無針攪拌摩擦點(diǎn)焊技術(shù)*

褚 強(qiáng)，李文亞，楊夏煒，王衛(wèi)兵

（1.西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院，西安 710072；2.中國(guó)攪拌摩擦焊中心，北京 100024）

無針攪拌摩擦點(diǎn)焊技術(shù)*

褚 強(qiáng)1，李文亞1，楊夏煒1，王衛(wèi)兵2

（1.西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院，西安 710072；2.中國(guó)攪拌摩擦焊中心，北京 100024）

為了消除攪拌摩擦點(diǎn)焊固有的“匙孔”缺陷，采用無針攪拌摩擦點(diǎn)焊（probeless friction stir spot welding，P-FSSW）工藝，在不同的焊接參數(shù)下對(duì)新型鋁鋰合金2198-T8進(jìn)行了點(diǎn)焊試驗(yàn)，并分析了點(diǎn)焊接頭的金相組織及其力學(xué)性能。結(jié)果表明，無針攪拌摩擦點(diǎn)焊工藝可以有效消除 “匙孔”缺陷，但受工藝限制，無針攪拌摩擦點(diǎn)焊焊接工藝較適用于低熔點(diǎn)合金及薄板焊接。

焊接；攪拌摩擦點(diǎn)焊；微觀組織；力學(xué)性能

1 概 述

輕量化設(shè)計(jì)與制造已成為航空航天、汽車船舶、高速列車等工業(yè)制造領(lǐng)域的主要發(fā)展方向。鋁合金因具有密度小、比強(qiáng)度高、耐蝕性和成型性好、成本低等一系列優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)大幅代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼材成為重要的研究和生產(chǎn)材料[1]。在眾多工業(yè)領(lǐng)域中，鋁合金常用于重要結(jié)構(gòu)件，如飛機(jī)（蒙皮、翼梁、壁板等）、火箭殼體、艦艇船身、航母（甲板、升降機(jī)、艙室等）、汽車輪轂、列車箱體等其他結(jié)構(gòu)，因此鋁合金連接技術(shù)的可靠性和高效性對(duì)其長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展至關(guān)重要[2]。

攪拌摩擦焊（friction stir welding，F(xiàn)SW）是一種高效、節(jié)能、環(huán)保的固相焊接技術(shù)，焊接原理如圖1所示[3]。焊接過程通過攪拌頭促使被焊材料的焊縫金屬流動(dòng)，形成均勻致密的焊核，從而獲得高質(zhì)量接頭。鋁合金攪拌摩擦焊接成型過程中，材料未發(fā)生熔化，因而接頭可以避免氣孔、裂紋等金屬凝固缺陷，接頭強(qiáng)度較高；同時(shí)由于焊接能量的輸入比較低，焊后工件應(yīng)力低、變形小，因而攪拌摩擦焊是一種經(jīng)濟(jì)、高效的 “綠色焊接工藝”，被稱為21世紀(jì)革命性的新型連接技術(shù)。在此基礎(chǔ)上演變出多種固相焊接技術(shù)，例如雙軸肩攪拌摩擦焊，靜止軸肩攪拌摩擦焊，攪拌摩擦釬焊等[4-6]。

圖1 攪拌摩擦焊原理圖

攪拌摩擦點(diǎn)焊（frictionstirspotwelding，F(xiàn)SSW）是1993年由日本Mazda公司在FSW基礎(chǔ)上發(fā)展的一種點(diǎn)連接工藝，且目前已在航空、航天、船舶、汽車等工業(yè)領(lǐng)域逐步發(fā)展成為取代電阻點(diǎn)焊、鉚接等傳統(tǒng)連接技術(shù)的最佳新型工藝之一[7]。攪拌摩擦點(diǎn)焊過程如圖2所示[7]，攪拌摩擦點(diǎn)焊在焊后會(huì)不可避免的留下“匙孔”，影響接頭的耐蝕性能和力學(xué)性能，在一些重要的結(jié)構(gòu)件上嚴(yán)重影響接頭可靠性。

