鋁合金攪拌摩擦焊接頭根部缺陷控制

周平

(江西工程學(xué)院,江西 新余 338000)

0 前言

攪拌摩擦焊(FSW)根部缺陷是指在鋁合金對(duì)接接頭焊縫底部未形成連接或不完全連接而出現(xiàn)的缺陷。接頭根部缺陷可分為由不連續(xù)微裂紋構(gòu)成的弱結(jié)合缺陷和由連續(xù)狀裂紋構(gòu)成的未焊透缺陷2種，隨著焊接速度的增加，根部缺陷會(huì)由弱結(jié)合缺陷逐漸過(guò)渡到未焊透缺陷。根部缺陷是限制攪拌摩擦焊(FSW)技術(shù)在工程產(chǎn)品上廣泛應(yīng)用的問題之一，由于這類缺陷尺寸較小，很難通過(guò)無(wú)損檢測(cè)的方法檢測(cè)到，而接頭根部缺陷對(duì)接頭力學(xué)性能又會(huì)產(chǎn)生很大的影響，因此對(duì)接頭根部缺陷的控制研究非常重要[1-4]。

文中對(duì)鋁合金攪拌摩擦焊(FSW)接頭根部缺陷形成機(jī)理進(jìn)行分析，在掌握根部缺陷形成機(jī)理的基礎(chǔ)上，提出優(yōu)化措施從而達(dá)到有效抑制根部缺陷產(chǎn)生的目的，對(duì)于鋁合金攪拌摩擦焊產(chǎn)品質(zhì)量的提高具有重要意義。

1 接頭根部缺陷形成機(jī)理探析

圖1為攪拌摩擦焊根部局部區(qū)域及材料流動(dòng)速度示意圖。在攪拌摩擦焊(FSW)過(guò)程中，攪拌針端部與墊板之間的局部相對(duì)位置如圖1a所示，由于攪拌針不可能穿透被焊接的材料，所以攪拌針端部與墊板之間有一高度H，H內(nèi)的材料與攪拌針端部平面和墊板2個(gè)剛性體緊密接觸，并受力的作用。在攪拌頭的旋轉(zhuǎn)攪拌及產(chǎn)熱作用下，高度H內(nèi)的根部材料出現(xiàn)不均勻流動(dòng)并產(chǎn)生塑性應(yīng)變。根據(jù)剛塑性理論，應(yīng)變速率與變形速度間關(guān)系如下：

(1)

圖1 攪拌摩擦焊根部局部區(qū)域及材料流動(dòng)速度示意圖

綜合分析，產(chǎn)生根部缺陷的原因在于攪拌頭下方的材料流動(dòng)狀態(tài)不理想，而改善材料流動(dòng)狀況可以通過(guò)攪拌頭優(yōu)化及工藝參數(shù)優(yōu)化的方式來(lái)解決[5-8]。

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 攪拌頭優(yōu)化設(shè)計(jì)

圖2a和圖2b分別為優(yōu)化前和優(yōu)化后攪拌頭的宏觀形貌。優(yōu)化前攪拌頭的攪拌針與軸肩為整體式，軸肩為凹弧狀，攪拌針為四棱柱帶螺紋型。優(yōu)化后攪拌頭的攪拌針與軸肩為可調(diào)式，攪拌針為圓柱帶螺紋型，同時(shí)，攪拌頭軸肩面與攪拌針頂面也進(jìn)行了特殊處理。

圖2 攪拌頭宏觀形貌

為驗(yàn)證優(yōu)化后的攪拌頭效果，采用5 mm厚6082-T6鋁合金為研究材料進(jìn)行FSW，穩(wěn)態(tài)條件下焊接工藝參數(shù)與優(yōu)化前的焊接參數(shù)保持一致，采用的焊接參數(shù)為：攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度分別為1 000 r/min，1 400 r/min，1 800 r/min，2 200 r/min，焊接速度分別為100 mm/min，200 mm/min，300 mm/min，400 mm/min，600 mm/min，下壓量0.2 mm,攪拌頭與板材傾角2.5°。

