張忠科,廖蘊(yùn)博,王希靖,王亞俊

（蘭州理工大學(xué)甘肅省有色金屬新材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730050）

LF21鋁合金雙軸肩攪拌摩擦焊組織與性能

張忠科,廖蘊(yùn)博,王希靖,王亞俊

（蘭州理工大學(xué)甘肅省有色金屬新材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730050）

利用光學(xué)顯微鏡、掃面電子顯微鏡、顯微硬度儀、拉伸試驗(yàn)機(jī)等方法，分析6 mm厚LF21鋁合金單道對(duì)接雙軸肩攪拌摩擦焊焊焊縫的微觀組織、力學(xué)性能、缺陷成因。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，轉(zhuǎn)速1 200 r/min、焊接速度100 mm/min時(shí)可以獲得較好的焊接性能；焊縫組織呈不完全對(duì)稱的沙漏狀；焊縫硬度在焊縫兩側(cè)的熱影響區(qū)處發(fā)生不對(duì)稱的軟化，前進(jìn)側(cè)組織析出相發(fā)生了明顯的長(zhǎng)大現(xiàn)象；抗拉強(qiáng)度達(dá)到103.25 MPa，焊接強(qiáng)度系數(shù)為基材強(qiáng)度的70.4％，接頭斷口形貌呈典型的韌性斷裂。

雙軸肩攪拌摩擦焊；LF21；力學(xué)性能；組織分析

0前言

鋁合金在實(shí)現(xiàn)運(yùn)載工具輕量化上有著舉足輕重的意義[1]，攪拌摩擦焊（FSW）技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)低熔點(diǎn)有色金屬尤其是鋁合金的高質(zhì)量、高速度、低成本的焊接。但是常規(guī)攪拌摩擦焊還存在焊接載荷大、裝配精度要求嚴(yán)格、容易發(fā)生未焊透缺陷等問題，并且對(duì)于曲面和雙層筋板特殊形狀的焊縫適用性較弱。為此，研制出了雙軸肩攪拌摩擦焊（bobbin tools FSW）。雙軸肩攪拌摩擦焊的攪拌頭自身為焊接提供墊板，對(duì)于焊接雙層筋板、曲面等復(fù)雜情況的焊接具有更好的適用性；同時(shí)其上下軸肩都產(chǎn)生熱量，即大大地提高了產(chǎn)熱量，既提高FSW的工作效率，又產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)對(duì)稱的溫度場(chǎng)，使焊件更不易發(fā)生焊后變形。

在雙軸肩攪拌摩擦焊發(fā)展的進(jìn)程中，N.George[2]等人經(jīng)過測(cè)量溫度和模擬溫度場(chǎng)，研究了雙軸肩攪拌

摩擦焊與傳統(tǒng)FSW溫度場(chǎng)的差異；P.L.Threadgill[3]等人研究了厚板鋁合金攪拌摩擦焊組織的變化；江蘇科技大學(xué)的陳書錦、胡曉晴等人開發(fā)了基于數(shù)字化控制技術(shù)，研制了雙軸肩攪拌摩擦焊接實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[4-5]；北京賽福斯特公司的董繼紅等人對(duì)雙軸肩攪拌摩擦焊焊接接頭耐蝕性進(jìn)行了研究[6]。

實(shí)驗(yàn)采用6 mm的LF21鋁合金為研究對(duì)象，通過對(duì)焊縫進(jìn)行成型、顯微硬度實(shí)驗(yàn)，抗拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)、SEM掃描分析等手段，研究雙軸肩攪拌摩擦焊的組織和力學(xué)性能的變化及影響因素，系統(tǒng)分析焊接過程中產(chǎn)生的新型缺陷。

1實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備

實(shí)驗(yàn)焊機(jī)為FSW-3LM-015攪拌摩擦焊機(jī)。采用對(duì)焊焊縫，選用6 mm厚LF21鋁合金，化學(xué)成分如表1所示。經(jīng)過機(jī)械加工，制成180mm×80 mm試板。采用銼刀加工試板表面，除去毛刺，去除氧化膜。用丙酮擦洗試板表面，去除油污和雜質(zhì)。

