧化膜流動(dòng)到②區(qū)邊緣時(shí)，氧化膜阻礙了遠(yuǎn)離攪拌針一側(cè)的塑性金屬向前進(jìn)側(cè)移動(dòng)，此時(shí)氧化膜主要受到壓力P1、拉力F1、拉力F2、阻力F3等力的共同作用，并最終處于平衡狀態(tài)，其中P1為遠(yuǎn)離攪拌針一側(cè)的塑性金屬推動(dòng)氧化膜運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的壓力，F(xiàn)3為靠近攪拌針一側(cè)的塑性金屬阻礙氧化膜運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的阻力，F(xiàn)1、F2為兩邊的氧化膜對(duì)中間凸出的氧化膜的拉力。

圖2 氧化膜受力示意圖

2 理論模型的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本論文設(shè)計(jì)了兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，以此驗(yàn)證氧化膜繞流模型的正確性。

2.1 異種鋁合金焊接實(shí)驗(yàn)

焊接接頭前進(jìn)側(cè)的材料為6A01S-T5鋁合金，后退側(cè)的材料為5083P-O鋁合金，兩種鋁合金的耐腐蝕性能有較大差別。在試板居中位置截取金相試樣，使用溶液(15 g NaOH+100 mL H2O)在70 ℃水浴加熱條件下腐蝕6 min，焊接接頭低倍組織如圖3所示，圖中的短橫虛線(xiàn)為焊縫邊界，圖中的點(diǎn)狀虛線(xiàn)為S線(xiàn)。

由圖3可知，前進(jìn)側(cè)的6A01S-T5鋁合金顏色呈淺灰色，后退側(cè)的5083P-O鋁合金顏色呈深灰色，兩者顏色有較大的差別。S線(xiàn)左邊焊縫組織的顏色與后退側(cè)母材組織的基本一致；S線(xiàn)右邊焊縫組織的顏色與前進(jìn)側(cè)母材組織的基本一致。兩邊的焊縫組織以S線(xiàn)為界顏色差別明顯，既沒(méi)有過(guò)渡區(qū)域也幾乎沒(méi)有發(fā)生混合(除極少數(shù)毛刺)。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可證實(shí)焊接過(guò)程中坡口兩側(cè)的材料被分隔沒(méi)能充分混合在一起，這可以證明氧化膜在此過(guò)程中的重要作用，此現(xiàn)象與氧化膜繞流模型相符合。

圖3 異種鋁合金焊接接頭低倍組織

2.2 焊接接頭腐蝕實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)焊接接頭前進(jìn)側(cè)、后退側(cè)的材料均為6A01S-T5鋁合金。在試板居中位置截取金相試樣，使用特制試劑腐蝕5 min拍照，然后對(duì)同一塊金相試樣繼續(xù)腐蝕2 min再拍照。焊接接頭低倍組織如圖4所示，圖中的虛線(xiàn)為焊縫邊界。

由圖4a可知，腐蝕時(shí)間為5 min時(shí)，前進(jìn)側(cè)的6A01S-T5鋁合金顏色呈淺灰色，后退側(cè)的6A01S-T5鋁合金顏色要比前進(jìn)側(cè)的略深一些。焊縫中S線(xiàn)清晰可見(jiàn)，S線(xiàn)兩側(cè)的焊縫組織顏色差別較小，均呈淺灰色。

由圖4b可知，腐蝕時(shí)間為7 min時(shí)，前進(jìn)側(cè)的6A01S-T5鋁合金顏色呈深灰色，后退側(cè)的6A01S-T5鋁合金顏色要比前進(jìn)側(cè)的略深一些。焊縫中S線(xiàn)清晰可見(jiàn)，兩邊的焊縫組織以S線(xiàn)為界顏色差別明顯， S線(xiàn)左邊的焊縫組織顏色呈深灰色，S線(xiàn)右邊的焊縫組織顏色呈亮白色。