2.2 工藝參數(shù)優(yōu)化

由于攪拌頭頂端到材料低端的間隙有0.1 mm左右，在實(shí)際攪拌摩擦焊(FSW)操作中，由于機(jī)械結(jié)構(gòu)反彈，間隙往往大于設(shè)定的0.1 mm，就會(huì)導(dǎo)致根部缺陷的產(chǎn)生。所以在優(yōu)化攪拌頭的時(shí)候，適當(dāng)增大攪拌頭下壓力，攪拌頭下壓力由約7 900 N增大至10 500 N，下壓力使間隙變小，有利于底部材料的流動(dòng)和缺陷的消除。

3 優(yōu)化前后接頭性能變化

3.1 接頭彎曲性能變化

選取具有代表性的1 800 r/min,600 mm/min焊接工藝參數(shù)作為優(yōu)化前后接頭力學(xué)性能的對(duì)比分析，優(yōu)化前后接頭背面均未經(jīng)任何處理。圖3為焊接工藝參數(shù)1 800 r/min，600 mm/min時(shí)6082-T6鋁合金攪拌摩擦焊接(FSW)接頭優(yōu)化前后的彎曲性能對(duì)比圖。從圖3a中可以看出，優(yōu)化前接頭由于根部缺陷的存在，接頭彎曲角達(dá)到40°時(shí)根部即出現(xiàn)裂紋。而優(yōu)化后，接頭的彎曲角可以達(dá)到180°無(wú)裂紋，如圖3b所示。

圖3 參數(shù)為1 800 r/min,600 mm/min時(shí)接頭優(yōu)化前后彎曲性能

對(duì)優(yōu)化前接頭根部出現(xiàn)缺陷的焊接工藝參數(shù)，采用優(yōu)化條件后對(duì)其進(jìn)行焊接，優(yōu)化后6082-T6鋁合金FSW接頭的彎曲行為統(tǒng)計(jì)圖如圖4所示。從圖4可以看出，除個(gè)別參數(shù)下接頭彎曲發(fā)生斷裂外(圖4中三角框內(nèi)參數(shù))，其余參數(shù)的接頭在彎曲到180°時(shí)根部均無(wú)裂紋出現(xiàn)。而接頭彎曲過(guò)程中發(fā)生斷裂的接頭在斷面解剖后發(fā)現(xiàn)，由于這些參數(shù)導(dǎo)致焊接熱輸入過(guò)低，攪拌區(qū)內(nèi)的材料流動(dòng)不充分，在焊核區(qū)底部靠近前進(jìn)側(cè)的部位出現(xiàn)了比較明顯的孔洞缺陷，如圖5所示。這些孔洞對(duì)接頭的力學(xué)性能產(chǎn)生了很不利的影響，導(dǎo)致彎曲過(guò)程中出現(xiàn)斷裂。

圖4 含根部缺陷接頭優(yōu)化后接頭的彎曲行為

圖5 FSW接頭內(nèi)部孔洞缺陷

3.2 接頭拉伸性能變化

選取具有代表性的1 800 r/min，600 mm/min焊接參數(shù)作為優(yōu)化前后接頭力學(xué)性能的對(duì)比分析，優(yōu)化前后接頭背面均未經(jīng)任何處理。圖6為攪拌頭和工藝優(yōu)化前后，參數(shù)為1 800 r/min，600 mm/min時(shí)6082-T6鋁合金攪拌摩擦焊(FSW)接頭的硬度曲線分布對(duì)比。從圖6中可以看出，優(yōu)化前后接頭的硬度分布均為W形，優(yōu)化前后2個(gè)接頭軟化區(qū)的最低硬度變化不大，但優(yōu)化后由于攪拌頭的變化導(dǎo)致軟化區(qū)寬度變窄。

圖6 FSW接頭優(yōu)化前后接頭硬度分布曲線

依照ISO 4136:2012 進(jìn)行接頭拉伸試驗(yàn)，圖7為焊接工藝參數(shù)1 800 r/min,600 mm/min時(shí)6082-T6鋁合金攪拌摩擦焊(FSW)接頭優(yōu)化前后拉伸斷裂位置的對(duì)比圖。從圖7可以看出，優(yōu)化前高焊接速度下接頭根部由于出現(xiàn)了未焊透缺陷，嚴(yán)重影響了接頭的拉伸力學(xué)性能，使得接頭的拉伸斷裂位置在焊核區(qū)，如圖7a所示。優(yōu)化后，由于抑制了根部缺陷的產(chǎn)生，接頭的拉伸斷裂位置由優(yōu)化前的焊核區(qū)過(guò)渡到優(yōu)化后接頭的軟化區(qū)，如圖7b所示。