表1 LF21鋁合金化學(xué)成分％

攪拌頭是獲得質(zhì)量高、結(jié)合牢靠焊接接頭的核心工具。實(shí)驗(yàn)采用自行設(shè)計(jì)的攪拌頭，上下軸肩直徑20 mm，攪拌針為直徑8 mm的圓柱攪拌針，上下軸肩間隙5.6 mm，軸肩處設(shè)計(jì)有坡口。

FSW主要參數(shù)為轉(zhuǎn)速1 000～1 500 r/min，焊速100 mm/min。將焊接成形后的試樣通過線切割切取試樣，焊接接頭在島津AG-10TA萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行剪切性能測(cè)試，結(jié)果取3次實(shí)驗(yàn)的平均值；利用JSM-6700F電子掃描電鏡觀察剪切斷口形貌，進(jìn)行斷口掃描和分析。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1焊接參數(shù)對(duì)BT-FSW接頭外觀形貌的影響

焊接轉(zhuǎn)速1 000～1 500 r/min時(shí)的焊縫成形如圖1所示。

圖1 不同轉(zhuǎn)速下的對(duì)接焊縫表面形貌

由圖1可知，3個(gè)實(shí)驗(yàn)參數(shù)下都獲得了表面成形較好的焊縫，轉(zhuǎn)速為1 200 r/min時(shí)焊縫飛邊少、成形最為美觀。產(chǎn)生飛邊的本質(zhì)是產(chǎn)熱量、焊接速度、下壓量的不匹配造成的。由于前進(jìn)側(cè)的熱輸入量大于返回側(cè)，因而前進(jìn)側(cè)金屬流動(dòng)性優(yōu)于返回側(cè)，而由

于攪拌力的作用前進(jìn)側(cè)金屬填充至返回側(cè)，返回側(cè)金屬填充至前進(jìn)側(cè)，因此前進(jìn)側(cè)更容易產(chǎn)生飛邊，與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象相符；上下表面由于都有軸肩作用導(dǎo)致上下表面都可能產(chǎn)生飛邊，少量的飛邊并不會(huì)影響接頭質(zhì)量，但是當(dāng)下壓量過大時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的飛邊，極大減少焊縫金屬的厚度，降低焊縫承載能力。因此相對(duì)于單軸肩攪拌摩擦焊，雙軸肩攪拌摩擦焊又多出一個(gè)軸肩間隙的變量，軸肩間隙、攪拌針下壓量、轉(zhuǎn)速和焊接速度共同決定焊縫表面成形質(zhì)量。

2.2BT-FSW組織及缺陷分析

對(duì)試樣在焊縫處取材，獲得焊縫橫截面試樣如圖2所示。圖2a、2b、2c分別為雙軸肩攪拌摩擦焊接頭轉(zhuǎn)速分別為1 000 r/min、1 200 r/min、1 500 r/min的焊接接頭橫截面宏觀照片。與單軸肩漏斗狀的焊縫組織不同，雙軸肩攪拌摩擦焊焊縫呈上下不完全對(duì)稱的沙漏狀，焊縫在轉(zhuǎn)速1 200 r/min時(shí)獲得無缺陷的焊縫；轉(zhuǎn)速為1 000 r/min和1500r/min時(shí)，在焊縫中心處均出現(xiàn)隧道缺陷；轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時(shí)缺陷位于中央地帶，缺陷兩側(cè)尖銳，返回側(cè)無絲毫堆積形狀，且隧道寬度幾乎貫穿整個(gè)攪拌針區(qū)域，說明該處金屬的塑性流動(dòng)能力較差；轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時(shí)，焊縫隧道缺陷明顯偏向于返回側(cè)邊緣處，缺陷兩側(cè)稍呈弧狀，且返回側(cè)處出現(xiàn)了明顯的堆積現(xiàn)象，與1000r/min時(shí)有明顯區(qū)別。

