付寧寧，朱志民，金文濤，戴忠晨

中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司 江蘇南京 210031

1 序言

攪拌摩擦焊（FSW）作為一項(xiàng)新型的固相連接技術(shù)，已經(jīng)在航空航天、軌道交通、汽車工業(yè)和船舶工業(yè)等領(lǐng)域取得了廣泛應(yīng)用。目前，大多數(shù)FSW技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用主要局限于簡(jiǎn)單對(duì)接接頭形式，而在實(shí)際生產(chǎn)中大量使用T形接頭、角焊縫及箱形結(jié)構(gòu)時(shí)，受攪拌工具軸肩的限制，F(xiàn)SW技術(shù)很難應(yīng)用于這些結(jié)構(gòu)制造[1-4]。為了克服傳統(tǒng)FSW技術(shù)的局限性，英國(guó)焊接研究所在傳統(tǒng)FSW基礎(chǔ)上將軸肩與攪拌針?lè)蛛x，開發(fā)出靜止軸肩攪拌摩擦焊（Stationary Shoulder Friction Stir Welding，SSFSW）技術(shù)，SSFSW焊接工具由不旋轉(zhuǎn)的軸肩及內(nèi)部旋轉(zhuǎn)的攪拌工具組成，如圖1所示。它在鋁合金角焊縫及T形焊接接頭的制造中具有明顯的優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)各種不同板厚角焊縫的連接[5，6]。

圖1 SSFSW原理

本文以6061-T6鋁合金作為研究對(duì)象，以SSFSW為焊接方法，重點(diǎn)研究了不同旋轉(zhuǎn)速度和工具行進(jìn)速度對(duì)6061-T6鋁合金T形接頭組織和力學(xué)性能的影響，并對(duì)其斷裂行為進(jìn)行了探討分析，為鋁合金T形角接靜止軸肩攪拌摩擦焊工程化應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。

2 試樣制備及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所用的材料為6061-T6鋁合金，立板厚度為6mm，底板厚度為10mm，其化學(xué)成分及力學(xué)性能見(jiàn)表1、表2。

表1 6061-T6鋁合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

表2 6061-T6鋁合金母材力學(xué)性能

焊接設(shè)備采用ESAB攪拌摩擦焊機(jī)，利用專用工裝固定和專用的攪拌工具系統(tǒng)，焊接前將試板裝夾在專用工裝上，并將工裝安裝固定于焊接平臺(tái)上，如圖2所示，焊接試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表3。

圖2 SSFSW的T形接頭焊接使用的工具系統(tǒng)

表3 SSFSW的T形接頭焊接試驗(yàn)參數(shù)

3 試驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 接頭宏觀形貌

圖3為6061-T6不同焊接參數(shù)下SSFSW的T形接頭焊縫橫截面宏觀形貌。由圖3a～e可以看出，在相同的焊接速度下，隨著旋轉(zhuǎn)速度的增加，焊縫的流動(dòng)性明顯增強(qiáng)，焊接結(jié)合質(zhì)量越來(lái)越高。在相對(duì)較低旋轉(zhuǎn)速度1000r/min下，在筋板與底板相結(jié)合的部位有一條明顯的殘余結(jié)合線，說(shuō)明焊縫金屬?zèng)]有得到足夠的機(jī)械攪拌作用將原始界面破碎，如圖3a所示。當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度提高到1200r/min時(shí)（見(jiàn)圖3b），殘余結(jié)合線還沒(méi)有得到消除，但所處位置發(fā)生了變化，不再是處于原始筋板與底板的結(jié)合部位。當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度繼續(xù)提高到1400r/min（見(jiàn)圖3c）、1600r/min（見(jiàn)圖3d）和1800r/min（見(jiàn)圖3e）后，殘余結(jié)合線消失，接頭連接質(zhì)量提高，說(shuō)明在旋轉(zhuǎn)速度＞1400r/min后，焊縫金屬得到了充分的機(jī)械攪拌作用，從而將原始界面破碎混合。

當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度為1400r/min時(shí)，在焊接速度為300mm/min（見(jiàn)圖3f）、400mm/min（見(jiàn)圖3g）和500mm/min下（見(jiàn)圖3h），所有焊縫在原始筋板和底板相結(jié)合的部位存在一條明顯的殘余結(jié)合線，說(shuō)明在旋轉(zhuǎn)速度為1400r/min時(shí)，所選焊接速度都偏高，旋轉(zhuǎn)速度和焊接速度沒(méi)有良好的匹配。