圖4 焊接接頭低倍組織對(duì)比

鋁合金金相組織的顏色由成分及第二相的形態(tài)特征決定。前進(jìn)側(cè)的母材帶有永久性襯墊，散熱條件明顯好于后退側(cè)的。因此，焊接過(guò)程中后退側(cè)的6A01S-T5鋁合金冷卻速度更慢，處于高溫的時(shí)間更長(zhǎng)，第二相受熱聚集長(zhǎng)大更顯著，這導(dǎo)致后退側(cè)的母材更易腐蝕，顏色比前進(jìn)側(cè)更深。焊縫S線(xiàn)左右兩側(cè)的鋁合金成分相同，顏色卻有如此顯著的差異，這說(shuō)明S線(xiàn)左右兩側(cè)的焊縫組織所經(jīng)受的熱過(guò)程有較大差別，因而造成第二相的形態(tài)特征彼此不同，氧化膜繞流模型可以解析這種差異。如前文所述，繞流過(guò)程中前進(jìn)側(cè)的焊縫金屬始終處于更貼近攪拌針的一側(cè)，溫度較高，大多數(shù)第二相受熱固溶于α-Al基體并隨著接頭的冷卻形成過(guò)飽和固溶體，因此前進(jìn)側(cè)的焊縫組織更耐腐蝕，顏色亮白；而后退側(cè)的焊縫金屬與前進(jìn)側(cè)的焊縫金屬之間始終隔著一層氧化膜，距離攪拌針較遠(yuǎn)，溫度低于前進(jìn)側(cè)，第二相受熱發(fā)生聚集和長(zhǎng)大，因此后退側(cè)的焊縫組織不耐腐蝕，顏色呈深灰色，與后退側(cè)的母材相近。

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果一方面再次佐證坡口兩側(cè)的材料被氧化膜分隔沒(méi)能充分混合在一起，另一方面證明坡口兩側(cè)的材料所經(jīng)受的焊接熱過(guò)程有較大差別，此現(xiàn)象與氧化膜繞流模型相符合。

3 焊接接頭剖切實(shí)驗(yàn)

由焊縫底部至上表面，塑性金屬的流動(dòng)性存在較大差別，這導(dǎo)致不同位置的氧化膜的角速度彼此不同。受此影響，氧化膜發(fā)生三維扭曲，因此S線(xiàn)在焊縫橫截面中的形態(tài)呈現(xiàn)為不規(guī)則的曲線(xiàn)，這在上述兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中也有所顯現(xiàn)。為了進(jìn)一步確定S線(xiàn)的演變規(guī)律，設(shè)計(jì)了攪拌摩擦焊接頭剖切實(shí)驗(yàn)，使用氧化膜繞流模型對(duì)S線(xiàn)的形態(tài)特征進(jìn)行分析。

焊接接頭前進(jìn)側(cè)、后退側(cè)的材料均為6A01S-T5鋁合金。在接頭起始端和終止端各截取一塊金相試樣，從試樣端部開(kāi)始每磨削1 mm～1.5 mm進(jìn)行一次宏觀金相檢測(cè)，以此研究S線(xiàn)在攪拌摩擦焊接頭中的形態(tài)特征和演變過(guò)程。實(shí)驗(yàn)所用腐蝕劑為燒堿溶液(15 g NaOH+100 mL H2O)，實(shí)驗(yàn)條件為70 ℃水浴加熱腐蝕8 min。試樣外觀如圖5所示，圖內(nèi)居中的實(shí)線(xiàn)是眾多剖切面中具有代表性的觀測(cè)截面，試驗(yàn)將據(jù)此進(jìn)行分析。