圖2 接頭橫截面形貌

當(dāng)產(chǎn)熱量較低和較高時(shí)都產(chǎn)生了隧道缺陷，其各自成因主要為：BT-FSW的攪拌針相對(duì)較粗，位于攪拌針前部的金屬由于受到摩擦熱和攪拌針的機(jī)械攪拌作用，從攪拌針前端運(yùn)動(dòng)到攪拌針后端，有一個(gè)較長(zhǎng)的運(yùn)動(dòng)距離。當(dāng)熱輸入量不足時(shí)，非常容易因填隙能力不足導(dǎo)致隧道缺陷；當(dāng)熱輸入量過大后，上下軸肩的攪動(dòng)作用明顯增強(qiáng)，當(dāng)作用深度大于50％橫截面后，攪拌針、上下軸肩產(chǎn)生的流場(chǎng)在交互處發(fā)生紊流，由于后退側(cè)金屬由高攪拌作用的前進(jìn)側(cè)填充而來，塑性金屬流動(dòng)能力遠(yuǎn)大于前進(jìn)側(cè)，所以各流場(chǎng)在后退側(cè)先發(fā)生交互作用，產(chǎn)生一個(gè)明顯的向后退側(cè)發(fā)展的堆積瘤（見圖2c），塑性金屬的流動(dòng)方向發(fā)生偏移、流動(dòng)能力也迅速減弱，導(dǎo)致在前進(jìn)側(cè)填充不足。由圖2d可知，在三個(gè)流場(chǎng)的共同作用下，在隧道的產(chǎn)生處即后退側(cè)區(qū)域發(fā)生塑性金屬填充不足，導(dǎo)致前進(jìn)側(cè)出現(xiàn)缺陷。

轉(zhuǎn)速為1 200 r/min時(shí)，焊縫金屬既有較好的半固態(tài)流動(dòng)能力，攪拌針也能起到足夠的攪拌作用，因此成型效果最好。

2.3BT-FSW力學(xué)性能分析

對(duì)焊縫橫截面進(jìn)行顯微硬度實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示。圖3分別列出距離試樣上表面1 mm、2.5 mm、5 mm的顯微硬度曲線。沿垂直焊接前進(jìn)方向，截面上接頭顯微硬度分布呈“馬鞍”形分布；橫截面上的硬度呈中間高、兩側(cè)低的現(xiàn)象，上下側(cè)硬度分布除了后退側(cè)的小部分區(qū)域外基本相同。

整體來說，焊縫橫截面中部硬度略大于上下表面是由于上下軸肩產(chǎn)熱量很大，接頭軟化效果更加明顯；影響區(qū)由于只受熱、不受攪拌針的攪拌作用，導(dǎo)致熱影響區(qū)的組織粗化和強(qiáng)化相溶解，硬度降低。

焊縫前進(jìn)側(cè)和后退側(cè)硬度不完全對(duì)稱即后退側(cè)大于前進(jìn)側(cè)是因?yàn)椋阂环矫?，大量的第二相在攪拌過程中在后退側(cè)進(jìn)行了堆積，導(dǎo)致前進(jìn)側(cè)第二相數(shù)量減少；另一方面，后退側(cè)組織源于攪拌能力更強(qiáng)的前進(jìn)側(cè)，析出相粉碎效果更好，前進(jìn)側(cè)組織源于攪拌作用較差的后退側(cè)，析出相粉碎效果較差，出現(xiàn)粗化現(xiàn)象，造成硬度的突變。前進(jìn)側(cè)和返回側(cè)第二相分布如圖4所示。

圖3 接頭橫截面顯微硬度分布

圖4 前進(jìn)側(cè)和返回側(cè)第二相分布

對(duì)試樣進(jìn)行拉伸性能試驗(yàn)及斷口掃描，結(jié)果如圖5所示，轉(zhuǎn)速1 200 r/min的試樣抗拉強(qiáng)度最高，達(dá)到母材的70％。由圖5可知，試樣都是在熱影響區(qū)斷裂，并且拉伸試樣的斷裂面和接頭橫截面呈45°。

圖5 試樣拉伸斷裂實(shí)驗(yàn)

