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，根部缺陷會由弱結(jié)合缺陷逐漸過渡到未焊透缺陷。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，很難通過無損檢測的方法檢測到，而接頭根部缺陷對接頭力學(xué)性能又會產(chǎn)生很大的影響，因此對接頭根部缺陷的控制研究非常重要[1-4]。

文中對鋁合金攪拌摩擦焊(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)域及材料流動速度示意圖。在攪拌摩擦焊(FSW)過程中，攪拌針端部與墊板之間的局部相對位置如圖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狀態(tài)不理想，而改善材料流動狀況可以通過攪拌頭優(yōu)化及工藝參數(shù)優(yōu)化的方式來解決[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)根部均無裂紋出現(xiàn)。而接頭彎曲過程中發(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)致焊接熱輸入過低，攪拌區(qū)內(nèi)的材料流動不充分，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。這些孔洞對接頭的力學(xué)性能產(chǎn)生了很不利的影響，導(dǎo)致彎曲過程中出現(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)度對應(yīng)不同焊接速度的對比，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。對該曲折黑色線條位置進(jìn)行了標(biāo)記并經(jīng)過電解拋光后在SEM電鏡下觀察，如圖9b所示。由于試樣標(biāo)記后經(jīng)過了細(xì)微的砂紙打磨和電解拋光過程，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，對接頭的彎曲和拉伸力學(xué)性能都有不利的影響。通過以上結(jié)果可知，通過攪拌頭和工藝優(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狀態(tài)的差別，通過對攪拌頭和工藝參數(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%。