圖3 SSFSW的T形接頭焊縫橫截面宏觀形貌

3.2 接頭微觀組織

圖4所示為6061-T6鋁合金SSFSW的T形接頭金相位置，圖5a～h分別對(duì)應(yīng)圖4中a～h區(qū)。

圖4 6061-T6鋁合金SSFSW的T接頭金相拍攝位置

圖5所示為轉(zhuǎn)速為1400r/min，焊接速速為500mm/min時(shí)SSFSW6061-T6鋁合金T形接頭各區(qū)域組織形貌。由圖可以看出，母材保留原始的軋制組織形態(tài)，呈扁平狀分布。焊核區(qū)均為細(xì)小的等軸回復(fù)再結(jié)晶晶粒，焊核區(qū)與熱機(jī)影響區(qū)組織差別明顯，靠近焊核區(qū)的熱影響區(qū)的晶粒有少量變形。焊核中的原始界面殘余處無(wú)明顯的微觀缺陷。通過(guò)對(duì)應(yīng)位置的高倍顯微組織照片可以發(fā)現(xiàn)，淺色區(qū)域和深色區(qū)域均為等軸晶，深色區(qū)域晶粒更為細(xì)小，而淺色區(qū)域晶粒尺寸更大，說(shuō)明焊核內(nèi)的材料流動(dòng)不均勻?qū)е虏煌瑓^(qū)域再結(jié)晶之后發(fā)生了不同程度的晶粒長(zhǎng)大。

圖5 SSFSW6061-T6鋁合金T形接頭各區(qū)金相組織

3.3 旋轉(zhuǎn)速度對(duì)接頭力學(xué)性能的影響

（1）接頭拉伸性能 圖6所示為焊接速度為200mm/min的焊接工藝下，不同旋轉(zhuǎn)速度對(duì)應(yīng)的SSFSW6061-T6鋁合金T形接頭沿筋板方向力學(xué)性能。由圖可以看出，在本組所選旋轉(zhuǎn)速度下，隨著旋轉(zhuǎn)速度的增加，接頭沿筋板方向平均抗拉強(qiáng)度呈先增加后降低的趨勢(shì)，但變化幅度范圍比較小，最大值與最小值之間僅相差約15MPa，最大值出現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)速度為1200r/min時(shí)，為230MPa，最小值出現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)速度為1600r/min時(shí)，為215MPa，4組試樣平均抗拉強(qiáng)度為母材的72.7%～77.7%。綜上可以看出，旋轉(zhuǎn)速度對(duì)6061-T6板筋方向抗拉強(qiáng)度影響不大，參數(shù)適應(yīng)范圍較大。

圖6 SSFSW不同旋轉(zhuǎn)速度T形接頭沿筋板方向拉伸性能

（2）接頭的斷裂表面及斷裂行為分析 圖7所示為焊接速度為200mm/min的焊接工藝下，不同旋轉(zhuǎn)速度對(duì)SSFSW6061-T6鋁合金T形接頭沿筋板方向拉伸斷裂表面宏觀形貌。由圖可知，所有接頭拉伸斷裂均發(fā)生在筋板上，斷口表面宏觀形貌除3-4號(hào)樣呈螺旋型，其他試樣斷口與拉伸加載方向夾角呈45°。

圖7 不同旋轉(zhuǎn)速度SSFSW的T形接頭沿筋板方向拉伸斷裂表面宏觀形貌

不同旋轉(zhuǎn)速度SSFSW6061-T6鋁合金T形接頭沿筋板方向拉伸斷裂位置橫截面金相如圖8所示。由圖可以看出，拉伸斷裂處均存在明顯的縮頸，說(shuō)明拉伸斷裂為韌性斷裂模式，3-2-1號(hào)試樣斷裂在筋板處，斷口與拉伸加載方向夾角呈45°，3-4-1號(hào)試樣斷裂在焊縫區(qū)的筋板上，斷口呈半圓形分布。

圖8 不同旋轉(zhuǎn)速度SSFSW的T形接頭沿筋板方向拉伸斷裂橫截面金相

圖9所示為6061-T6鋁合金在旋轉(zhuǎn)速度為1200r/min、焊接速度為200mm/min的焊接工藝下的SSFSW的T形接頭斷口SEM。由圖可以看出，斷裂模式主要為韌性穿晶斷裂，特征是斷口微觀形貌呈現(xiàn)大量的韌窩狀形貌，不同尺寸的典型的拉長(zhǎng)形韌窩是局部連續(xù)應(yīng)變的結(jié)果，這是在焊接過(guò)程結(jié)束后因第二相粒子粗化造成的。大韌窩的周圍存在小韌窩，斷裂方式屬于典型的微孔聚集型斷裂。大韌窩及小韌窩的形成原因，普遍認(rèn)同是第二相粒子和基體界面之間的力減弱或者是第二相粒子發(fā)生斷裂產(chǎn)生了最初的顯微空洞，隨后發(fā)生滑移作用，顯微空洞隨之逐漸長(zhǎng)大，當(dāng)達(dá)到一定尺寸后，較小的第二相粒子也會(huì)形成顯微空洞，然后發(fā)生長(zhǎng)大，并會(huì)與之前已經(jīng)存在的空洞在長(zhǎng)大過(guò)程中聯(lián)結(jié)，從而形成了尺寸大小不一的韌窩。

圖9 試樣3-2-1拉伸斷裂斷口SEM觀察

圖10所示為6061-T6鋁合金在旋轉(zhuǎn)速度為1600r/min、焊接速度為200mm/min的焊接工藝下的SSFSW的T形接頭斷口SEM。由圖10可知，接頭斷裂在焊縫區(qū)，斷口呈沿晶脆性斷裂的模式。

