攪拌摩擦焊接5083鋁合金焊縫缺陷分析＊

李仲華，袁鴿成，朱振華，路浩東，曾國勛

（廣東工業(yè)大學(xué) 材料與能源學(xué)院，廣東 廣州 510090）

攪拌摩擦焊接5083鋁合金焊縫缺陷分析＊

李仲華，袁鴿成，朱振華，路浩東，曾國勛

（廣東工業(yè)大學(xué) 材料與能源學(xué)院，廣東 廣州 510090）

在攪拌轉(zhuǎn)速為250～1400 r／min范圍內(nèi)，采用攪拌摩擦焊焊接了5083鋁合金壁板，當(dāng)轉(zhuǎn)速低于700 r／min和高于1000 r／min時，焊縫均產(chǎn)生不同類型的缺陷.通過肉眼、光學(xué)顯微鏡（OM）、掃描電子顯微鏡（SEM）及拉伸試驗機研究了帶缺陷焊縫的摩擦面和橫截面形貌、力學(xué)性能及斷口形貌，從熱量輸入和材料流動兩方面分析了缺陷的成因.結(jié)果表明，轉(zhuǎn)速低于700 r／min時，焊縫易產(chǎn)生吻接缺陷，其拉伸斷口呈現(xiàn)沿“吻接線”的分層斷裂形貌；高于1000 r／min時，焊縫易形成飛邊及隧道缺陷，其拉伸斷口呈現(xiàn)包含孔洞缺陷的斷裂形貌；帶缺陷焊縫的力學(xué)性能明顯降低.熱量不足或過高是形成焊縫缺陷的本質(zhì)原因.

5083鋁合金；攪拌摩擦焊；焊縫；缺陷

攪拌摩擦焊（FSW）是1991年由英國焊接研究所（TWI）發(fā)明的一種先進的固相焊接技術(shù).其焊接過程是利用一個柱形帶特殊軸肩和針凸的攪拌頭旋轉(zhuǎn)著插入被焊工件，攪拌頭和被焊材料之間的摩擦產(chǎn)生了摩擦熱，使材料熱塑化，當(dāng)攪拌工具沿著待焊界面向前移動時，熱塑化的材料由攪拌頭的前部向后部轉(zhuǎn)移，并且在攪拌工具的機械鍛造作用下，實現(xiàn)工件間的固相連接.

攪拌頭尺寸及形狀和焊接參數(shù)（焊速、轉(zhuǎn)速、傾角及下壓量）是FSW工藝的主要控制因素.攪拌頭設(shè)計不合理或焊接參數(shù)不恰當(dāng)都會導(dǎo)致焊縫缺陷的產(chǎn)生.其中，轉(zhuǎn)速和焊速是FSW過程中最重要的兩個參數(shù)，有文獻研究轉(zhuǎn)速與焊速兩者的比值n／v對FSW焊縫性能的影響.缺陷的存在嚴重影響焊縫的力學(xué)性能，因此研究缺陷的成因并獲得有效的控制措施是一項很有意義的工作.

1 實驗方法

被焊材料為5083－H321鋁合金壁板，尺寸為250 mm×80 mm×4 mm（長×寬×厚）.焊接設(shè)備為小型攪拌摩擦焊機，攪拌頭軸肩直徑22 mm，設(shè)計為光滑凹槽形狀，攪拌針設(shè)計為帶有螺紋的圓臺形狀，長3.4 mm，近軸肩處直徑7 mm，另一端直徑6 mm.焊接速度為80 mm／min，轉(zhuǎn)速分別為250，350，500，700，1000，1400 r／min，焊接傾角3°，下壓量0.5 mm.

拉伸試樣沿垂直焊縫的橫向切割，按GB／T228－2002制備.焊縫摩擦面及橫截面經(jīng)打磨及拋光后，摩擦面用NaOH溶液侵蝕，酸洗；焊縫橫截面采用Poulton試劑侵蝕.采用數(shù)碼相機及掃描電子顯微鏡研究焊縫摩擦面、橫截面及拉伸斷口.

2 結(jié)果與討論

2.1 飛邊缺陷

圖1為不同轉(zhuǎn)速下的焊縫宏觀形貌.從圖1（a）可見，當(dāng)轉(zhuǎn)速為250 r／min時，焊縫摩擦面外觀平整，弧形疊紋較規(guī)則，無飛邊缺陷；當(dāng)轉(zhuǎn)速為700 r／

min時，焊縫摩擦面的前進側(cè)出現(xiàn)輕微的飛邊，如圖1（b）所示；當(dāng)轉(zhuǎn)速為1400 r／min時，焊縫表面出現(xiàn)過熱，表現(xiàn)為摩擦面凹凸不平，弧形疊紋不規(guī)則，且在前進側(cè)出現(xiàn)嚴重飛邊缺陷，如圖1（c）所示.

