朱 志 鄭森木 歐曉琴 余 超 王向東 宋海濱 唐 帥 蘇乂南

2219鋁合金機器人靜軸肩攪拌摩擦焊工藝研究

朱 志 鄭森木 歐曉琴 余 超 王向東 宋海濱 唐 帥 蘇乂南

（四川航天長征裝備制造有限公司，成都 610100）

以焊接厚度為5mm的2219-T87鋁合金為對象，基于庫卡重載工業(yè)機器人系統(tǒng)，自主設計了靜軸肩攪拌頭，進行了焊接工藝試驗，研究了工藝參數(shù)對焊縫成形、焊接缺陷、接頭組織及性能的影響，優(yōu)化獲取了焊接工藝規(guī)范。結果表明，設計的靜軸肩攪拌頭匹配優(yōu)化的工藝參數(shù)能穩(wěn)定實現(xiàn)2219鋁合金靜軸肩攪拌摩擦焊接，焊縫表面光滑平整，內部無缺陷，在攪拌針轉速1200r/min、焊速190mm/min時，接頭抗拉強度可達333MPa、延伸率5%。研究結果為2219鋁合金靜軸肩攪拌摩擦焊工程應用奠定基礎。

2219鋁合金；靜軸肩攪拌摩擦焊；攪拌頭結構設計；組織性能

1 引言

隨著我國航空航天、軌道交通、兵器工業(yè)以及船舶等行業(yè)的快速發(fā)展，結構輕量化、功能多樣性、連接性能優(yōu)質化是提高產品性能的必然發(fā)展途徑，以鋁合金為代表的輕質高強合金材料的應用越來越廣泛，低應力、小變形、無缺陷成為高性能制造的核心要素[1～2]。

為克服常規(guī)攪拌摩擦焊接（Friction Stir Welding，F(xiàn)SW）技術的局限性，英國焊接研究所在常規(guī)FSW的基礎上將軸肩與攪拌針分離，開發(fā)出靜止軸肩攪拌摩擦焊（Stationary Shoulder Friction Stir Welding，SSFSW）新技術[3～9]。與常規(guī)FSW相比，SSFSW技術具有以下顯著優(yōu)勢：焊接過程軸肩不旋轉僅攪拌針旋轉，焊接熱輸入更低，可進一步提高接頭性能，實現(xiàn)熱敏感性及低熱傳導材料的高性能焊接；軸肩只在工件表面滑動，焊接軸向力較小，焊縫表面光滑且可實現(xiàn)零減?。粩嚢栳樑c軸肩相對獨立，拓寬了焊接結構適應性[10～12]。SSFSW的上述特點為實現(xiàn)型號產品中廣泛存在的角接、法蘭及不等厚等結構高性能固相連接，解決當前采用的熔焊方法存在的諸多不足提供了可能。

本研究以5mm厚度2219-T87鋁合金為對象，基于機器人攪拌摩擦焊接平臺，設計靜軸肩攪拌頭，開展靜軸肩攪拌摩擦焊接試驗，對接頭進行缺陷檢測以及組織性能分析，研究攪拌頭結構及工藝參數(shù)對焊縫成形及接頭性能的影響，為靜止攪拌摩擦焊技術走向工程化，應用于型號產品提供技術支持。

2 靜軸肩攪拌頭結構設計

根據(jù)靜止軸肩攪拌摩擦焊接原理，采用的靜軸肩結構如圖1所示，包含靜軸肩面、排屑孔、散熱孔和標準螺紋接頭。其中，靜軸肩端部為平面結構，針對5mm焊接厚度所設計的靜軸肩直徑為18mm，排屑孔是為了實現(xiàn)焊接過程排除鋁屑，避免對攪拌針與軸肩間隙產生堵塞而影響焊接，靜軸肩與機器人主軸外固定件采用螺紋連接，螺紋接頭方便快速安裝和更換。

采用的攪拌針結構如圖2所示，為錐形+螺紋+三平面截面的組合特征，攪拌針長度為4.7mm，攪拌針端部直徑1為4mm，攪拌針根部直徑2為8mm，三個截面的深度為0.7mm，間隔120°均勻分布。同時，在攪拌針根部設計有直徑為為9mm的過渡軸面和相鄰的排屑軸面，兩個軸面可以增加攪拌摩擦焊接過程中的熱輸入及盡可能減小焊接過程中的“塞鋁”現(xiàn)象。