熱影響區(qū)由于只受熱不受攪拌作用，晶粒發(fā)生長(zhǎng)大，因此試樣拉伸時(shí)，斷口都分布在熱影響區(qū)與前進(jìn)側(cè)的交界處熱響區(qū)，說明焊縫前進(jìn)側(cè)的熱影響區(qū)的力學(xué)性能低于后退側(cè)。初步分析認(rèn)為，在攪拌頭攪拌前進(jìn)過程中，焊縫前進(jìn)側(cè)溫度較高的塑型金屬隨著攪拌針的攪拌作用填向了后退側(cè)，后退側(cè)溫度較低的塑性金屬流向了前進(jìn)側(cè)，導(dǎo)致前進(jìn)側(cè)填充能力弱于后退側(cè)，成為焊縫的薄弱環(huán)節(jié)，因此，斷裂位置出現(xiàn)在焊縫前進(jìn)側(cè)的熱影響區(qū)。

拉伸實(shí)驗(yàn)后的斷口如圖6所示，拉伸斷口處觀察到了大小不均勻的韌窩，小韌窩撕裂棱明顯，說明焊縫為韌性斷裂，且具有較好的力學(xué)性能，同時(shí)說明

由于雙軸肩攪拌摩擦焊產(chǎn)熱量較大，當(dāng)熱輸入和焊接速度不匹配時(shí)在斷裂處分散相發(fā)生明顯長(zhǎng)大，導(dǎo)致韌窩分布極不均勻，降低了焊縫的力學(xué)性能。

圖6 接頭斷口SEM分析

3結(jié)論

（1）BT-FSW在焊接過程中，上下軸肩同為主要熱源，形成一個(gè)較為對(duì)稱的溫度場(chǎng)，但橫截面中心處由于獲得的熱量少，流場(chǎng)更為復(fù)雜。雖然相對(duì)于單軸肩攪拌摩擦焊消除了未焊透的缺陷，但若攪拌頭尺寸或焊接工藝參數(shù)不匹配時(shí)，其焊縫中部容易出現(xiàn)空洞或隧道缺陷。

（2）由于BT-FSW的產(chǎn)熱量較大，當(dāng)工藝參數(shù)不匹配時(shí)容易出現(xiàn)分散相長(zhǎng)大現(xiàn)象，從而降低接頭力學(xué)性能。

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[2]George N Lampeas，Ioannis D.Diamantakos.Effects of Nonconventional Tools on the Thermo-Mechanical Response of Friction Stir Welded Materials[J].Journal of Manufacturing Science and Engineering，2015，137（5）：P051020.

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[4]陳書錦，胡曉晴，蘆笙，等.雙軸肩攪拌摩擦焊接實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2014，31（11）：39-42，47.

[5]江蘇科技大學(xué).基于前導(dǎo)區(qū)溫度反饋的雙軸肩攪拌摩擦焊接裝置及其方法：中國(guó)，CN201410449491.8[P].2014-12-17.

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Microstructure and property of bobbin tools friction stir welding for LF21 aluminum sheet

ZHANG Zhongke，LIAO Yunbo，WANG Xijing，WANG Yajun
（State Key Laboratory of Gansu Advanced Non-ferrous Metal Materials，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China）

The microstructure and mechanical properties of the bobbin tools friction stir welding joints of LF21 aluminum sheet of 6 mm in thickness were investigated by optical microscope，SEM，tensile test and hardness test.The results show that when rotating speed is 1 200 r/min and welding speed is 100 mm/min，can get welds with good qualities.The micro-hardness result shows that the joints are softened obviously in HAZ with the hardness asymmetric in advancing side（AS）of weld and retreating side（RS）of weld，with the precipitated phase of growing up obviously in AS in microstructure；the tensile strength of welds can reach 103.25 MPa which is about 70.4％of that of base metal，and joint fracture morphology is a typical ductile fracture.

bobbin tools FSW；LF21；mechanical property；structure analysis

TG457.14

A

1001-2303（2016）11-0026-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.11.04

獻(xiàn)

張忠科，廖蘊(yùn)博，王希靖，等.LF21鋁合金雙軸肩攪拌摩擦焊組織與性能[J].電焊機(jī)，2016，46（11）：26-30.

2016-01-19；

2016-06-26

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51265030）；甘肅省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2014GS03264）

張忠科（1978—），男，山東濟(jì)南人，副教授，博士，主要從事焊接設(shè)備及其自動(dòng)化、新型連接技術(shù)等研究工作。