圖1 不同轉(zhuǎn)速下的焊縫形貌（a）250 r／min；（b）700 r／min；（c）1400 r／min

2.2 吻接缺陷

圖2為轉(zhuǎn)速250 r／min時焊縫摩擦面及橫截面形貌.從圖2（a）可見，在焊縫中心沿焊接方向有一條白色條紋；從圖2（b）可見，焊縫中心為焊核，經(jīng)測量寬度為6.22 mm，在焊核上部有一條起始于焊縫摩擦面，終止于焊核前進側(cè)邊緣的“Z”型白色條紋.

圖2 轉(zhuǎn)速250 r／min時的焊縫形貌（a）摩擦面；（b）橫截面

圖3分別為摩擦面及橫截面上白線的放大形貌.從圖3（a）可見，摩擦面白色條紋為一條淺溝，溝兩邊材料呈現(xiàn)分層形貌，溝部分區(qū)域斷續(xù)連接；從圖3（b）可更清楚地看到“洋蔥環(huán)”上面的“Z”型白色條紋，局部可看到裂紋形貌.經(jīng)測量發(fā)現(xiàn)，“Z”型條紋的起始位置與摩擦面上的白色條紋位置相吻合.

圖3 白色條紋放大形貌（a）摩擦面；（b）橫截面

焊縫拉伸結(jié)果表明抗拉強度僅為281 MPa，比優(yōu)質(zhì)焊縫降低了31 MPa.延伸率只有9.5%，遠低于母材的14%.圖4為該轉(zhuǎn)速下焊縫的斷口形貌.從圖4（a）斷口側(cè)視圖可看出斷口分上下兩層，均成45°斷裂，且上層側(cè)視輪廓與前述“Z”型線形狀一致.測量發(fā)現(xiàn)上層厚度與“Z”型線位置吻合較好.綜合上述分析結(jié)果，確認白線為焊縫中的一條吻接缺陷.圖4（b）為焊縫斷口正面形貌，可看出上下兩層的斷口形貌存在明顯差異.上層具有典型的韌窩特征，局部之間韌窩大小、疏密相差很大，如圖4（c）所示；下層區(qū)域韌窩特征已消失，表現(xiàn)為一種脆性斷裂形貌，如圖4（d）所示.

圖4 轉(zhuǎn)速為250 rpm時拉伸斷口形貌（a）側(cè)視；（b）分層處；（c）上層；（d）下層

2.3 隧道缺陷

圖5為轉(zhuǎn)速1400 r／min時焊縫的橫截面形貌.從圖可知，轉(zhuǎn)速的增加使焊核尺寸由250 r／min時的6.22 mm增加到7.20 mm，在焊核區(qū)前進側(cè)觀察到孔洞存在.

圖6為焊核區(qū)孔洞的放大形貌.圖6（a）可看到材料的塑性流動軌跡，材料都流向焊核區(qū)前進側(cè)的孔洞區(qū)域，推測孔洞是材料未能充分填充攪拌針經(jīng)過的區(qū)域.檢查焊縫其它部位發(fā)現(xiàn)，孔洞貫穿整條焊縫，是一條隧道缺陷.

圖5 轉(zhuǎn)速為1400 r／min時焊縫橫截面形貌

圖6 隧道缺陷在橫截面上的形貌：（b）為（a）中A處的放大圖

焊縫斷裂于有隧道缺陷處，抗拉強度為291 MPa，比優(yōu)質(zhì)焊縫減小21 MPa.斷口形貌如圖7所示.由圖7（a）可見，斷口存在較大孔洞區(qū)域.從圖7（b）可見斷口形貌為韌性斷裂，表面分布大量韌窩，且有大的孔洞.從力學(xué)性能和斷口形貌可見，與低轉(zhuǎn)速相比，轉(zhuǎn)速的提高使焊縫性能得到了改善.

圖7 轉(zhuǎn)速1400 r／min時拉伸斷口形貌（a）宏觀；（b）微觀

其它條件不變時，攪拌摩擦焊熱量輸入主要由轉(zhuǎn)速與焊速的比值n／v決定，可由公式表述為

式（1）中qE為熱功率，Q為熱輸入，k為形狀因子，μ為摩擦系數(shù)，F(xiàn)為焊接壓力，A為常量系數(shù)，n為攪拌頭轉(zhuǎn)速，v 為焊接速度［3］.