圖5 剖切試驗(yàn)的截面位置

起始端試樣的A、B、C線(xiàn)到端部實(shí)線(xiàn)的距離分別為5.78 mm、8.15 mm、9.65 mm，這三個(gè)截面的低倍組織如圖6所示。截面A位于攪拌摩擦焊起始區(qū)域，攪拌針已達(dá)到正常旋轉(zhuǎn)速度，但其移動(dòng)速度很慢。此時(shí)軸肩和攪拌針的摩擦產(chǎn)熱效率低下，受此影響氧化膜沒(méi)有來(lái)得及充分軟化變形便受到塑性金屬的剪切，最終氧化膜被粉碎并彌散分布于焊縫中，未能形成S線(xiàn)。截面B處于S線(xiàn)誕生的節(jié)點(diǎn)，隨著攪拌針移動(dòng)速度的提升，軸肩和攪拌針的摩擦產(chǎn)熱逐漸增加。焊縫上表面受軸肩作用溫度較高，氧化膜率先達(dá)到軟化變形狀態(tài)，進(jìn)而在上表面繞流形成少量S線(xiàn)。在截面C處，軸肩和攪拌針的摩擦產(chǎn)熱增大到整個(gè)坡口厚度的氧化膜都能達(dá)到軟化變形狀態(tài)，因此S線(xiàn)從上表面延伸至焊縫根部。但截面C處的產(chǎn)熱仍顯不足，S線(xiàn)的移動(dòng)能力較差，由圖6c也可見(jiàn)S線(xiàn)更靠近后退側(cè)。圖7為截面B左側(cè)的外觀形貌，經(jīng)過(guò)多次腐蝕S線(xiàn)顯現(xiàn)在試樣上表面，圖中的白色虛線(xiàn)為S線(xiàn)的軌跡，可見(jiàn)隨著攪拌針由起始端進(jìn)入穩(wěn)定焊接區(qū)域，摩擦產(chǎn)熱持續(xù)增大，S線(xiàn)逐漸遠(yuǎn)離后退側(cè)。

圖6 起始端各截面的低倍組織

圖7 截面B左側(cè)的S線(xiàn)軌跡

終止端試樣的D、E、F線(xiàn)到端部實(shí)線(xiàn)的距離分別為12.73 mm、9.99 mm、7.48 mm，這三個(gè)截面的低倍組織如圖8所示。截面D位于攪拌摩擦焊穩(wěn)定焊接區(qū)域，軸肩摩擦產(chǎn)生的熱量多于攪拌針，由下往上塑性金屬的流動(dòng)性會(huì)逐漸加強(qiáng)。受此影響越靠近上表面，繞流的氧化膜向前進(jìn)側(cè)移動(dòng)的能力越強(qiáng)，因此在焊縫底部，氧化膜的移動(dòng)能力較差，S線(xiàn)的停留位置更靠近后退側(cè)，而在焊縫頂部，氧化膜的移動(dòng)能力較強(qiáng)，S線(xiàn)的停留位置更靠近前進(jìn)側(cè)；截面E進(jìn)入焊接終止階段，攪拌針移動(dòng)速度開(kāi)始下降，相對(duì)于移動(dòng)速度攪拌針旋轉(zhuǎn)過(guò)快，貼近軸肩和攪拌針上端的一層塑性金屬溫度偏高甚至接近熔點(diǎn)，此時(shí)這一層塑性金屬的粘滯性很低以至于無(wú)法對(duì)其外圍的塑性金屬產(chǎn)生足夠的剪切力，相當(dāng)于一層潤(rùn)滑物質(zhì)，對(duì)軸肩和攪拌針的摩擦產(chǎn)熱有一定的抑制作用。受此影響，由下往上塑性金屬的流動(dòng)性先增強(qiáng)后減弱。因此在焊縫頂部和焊縫底部，氧化膜的移動(dòng)能力較弱，S線(xiàn)的停留位置更靠近后退側(cè)，而在焊縫中部，氧化膜的移動(dòng)能力較強(qiáng)，S線(xiàn)的停留位置更靠近前進(jìn)側(cè)；截面F處的S線(xiàn)形態(tài)特征與截面E相似，因摩擦產(chǎn)熱下降，S線(xiàn)距離后退側(cè)更近。圖9為截面F右側(cè)的外觀形貌，圖中的白色虛線(xiàn)為S線(xiàn)在上表面的軌跡，可見(jiàn)隨著攪拌針進(jìn)入終止端，摩擦產(chǎn)熱持續(xù)減少，S線(xiàn)逐漸靠近后退側(cè)。