圖1 靜軸肩機構設計圖

圖2 攪拌針結構圖

靜軸肩及攪拌針之間裝配間隙為 0.2mm，所用材料皆為H13熱作模具鋼。

3 機器人靜軸肩攪拌摩擦焊接試驗

圖3 機器人靜軸肩攪拌摩擦焊試驗

表1 焊接試驗工藝參數(shù)

試驗材料為2219-T87高強度鋁合金試板，規(guī)格為300mm×150mm×5mm，焊接系統(tǒng)為庫卡KR1000 Titang機器人攪拌摩擦焊接平臺，裝配和焊接過程如圖3。攪拌頭傾角為2°，機器人焊接使用恒定位移，保持軸肩下壓量為0.2mm，攪拌針轉速變化范圍為1200～1500r/min，焊接速度變化范圍100～235mm/min，研究二者對接頭表面成形、微觀組織以及性能的影響，優(yōu)化工藝規(guī)范。具體焊接參數(shù)如表1所示。

4 結果與分析

4.1 接頭表面成形

固定攪拌針轉速1500r/min，焊縫形貌隨著焊速的變化如圖4所示。當焊速從100～235mm/min變化時，所有焊縫均無飛邊產生，減薄凹陷不明顯，均有軸肩滑痕特征，焊縫形貌光滑平整。由于焊縫寬度主要與攪拌頭軸肩直徑呈正相關，因此所有接頭的焊縫寬度無明顯差異。當焊速增加到235mm/min時，焊縫表面有斷續(xù)的溝槽缺陷，這主要因為焊速過大時，焊接產熱較低導致塑性金屬流動不充分所致。

固定焊接速度190mm/min，攪拌針轉速從1500r/min減小到1200r/min，焊縫表面形貌如圖5所示，接頭表面形貌規(guī)整平滑，無溝槽、孔洞等焊接缺陷產生。試驗結果表明，轉速1200～1500r/min，焊速100～190mm/min皆能實現(xiàn)5mm厚2219鋁合金良好穩(wěn)定焊接。

圖4 焊接速度對焊縫表面的影響

圖5 焊接轉速對焊縫表面的影響

4.2 接頭宏觀形貌

固定攪拌針轉速1500r/min、焊接速度100～235mm/min范圍內變化的焊縫宏觀形貌如圖6所示，固定焊速100mm/min、攪拌針轉速1200～1500r/min范圍內變化的焊縫宏觀形貌如圖7所示，金相檢測顯示所有試板的焊縫接頭均無孔洞、裂紋和弱結合缺陷。當轉速固定，在SSFSW攪拌頭結構尺寸不變條件下，熱塑性材料變形量的大小與焊接熱輸入量近似成正相關。焊接熱輸入量的大小與的比值相關，攪拌針轉速越大，焊接速度越小，焊接熱輸入量相對增加，在攪拌針的劇烈旋轉摩擦帶動下形成更多的熱塑性材料。因此，焊接熱輸入較大時，焊核區(qū)和熱機影響區(qū)的寬度相對較大；當固定焊速，隨著轉速的增加，變大，焊接熱輸入變大。因此，攪拌頭高轉速作用時焊縫區(qū)熱塑性金屬材料流動阻力減小，形成的焊核區(qū)域較大；當轉速較低時，焊縫區(qū)明顯變窄。其它焊速下，不同攪拌針轉速的接頭宏觀形貌特點及變化與之相似。

圖6 攪拌頭轉速1500r/min的接頭宏觀形貌

圖7 攪拌針轉速100mm/min的接頭宏觀形貌

4.3 接頭微觀組織

采用SEM觀察接頭各區(qū)的增強相分布特征，如圖8所示。各區(qū)的增強相為Al2Cu，尺寸在1～10μm范圍內，呈顆粒狀且彌散分布在α-Al基體中。母材區(qū)BM的Al2Cu沿著軋制線水平分布，熱機影響區(qū)TMAZ的Al2Cu沿著彎曲變形α-Al晶界斜向上分布，而焊核區(qū)WNZ的Al2Cu增強相沿著α-Al等軸晶晶界斷續(xù)分布。仔細對比發(fā)現(xiàn)，焊核區(qū)WNZ的Al2Cu彌散顆粒相的尺寸明顯小于BM與TMAZ區(qū)的Al2Cu相尺寸。劇烈的機械攪拌、復雜塑性變形等作用促進粗大Al2Cu相破裂并沿著α-Al晶界均勻分布。