為消除FSSW接頭中存在的“匙孔”缺陷，提高接頭性能，德國(guó)HZG研究中心（原GKSS）于1999年率先發(fā)明了回填式FSSW工藝，焊接過程如圖3所示[8]，該工藝采用了特殊結(jié)構(gòu)的攪拌頭。該攪拌頭由攪拌針、袖筒及夾緊環(huán)組成，攪拌針和袖筒由同一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制其同速同方向旋轉(zhuǎn)，同時(shí)各自還可以沿軸向相對(duì)運(yùn)動(dòng)。但FSSW工藝設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且控制精度要求高。

圖2 攪拌摩擦點(diǎn)焊過程示意圖

圖3 回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊過程示意圖

2009年日本Bakavos等[9]學(xué)者發(fā)明了一種新型FSSW工藝，無針攪拌摩擦點(diǎn)焊（probeless friction stir spot welding，P-FSSW），焊接過程如圖4所示。P-FSSW工藝的創(chuàng)新點(diǎn)在于去掉了常規(guī)攪拌頭軸肩端面的攪拌針，依靠軸肩端面對(duì)工件的旋轉(zhuǎn)和擠壓作用，促使焊縫金屬流動(dòng)，形成良好接頭，采用的工具及焊接過程較為簡(jiǎn)單。同期，國(guó)內(nèi)北京625研究所（北京賽福斯特技術(shù)有限公司）提出相同的技術(shù)，流動(dòng)摩擦點(diǎn)焊，并且申請(qǐng)了專利，專利號(hào)ZL200910238020.1。

圖4 無針攪拌摩擦點(diǎn)焊過程示意圖

目前，關(guān)于無針攪拌摩擦點(diǎn)焊的相關(guān)研究報(bào)道較少，主要集中在成型工藝研究，但是接頭結(jié)構(gòu)與性能相關(guān)性研究鮮有報(bào)道。因此，本研究以新型鋁鋰合金2198-T8為研究對(duì)象，重點(diǎn)分析無針攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭組織，結(jié)構(gòu)與性能等的相關(guān)性。

2 試驗(yàn)材料及方法

焊接材料選用1.8 mm厚2198-T8鋁鋰合金，其主要化學(xué)成分見表1。焊接所用無針攪拌頭結(jié)構(gòu)如圖5所示。攪拌頭軸肩直徑15 mm，與傳統(tǒng)攪拌摩擦點(diǎn)焊相比，軸肩端面無攪拌針，通過漸開線凹槽促進(jìn)材料流動(dòng)（見圖 5（b））。

表1 2198-T8鋁鋰合金的化學(xué)成分 %

圖5 無針攪拌頭結(jié)構(gòu)示意圖

無針攪拌摩擦點(diǎn)焊完成后，將試樣拋光，并用 Keller試劑（2.5 mL HNO3、 1.5 mL HCl、 1 mL HF和95 mL H2O）腐蝕，然后通過光學(xué)顯微鏡觀察接頭的橫截面組織。本試驗(yàn)中，性能評(píng)價(jià)指標(biāo)為接頭的拉剪強(qiáng)度，每組工藝選取三個(gè)試樣，拉剪速率選用1 mm/min。拉伸試驗(yàn)后，采用三維形貌儀觀察試樣的斷裂形貌。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 典型接頭形貌

采用主軸轉(zhuǎn)速950 r/min，停留時(shí)間6 s，下壓量0.3 mm的焊接參數(shù)進(jìn)行無針攪拌摩擦點(diǎn)焊，點(diǎn)焊接頭的典型形貌如圖6所示[10]。