圖10 試樣3-4-1拉伸斷裂斷口SEM觀察

3.4 焊接速度對(duì)接頭力學(xué)性能的影響

（1）接頭拉伸性能 6061-T6鋁合金在旋轉(zhuǎn)速度為1400r/min焊接工藝下，不同焊接速度SSFSW的T形接頭沿筋板方向的拉伸性能如圖11所示。由圖可知，在本組試驗(yàn)選定的參數(shù)范圍內(nèi)，隨著焊接速度的增加，接頭沿筋板方向平均抗拉強(qiáng)度呈上升的趨勢(shì)，但變化范圍不大，維持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的水平上，最大值與最小值僅相差約18MPa，平均抗拉強(qiáng)度為母材的77.4%～83.4%。

圖11 不同焊接速度SSFSW的T形接頭沿筋板方向平均拉伸性能

（2）接頭的斷裂表面及斷裂行為分析 圖12所示為不同焊接速度SSFSW的T形接頭沿筋板方向拉伸斷裂表面宏觀形貌。本組試驗(yàn)所有試樣均斷裂在筋板上，斷口與加載方向夾角約呈45°。圖13所示為在旋轉(zhuǎn)速度為1400r/min、焊接速度分別為300mm/min、400mm/min和500mm/min時(shí)SSFSW6061-T6鋁合金T形接頭拉伸斷裂位置橫截面宏觀形貌。由圖可以看出，拉伸斷裂均發(fā)生在筋板上，斷口處有明顯的縮頸。

圖12 不同焊接速度SSFSW的T形接頭沿筋板方向拉伸斷裂表面宏觀形貌

圖13 6061-T6鋁合金SSFSW的T形接頭拉伸斷裂位置橫截面宏觀形貌

圖14所示為SSFSW6061-T6鋁合金T形接頭在旋轉(zhuǎn)速度為1400r/min、焊接速度300mm/min時(shí)拉伸斷口SEM。由圖可以看出，斷裂模式主要為韌性穿晶斷裂，特征是斷口微觀形貌呈現(xiàn)大量的大小不一的韌窩狀。

圖14 試樣3-7-1拉伸斷口SEM觀察

3.5 接頭顯微硬度分布

圖15所示為旋轉(zhuǎn)速度為1400r/min、焊接速度為200mm/min接頭底板的硬度分布。左側(cè)為第1道焊縫，右側(cè)為第2道焊縫。在200mm/min的旋轉(zhuǎn)速度下底板硬度分布表現(xiàn)為焊核硬度波動(dòng)較大，最大值與最小值之間相差約37HV。熱影響區(qū)中硬度分布隨與焊核中心距離的增加而逐漸升高，且第2道焊縫熱影響區(qū)硬度高于第1道焊縫，第2道焊縫和第1道焊縫熱影響區(qū)最低硬度分別為75HV和66HV。

圖15 SSFSW的T形接頭沿底板方向硬度分布

圖16所示為旋轉(zhuǎn)速度為1400r/min、焊接速度為200mm/min接頭筋板的硬度分布，筋板中焊核硬度隨與底板外表面距離的增加呈緩慢上升的趨勢(shì)，熱影響區(qū)硬度隨與底板外表面距離的增加而逐漸升高，直至恢復(fù)到母材硬度水平。熱影響區(qū)由于受到劇烈熱循環(huán)的影響，硬度出現(xiàn)不同程度的降低，而焊核區(qū)中不同材料流動(dòng)狀況使再結(jié)晶不均勻，從而出現(xiàn)了較大的硬度波動(dòng)。由于200mm/min焊接速度下接頭第2道焊縫熱影響區(qū)受到了第1道焊縫產(chǎn)生的熱循環(huán)影響，因此其中的沉淀相進(jìn)一步析出，從而提高了第2道焊縫熱影響區(qū)的硬度。

圖16 SSFSW的T形接頭沿筋板方向硬度分布

4 結(jié)束語(yǔ)

1）通過(guò)SSFSW得到了表面成形光滑、內(nèi)部無(wú)缺陷的6061-T6鋁合金T形接頭。當(dāng)焊接參數(shù)選擇不當(dāng)時(shí)，在筋板與底板相結(jié)合的部位有一條明顯的殘余結(jié)合線。

2）SSFSW的T形接頭的焊核區(qū)為均勻細(xì)小的等軸晶，焊核內(nèi)的材料流動(dòng)不均勻?qū)е虏煌瑓^(qū)域再結(jié)晶之后發(fā)生了不同程度的晶粒長(zhǎng)大。

3）當(dāng)焊接速度一定時(shí)，隨著旋轉(zhuǎn)速度的增加，接頭沿筋板方向平均抗拉強(qiáng)度呈先增加后降低的趨勢(shì)；當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度一定時(shí)，隨著焊接速度的增加，接頭沿板筋方向的平均抗拉強(qiáng)度呈上升的趨勢(shì)，斷裂方式為韌性斷裂。

4）底板硬度分布表現(xiàn)為焊核硬度波動(dòng)較大，最大值與最小值之間相差約37HV，筋板中焊核硬度隨與底板外表面距離的增加呈緩慢上升的趨勢(shì)。