圖8 增強相的分布特征

4.4 接頭力學性能

圖9 SSFSW對接焊接頭顯微硬度分布特征

沿著焊縫橫截面中間位置從左至右，均勻打點測試接頭顯微硬度值，測試區(qū)域橫跨母材、熱影響區(qū)、熱機影響區(qū)和焊核區(qū)。顯微硬度分布如圖9所示，硬度值整體呈“W”形分布，焊核中心硬度值分布在90～100HV，與母材硬度相比降低了50～40HV。所有接頭的最低硬度均出現(xiàn)在軟化的HAZ區(qū)域，這是由于該區(qū)域經歷高溫熱循環(huán)，組織粗化和強化相析出長大造成的。焊核區(qū)的顯微硬度增大，這與焊核區(qū)動態(tài)再結晶形成細小等軸晶粒有關。另外，在固定轉速條件下，隨著焊接速度的增大，焊核區(qū)的顯微硬度均值呈增大的趨勢，這與焊核區(qū)α-Al等軸晶尺寸變化密切相關。相關研究表明，隨著焊接速度的增加，焊接熱輸入量相對減小，焊接接頭軟化區(qū)寬度逐漸減小。

經檢測，焊縫質量滿足QJ 20045規(guī)定的I級焊縫要求，接頭機械性能如表2所示，抗拉強度皆超過母材的70%、延伸率超過4%。在攪拌針轉速1200r/min、焊速190mm/min時，接頭拉伸性能最佳，抗拉強度達333MPa、延伸率達5%。當轉速為1500r/min，焊速從100mm/min依次增加到150mm/min、190mm/min、235mm/min時，試板抗拉強度均值從317MPa逐漸增加到327MPa，但斷后伸長率呈輕微下降趨勢。結合轉速1200r/min焊接的兩組試板抗拉強度，適當提高焊速有利于改善接頭強度和提高焊接效率。

表2 不同焊接參數(shù)下接頭機械性能

5 結束語

a. 基于機器人攪拌摩擦焊接系統(tǒng)，完成了靜軸肩攪拌摩擦焊攪拌頭結構設計，實現(xiàn)了穩(wěn)定焊接。

b. 靜軸肩攪拌摩擦焊縫表面規(guī)整平滑，無飛邊，基本無減薄，攪拌針轉速1200～1500r/min、焊速100～190mm/min內皆能實現(xiàn)5mm厚2219鋁合金成形良好、無缺陷的可靠焊接。

c. 強化相的析出形態(tài)及分布狀態(tài)使得接頭各區(qū)顯微硬度有較大差異，整體呈現(xiàn)“W”形分布；接頭質量及性能滿足QJ 20045規(guī)定的I級焊縫標準，當攪拌針轉速1200r/min、焊速190mm/min時，接頭達最大抗拉強度333 MPa、延伸率5%。

d. 本研究為2219鋁合金靜軸肩攪拌摩擦焊的工程應用奠定基礎。

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Research on Robotic Stationary Shoulder Friction Stir Welding Process of Aluminum Alloy

Zhu Zhi Zheng Sengmu Ou Xiaoqin Yu Chao Wang Xiangdong Song Haibin Tang Shuai Su Yinan

(Sichuan Aerospace Changzheng Equipment Manufacturing Co., Ltd., Chengdu 610100)

Based on KUKA heavy load industrial robot, the stationary shoulder friction stir welding tool was designed and the welding experiment was completed with 2219-T87 aluminum alloy of 5mm thickness. The effect of welding parameters on weld formation, welding defect, microstructure and mechanical property of the weld joint were studied, and then the welding parameters were optimized. The result showed that the stationary shoulder friction stir welding process could stably complete with the designed tool when matching the optimized process parameters. The surface of the weld seam was smooth, and there is no defect in the joint. When welding with rotation speed of 1200r/min and welding speed of 190mm/min, the welding joint tensile strength was up to 333MPa and the elongation up to 5%. The results of the study provided a basis for engineering application of stationary shoulder stir friction welding of 2219 aluminum alloy.

2219 aluminum alloy；stationary shoulder friction stir welding；structure design of friction stir tool；microstructure and mechanical property

TG457.1

A

四川省科技計劃項目資助（2021YFG0057）。

朱志（1991），工程師，機械工程專業(yè)；研究方向：先進連接技術研究。

2022-09-07