與常規(guī)攪拌摩擦點(diǎn)焊相比，無針點(diǎn)焊完全消除了 “匙孔”缺陷。板材原始組織為軋制組織，呈粗大的帶狀組織。焊接過程中，攪拌區(qū)（stir zone，SZ）經(jīng)受了強(qiáng)烈的變形及充足的摩擦熱，發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，組織細(xì)小且均勻致密，無明顯空洞、隧道等缺陷（見圖 6（b））。 熱力影響區(qū)（thermo-mechanially affected zone，TMAZ）受到攪拌區(qū)金屬流動(dòng)的擠壓作用，晶粒發(fā)生較大程度的變形，且晶粒尺寸大于攪拌區(qū)的組織。在熱力影響區(qū)和攪拌區(qū)邊界處，由于充分的熱輸入和變形，該區(qū)域由細(xì)小等軸晶和變形晶粒組成（見圖6（c））。 而熱影響區(qū)（heat affected zone，HAZ）僅受到摩擦熱的作用，晶粒發(fā)生粗化。在攪拌區(qū)外緣處，由于焊接過程中金屬向外向上流動(dòng)，造成界面向上偏移，從而形成了hook形貌（見圖6（d）），hook區(qū)域?yàn)榻宇^的弱連接區(qū)域。同時(shí)部分向外流動(dòng)的金屬被擠出形成飛邊（見圖6（e））。在攪拌區(qū)中心底部區(qū)域可觀察到黑色區(qū)域，該區(qū)域是由于金屬擠壓造成的組織較為致密，從而使得腐蝕效果出現(xiàn)差異（見圖6（f））。

圖6 P-FSSW接頭的宏觀及微觀組織

3.2 Hook形貌與力學(xué)性能的相關(guān)性

由于點(diǎn)焊接頭的連接過程主要是界面的演變行為，因此,界面行為很重要，觀察研究界面的變化可有助于解釋成形機(jī)理以及探索控制方法。在點(diǎn)焊接頭中界面不可避免地形成hook缺陷，研究表明hook形成原因主要是下板材料的向上流動(dòng)造成的界面遷移，以及界面氧化物的不完全破碎所引起的，hook區(qū)域?yàn)槿踹B接區(qū)。因此，接頭連接性能主要取決于界面行為尤其是hook形貌[11-13]。

不同轉(zhuǎn)速和停留時(shí)間下hook形貌的演變過程如圖7所示，不同轉(zhuǎn)速和停留時(shí)間與點(diǎn)焊接頭力學(xué)性能的關(guān)系如圖8所示。由圖7和圖8可見，接頭強(qiáng)度呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢(shì)，在焊接停留時(shí)間為6 s時(shí)達(dá)到最高；當(dāng)停留時(shí)間由3 s增大到6 s時(shí)，接頭性能提高了92%；隨著停留時(shí)間的增加，熱輸入增大，材料軟化，流動(dòng)能力提高，同時(shí)為焊接過程中攪拌區(qū)的擴(kuò)展提供了充足的時(shí)間。熱力作用下攪拌區(qū)金屬向外向上流動(dòng)，界面向上發(fā)生翹曲，觀察其對(duì)應(yīng)的性能，發(fā)現(xiàn)接頭連接強(qiáng)度與hook形貌密切相關(guān)。裂紋容易在hook尖端萌生，當(dāng)hook逐漸向上擴(kuò)展時(shí)，上板有效厚度降低，承載能力降低。在承受較低的外力下，接頭發(fā)生失效。

無針攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭的斷裂模式如圖9所示。由圖9可見，拉伸試樣的失效有兩種斷裂模式，即剪切斷裂和剝離斷裂。剪切斷裂是由于焊接停留時(shí)間較短，攪拌區(qū)擴(kuò)展較弱，使得兩板界面變形小，當(dāng)試樣受外力時(shí)，裂紋直接沿界面擴(kuò)展導(dǎo)致斷裂。隨焊接時(shí)間增長(zhǎng)，界面向上彎曲加劇，上板有效厚度降低，裂紋由界面直接擴(kuò)展至上板表面，最終攪拌區(qū)被剝離留在下板。

圖7 不同轉(zhuǎn)速和停留時(shí)間下hook形貌的演變過程

圖8 不同轉(zhuǎn)速和停留時(shí)間與點(diǎn)焊接頭力學(xué)性能的關(guān)系

圖9 無針攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭的斷裂模式

為定量研究hook形貌與斷裂模式的相關(guān)性，定義hook高度n與hook間距m，對(duì)不同參數(shù)下兩個(gè)數(shù)值進(jìn)行歸一化（其中板厚d，軸肩直徑D），結(jié)果如圖10所示。由圖10可見，n/d與m/D兩個(gè)比值變化趨勢(shì)基本一致，隨著hook缺陷的向上擴(kuò)展，兩比值均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，而對(duì)應(yīng)的斷裂模式也由剪切斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)閯冸x斷裂。由圖10可見，當(dāng)n/d在0.5附近時(shí)，斷裂模式發(fā)生轉(zhuǎn)變，此時(shí)對(duì)應(yīng)的焊接停留時(shí)間為6 s，接頭性能也最佳。