由式（1）可知，在其它焊接參數(shù)不變時，低轉(zhuǎn)速導(dǎo)致熱輸入不足，進而影響材料的塑性流動及材料之間的有效結(jié)合；并且焊縫的上部主要受軸肩的剪切作用，而軸肩對待焊材料塑性流動及攪拌作用比帶有螺紋的攪拌針要小，導(dǎo)致焊縫上部待焊材料流動不充分，材料未真正焊合，最終形成吻接缺陷.因此熱量不足及流動性差，是焊縫形成未焊合吻接線的根本原因.

高轉(zhuǎn)速能夠產(chǎn)生足夠的熱量，使待焊材料流動性趨好.在焊接過程中，待焊材料從后退側(cè)流向前進側(cè)，因此在焊接過程中，攪拌頭在高轉(zhuǎn)速形成的摩擦力和離心力作用下使待焊材料流出焊縫區(qū)域，在焊縫前進側(cè)邊緣形成飛邊缺陷.

文獻［4］指出只有當(dāng)下壓力達到達某一臨界值，才會得到合格的焊縫，下壓力不足會導(dǎo)致隧道缺陷的產(chǎn)生.文獻［5］的模擬結(jié)果表明在前進側(cè)會出現(xiàn)材料流動停滯區(qū)，材料流動性差會造成隧道缺陷.本研究的結(jié)果表明在較高轉(zhuǎn)速時，待焊材料流動性偏好形成了飛邊缺陷，導(dǎo)致在焊接過程中流向焊核區(qū)的材料減少，不足以填充攪拌針行走過后形成的空洞，最終在焊核區(qū)的前進側(cè)形成貫穿焊縫的隧道缺陷.

3 結(jié) 論

（1）轉(zhuǎn)速小于700 r／min時，熱輸入不足，焊縫易產(chǎn)生未焊合的吻接缺陷，其拉伸斷口呈現(xiàn)沿“吻接線”的分層斷裂形貌，上下兩層斷口形貌明顯不同，上層為典型韌窩形貌，下層為未焊合形貌.

（2）轉(zhuǎn)速高于1000 r／min時，熱輸入過多，焊縫易形成飛邊及隧道缺陷，其拉伸斷口呈現(xiàn)包含孔洞缺陷的斷裂形貌；缺陷嚴重降低焊縫的力學(xué)性能.

［1］欒國紅，柴鵬.攪拌摩擦焊技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢［J］.金屬加工，2004，24：19－22.

［2］NANDAN R，DDBROY T，BHADESHIA H K D H.Recent advances in friction－stir welding—process，weldment structure and properties［J］.Progress in Materials Science，2008（53）：980－1023.

［3］周萬盛，姚君山.鋁及鋁合金的焊接［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2006.

［4］KUMAR K，KAILAS S V.The role of friction stir welding tool on material flow and weld formation ［J］.Materials Science and Engineering，2008（485）：367－374.

［5］SEIDEL T U，REYNOLDS A P.Two－dimensional friction stir welding process model based on fluid mechanics［J］.Sci Technol Weld Join，2003（8）：175－83.

The analysis of welding defects for 5083 aluminum alloy friction stir welds

LI Zhong－h(huán)ua，YUAN Ge－cheng，ZHU Zhen－h(huán)ua，LU Hao－dong，ZENG Guo－xun
（Faculty of Materials and Energy，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China）

In the range of rotation from 250 to 1400rpm，friction stir welding（FSW）is conducted for 5083－H321 aluminum alloy plates.As the rotation is lower than 700rpm or higher than 1000rpm，some types of defects generated easily in the welds.The microstructure of friction surface and transverse section，mechanical properties and fracture morphology of the joints with defects were investigated by using naked eye，OM，SEM.The reasons of defects are analyzed from heat input and material flow.The results show that the welds are prone to kissing bond as lower than 700rpm，and the rupture happens along the kissing bond line.However，the welds are prone to flash and tunnel defects as higher than 1000rpm，and the fracture surface shows the voids morphology caused by tunnel.The mechanical properties decrease severely by the defects.The improper heat input is the substantial reason of defects formation.

5083 aluminum alloy；friction stir welding；joint；welding defect

TG 441.7

A

1673－9981（2010）04－0568－04

收稿日期：2010－10－27

廣東省重大科技專項（2008A090300004）；廣東省教育廳211學(xué)科建設(shè)資助項目

李仲華（1982—），男，河北邯鄲人，碩士研究生.