圖7 FSW接頭優(yōu)化前后接頭拉伸斷裂位置對(duì)比

圖8為優(yōu)化前后6082-T6鋁合金攪拌摩擦焊(FSW)接頭抗拉強(qiáng)度對(duì)應(yīng)不同焊接速度的對(duì)比，從圖8可以看出，優(yōu)化前焊接速度由200 mm/min增大到300 mm/min時(shí)，接頭的強(qiáng)度是增加的。隨著焊接速度的進(jìn)一步增大，接頭的強(qiáng)度開始下降。而優(yōu)化后由于抑制了根部缺陷的產(chǎn)生，成功避免了根部缺陷對(duì)接頭拉伸力學(xué)性能的不利影響，使得接頭的抗拉強(qiáng)度隨著焊接速度的增加而增大。當(dāng)焊接速度為600 mm/min時(shí)，優(yōu)化前6082-T6鋁合金攪拌摩擦焊(FSW)接頭的抗拉強(qiáng)度僅為221 MPa，為母材強(qiáng)度的71.3%，優(yōu)化后接頭的抗拉強(qiáng)度為253 MPa，可達(dá)母材強(qiáng)度的81.6%。

圖8 優(yōu)化前后接頭抗拉強(qiáng)度隨焊接速度的變化

3.3 根部缺陷變化

選取具有代表性的1 800 r/min,600 mm/min焊接參數(shù)作為優(yōu)化前后接頭根部缺陷變化的對(duì)比分析。圖9為6082-T6鋁合金攪拌摩擦焊(FSW)接頭優(yōu)化后根部缺陷的微觀形貌圖。從圖9a可見，優(yōu)化后接頭根部區(qū)域腐蝕后，在光學(xué)顯微鏡下觀察為一條寬度較寬，線條走向比較曲折的黑色線條。對(duì)該曲折黑色線條位置進(jìn)行了標(biāo)記并經(jīng)過(guò)電解拋光后在SEM電鏡下觀察，如圖9b所示。由于試樣標(biāo)記后經(jīng)過(guò)了細(xì)微的砂紙打磨和電解拋光過(guò)程，標(biāo)記的位置在SEM下看的不是很清楚，但可以在圖9b中箭頭所指的前方看見一塊有凹陷的痕跡，為圖9a中的左標(biāo)記位置中心。從圖9b中可以看見標(biāo)記位置附近沒有觀察到任何的缺陷，主要是一些第二相顆粒物，研究表明圖9a中中的形貌為S線組織，并且該焊接條件下的S線對(duì)接頭的力學(xué)性能沒有影響[9-13]。而優(yōu)化前該參數(shù)下接頭根部缺陷為連續(xù)微裂紋形式的未焊透缺陷，對(duì)接頭的彎曲和拉伸力學(xué)性能都有不利的影響。通過(guò)以上結(jié)果可知，通過(guò)攪拌頭和工藝優(yōu)化后，在焊接速度為600 mm/min時(shí)成功避免了高焊接速度下由于材料變形抗力增大而導(dǎo)致的流動(dòng)作用減弱，促進(jìn)了根部材料的焊合使得接頭根部未焊透缺陷消失，轉(zhuǎn)變?yōu)橛善扑榈难趸X顆粒構(gòu)成的S線組織。

圖9 參數(shù)1 800 r/min,600 mm/min接頭優(yōu)化后根部缺陷的變化

4 結(jié)論

鋁合金攪拌摩擦焊(FSW)接頭根部缺陷主要原因是參數(shù)變化導(dǎo)致攪拌針下方材料流動(dòng)狀態(tài)的差別，通過(guò)對(duì)攪拌頭和工藝參數(shù)的優(yōu)化，能較成功抑制較高焊接速度下5 mm厚6082-T6鋁合金攪拌摩擦焊接頭根部缺陷的產(chǎn)生，接頭彎曲角度由40°提高到180°，拉伸強(qiáng)度系數(shù)由71%提高到81%。