圖10 hook形貌與斷裂模式的相關(guān)性

由此可知，接頭連接強(qiáng)度及斷裂模式均與界面hook缺陷密切相關(guān)。為了消除hook缺陷，提高接頭連接強(qiáng)度，Li等[14]提出了復(fù)合式攪拌摩擦點(diǎn)焊方法（FSSW-FSW），其焊接過程如圖11所示。對(duì)比FSSW-FSW和P-FSSW接頭形貌及連接強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)FSSW-FSW接頭界面的hook缺陷被成功消除，且接頭連接強(qiáng)度提高近一倍。

圖11 復(fù)合式攪拌摩擦點(diǎn)焊過程示意圖

3.3 無針攪拌摩擦縫焊相關(guān)研究及展望

無針攪拌摩擦焊工藝除了能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)連接，還可以實(shí)現(xiàn)縫連接。在無針攪拌摩擦搭接接頭中，與點(diǎn)焊接頭相似，仍可觀察到界面hook缺陷，嚴(yán)重影響接頭連接效果。而在對(duì)接接頭中，常見根部未焊合缺陷（S線），在接頭受外力時(shí)容易引起失效。Kim等[15]和Mira-Aguiar等[16]采用無針攪拌摩擦焊分別實(shí)現(xiàn)0.5 mm和1 mm鋼板連接，同樣發(fā)現(xiàn)根部未焊合缺陷。

相比于常規(guī)攪拌摩擦焊，無針攪拌摩擦焊由于沒有攪拌針的攪拌作用，被焊材料受力及塑化程度較弱，這限制了無針攪拌摩擦焊可實(shí)現(xiàn)焊接的材料及板厚。目前，無針攪拌摩擦焊接工藝主要適用于低熔點(diǎn)合金及薄板焊接[17-18]，如何改善無針攪拌摩擦焊接工藝，以擴(kuò)展其應(yīng)用范圍，實(shí)現(xiàn)難熔難焊金屬、異質(zhì)金屬、厚板及異厚板的焊接，是無針攪拌摩擦焊接的發(fā)展方向。

4 結(jié) 論

（1）無針攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭包含三個(gè)特征區(qū)：攪拌區(qū)、熱力影響區(qū)和熱影響區(qū)，并且在界面處形成hook缺陷。

（2）隨著hook缺陷擴(kuò)展，接頭連接強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。通過觀察斷裂形貌，無針攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭存在兩種失效模式：剪切斷裂和剝離斷裂，并且兩種斷裂模式均與hook缺陷密切相關(guān)。

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Probeless Friction Stir Spot Welding Technology

CHU Qiang1，LI Wenya1，YANG Xiawei1，WANG Weibing2
（1.School of Materials Science and Engineering,Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710072,China;2.China FSW Center,Beijing 100024,China）

In order to eliminate the keyhole which appeared normally in conventional friction stir spot welding(FSSW)joints,2198-T8 Al-Li alloy had been taken spot welding by probeless friction stir spot welding(P-FSSW),and metallographic structure and mechanical property of welded joint were analyzed.The results showed that P-FSSW process could effectively eliminated the keyhole defect,but limited to the process,P-FSSW process applied to low-melting-point alloy and sheet welding.

welding;friction stir spot welding;microstructure;mechanical property

TG453.9

A

10.19291/j.cnki.1001-3938.2017.11.003

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“冷噴涂熱沖擊與噴丸效應(yīng)協(xié)同誘導(dǎo)高強(qiáng)鋁合金攪拌摩擦焊接頭強(qiáng)韌化機(jī)制及可控性研究”（項(xiàng)目編號(hào)51574196）；航空科學(xué)基金項(xiàng)目“流動(dòng)摩擦點(diǎn)焊接頭形成機(jī)理研究”（項(xiàng)目編號(hào)20161125002）。

褚 強(qiáng)（1991—），男，河南長(zhǎng)葛人，博士，主要從事鋁合金無針攪拌摩擦點(diǎn)焊研究。

2017-09-12

編輯：謝淑霞