圖8 終止端各截面的低倍組織

圖9 截面F右側(cè)的S線(xiàn)軌跡

4 消除S線(xiàn)的方法

由氧化膜繞流模型可知，S線(xiàn)是氧化膜軟化變形的產(chǎn)物，控制氧化膜的生成有利于消除S線(xiàn)。打磨是消除坡口氧化膜最簡(jiǎn)單的方式，但焊接過(guò)程中攪拌針周?chē)暮附訙囟葓?chǎng)會(huì)使坡口迅速氧化，重新形成有較大厚度的氧化膜。攪拌摩擦焊不具備電弧焊特有的陰極清理作用，重新形成的氧化膜會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)镾線(xiàn)，因此很難單獨(dú)依靠打磨來(lái)消除S線(xiàn)。有必要專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)工裝對(duì)打磨后的焊接坡口持續(xù)施加保護(hù)氣，避免坡口在焊接過(guò)程中受熱生成氧化膜，從而達(dá)到消除S線(xiàn)的目的。

由剖切試驗(yàn)可知，攪拌摩擦焊的工藝參數(shù)決定了摩擦產(chǎn)熱的情況，進(jìn)而影響到氧化膜的軟化和移動(dòng)，最終決定了S線(xiàn)的形態(tài)特征。焊接參數(shù)中最關(guān)鍵的是攪拌針的移動(dòng)速度和旋轉(zhuǎn)速度，適當(dāng)調(diào)整這兩項(xiàng)參數(shù)可以使穩(wěn)定焊接區(qū)域的狀態(tài)與起始端截面A的狀態(tài)相似，即軸肩和攪拌針的摩擦產(chǎn)熱效率保持在較低的水平，使氧化膜未能充分軟化變形就受到塑性金屬的剪切，使氧化膜被粉碎并彌散分布于焊縫中，進(jìn)而消除S線(xiàn)。具體來(lái)說(shuō)，提升攪拌針在穩(wěn)定焊接區(qū)域的旋轉(zhuǎn)速度或降低其移動(dòng)速度，可有效降低摩擦產(chǎn)熱效率。在這種情況下，攪拌針前方的氧化膜未能充分軟化變形，S線(xiàn)將難以生成。據(jù)此在原參數(shù)基礎(chǔ)上提高旋轉(zhuǎn)速度20%同時(shí)降低移動(dòng)速度10%進(jìn)行施焊，焊后在接頭中間位置截取試樣進(jìn)行金相檢測(cè)，結(jié)果如圖10所示。可見(jiàn)焊縫內(nèi)部?jī)H存在少量氧化鋁碎片，沒(méi)有再形成S線(xiàn)。

圖10 調(diào)整參數(shù)后的焊接接頭低倍組織

5 結(jié) 論

1)提出氧化膜繞流模型，解析了S線(xiàn)的形成機(jī)制：坡口對(duì)接面的氧化膜受焊接熱作用厚度迅速增加；氧化膜持續(xù)受熱發(fā)生軟化，具備了較強(qiáng)的變形能力；氧化膜隨熱塑性狀態(tài)的金屬沿旋轉(zhuǎn)方向流動(dòng)，繞過(guò)攪拌針運(yùn)動(dòng)到側(cè)后方；氧化膜由后退側(cè)向前進(jìn)側(cè)運(yùn)動(dòng)，直到受力達(dá)到平衡狀態(tài)；扭曲變形的氧化膜冷卻形成S線(xiàn)。

2)通過(guò)多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)對(duì)氧化膜繞流模型進(jìn)行了檢驗(yàn)，證實(shí)坡口兩側(cè)的材料被氧化膜分隔沒(méi)能充分混合在一起，且坡口兩側(cè)的材料所經(jīng)受的焊接熱過(guò)程有較大差別，此現(xiàn)象與氧化膜繞流模型相符合。

3)使用氧化膜繞流模型對(duì)剖切實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，確定焊接過(guò)程中摩擦產(chǎn)熱情況會(huì)直接影響到氧化膜的軟化和移動(dòng)，進(jìn)而決定了S線(xiàn)的形態(tài)特征和演變過(guò)程。

4)提出了兩種消除S線(xiàn)的方法：對(duì)打磨后的焊接坡口持續(xù)施加保護(hù)氣體，避免坡口在焊接過(guò)程中受熱生成氧化膜；調(diào)整攪拌針在穩(wěn)定焊接區(qū)域的旋轉(zhuǎn)速度和移動(dòng)速度，降低摩擦產(chǎn)熱效率，確保氧化膜在焊接過(guò)程中無(wú)法充分軟化變形。