焊接規(guī)范對6061鋁合金FSW接頭組織性能影響

王瑞卓，劉擁軍，周友龍，林 森

（西南交通大學(xué) 焊接研究所，四川 成都 610031）

0 前言

鋁合金因其密度小、強度高、易于加工成型等優(yōu)點，近年來被廣泛應(yīng)用。攪拌摩擦焊作為一種固相連接工藝[1-2]，是一種高效、安全、環(huán)保、低成本的新型焊接方法。然而，攪拌摩擦焊接頭質(zhì)量受到主軸轉(zhuǎn)速、焊接速度、壓入量等因素的影響，如何選擇合適的工藝參數(shù)成為了重要課題。本研究選用攪拌摩擦焊接方法，以6 mm厚的6061-T4鋁合金為試驗對象，采用正交設(shè)計試驗方案，研究了焊接規(guī)范（主軸轉(zhuǎn)速、焊接速度、壓入量）對6061鋁合金焊接接頭組織性能的影響。

1 試驗方法

試驗材料為6 mm厚的6061-T4鋁合金，供貨狀態(tài)為固溶處理加自然時效，其化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1所示。

焊接設(shè)備為JBM01-06型攪拌摩擦焊機，攪拌頭采用圓錐帶螺紋攪拌針加內(nèi)凹錐面軸肩設(shè)計。試驗過程中可變因素包括主軸轉(zhuǎn)速、焊接速度和壓入量，經(jīng)工藝調(diào)試，在其他焊接參數(shù)不變的情況下，轉(zhuǎn)速 1100～1200 r/min、壓入量為 0.3～0.4 mm、焊接速度為100～320 mm/min時可以獲得表面光潔、焊縫成形美觀的接頭。設(shè)計的正交試驗試驗因素及水平如表2所示。

表1 6061-T4鋁合金的化學(xué)成分 %

表2 試驗因素和水平

2 試驗結(jié)果和分析

2.1 正交試驗結(jié)果和分析

正交試驗方案與試驗結(jié)果如表3所示，試驗結(jié)果分析如表4所示。

表3 正交試驗方案與試驗結(jié)果

表4 正交試驗結(jié)果分析

由表4可知，最佳試驗方案應(yīng)為A2B2C3，此時接頭抗拉強度196 MPa，達到母材強度的81.3%。另外，影響接頭抗拉強度最主要因素是焊接速度，在不同焊接速度條件下，接頭抗拉強度變化較大，這可能與試驗方案中設(shè)定的速度變化范圍有關(guān)。

接頭強度與轉(zhuǎn)速和焊接速度的比值ω/v的關(guān)系都是先上升后下降的關(guān)系（見圖1）。當(dāng)ω/v過大時，熱機影響區(qū)和熱影響區(qū)的過時效現(xiàn)象嚴(yán)重，加之金屬的粘度下降，軸肩無法截住速度較高的高溫金屬，而外觀上溢出形成飛邊、內(nèi)部形成孔洞等缺陷，降低接頭強度。當(dāng)ω/v過小時，焊縫的金屬材料溫度較低，粘度較大，焊縫金屬的流動性較弱，金屬無法填充焊縫根部，容易導(dǎo)致焊縫根部的未焊透缺陷，從而降低接頭強度。因此，合適的ω/v值能確保接頭抗拉強度。

圖1 抗拉強度與ω/v值的關(guān)系

由拉伸試樣斷口形貌可知，斷裂處發(fā)生了明顯的頸縮，宏觀上有明顯的塑性變形，斷口表面呈纖維狀并且粗糙不平，表面灰暗無金屬光澤，都屬于典型的韌性斷裂。焊接接頭的力學(xué)性能最薄弱處在熱影響區(qū)的軟化區(qū)。在6061鋁合金焊接過程中，由于攪拌摩擦熱的作用，其力學(xué)性能發(fā)生了很大的變化。這與接頭硬度分布結(jié)果相一致。

2.2 接頭金相組織分析

6號試樣金相組織如圖2所示。由圖2可知：（1）母材是典型的軋制組織，沿其軋制方向晶粒被拉長。（2）焊核區(qū)位于焊縫中央，組織均勻，沒有明顯的方向性，晶粒為細小的等軸晶晶粒，比母材的帶狀軋制晶粒組織有明顯的細化。這是因為該區(qū)域受到攪拌針強烈攪拌作用和軸肩的摩擦熱作用，焊縫金屬處于很高的應(yīng)變速率下，達到了再結(jié)晶條件，從而較母材區(qū)域組織較為細小。（3）前進側(cè)和后退側(cè)的熱機影響區(qū)（THAZ）的晶粒在靠近焊核區(qū)區(qū)域沿著軋制方向被拉長，其組織呈明顯的帶狀，晶粒尺寸大于焊核區(qū)，這是因為熱機影響區(qū)在焊接過程中同時受到機械攪拌和焊接熱循環(huán)雙重作用，部分材料發(fā)生變形，晶粒長大形成了軟化區(qū)，這與接頭硬度分布情況相一致。（4）熱影響區(qū)和母材沒有明顯的區(qū)別和界限，這是由于薄熱影響區(qū)熱輸入較小造成的。

圖2 6#接頭微觀金相組織（200×）

2.3 接頭硬度分析

6號試樣接頭硬度分布如圖3所示。由圖可知，接頭硬度沿截面呈現(xiàn)“W”型分布，兩側(cè)母材的硬度最高，熱影響區(qū)和熱機影響區(qū)之間硬度較低，焊核處硬度有所升高，硬度最低點出現(xiàn)在前進側(cè)的熱影響區(qū)和熱機影響區(qū)交界處，是接頭性能最薄弱的部位。這是因為6061屬于熱處理強化鋁合金，熱影響區(qū)和熱機影響區(qū)經(jīng)歷了焊接熱循環(huán)，可能使得彌散分布的第二相發(fā)生聚集，材料發(fā)生過時效，硬度降低，產(chǎn)生軟化現(xiàn)象，這與金相組織分析結(jié)果相吻合。而焊核區(qū)由于發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，晶粒細小，故強度比熱影響區(qū)有所提高。

圖3 6#接頭硬度分布

2.4 綜合分析

在本試驗條件及其他焊接參數(shù)不變的情況下，當(dāng)轉(zhuǎn)速為 1100～1200 r/min、壓入量為 0.3～0.4 mm、焊接速度為100～320 mm/min時，采用正交試驗方案所制備的16組接頭中，6號接頭抗拉強度最好，其值為196 MPa，達到母材強度的81.3%，這表明在本試驗條件下，焊接速度、主軸轉(zhuǎn)速和壓入量需優(yōu)化處理，因為這些參數(shù)的改變都會影響接頭的單位長度上的熱輸入量，從而影響力學(xué)性能。在對16組接頭金相組織及硬度分析中發(fā)現(xiàn)，金相組織與6號試樣相差不大，接頭硬度分布呈現(xiàn)與6號相似規(guī)律，且對應(yīng)點的硬度分布相差無幾，這也進一步說明在本試驗條件下，主軸轉(zhuǎn)速、焊接速度、壓入量對成形良好的6061鋁合金攪拌摩擦焊接頭金相組織及接頭硬度分布無明顯影響。

3 結(jié)論

（1）所制備的16組焊接接頭成形良好，接頭金相組織、硬度分布呈現(xiàn)相似規(guī)律，表明主軸轉(zhuǎn)速、焊接速度、壓入量在給定范圍內(nèi)對接頭硬度分布影響不大。

（2）當(dāng)攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為1100r/min、焊接速度200mm/min、壓入量為 0.3 mm時，接頭抗拉強度為196 MPa，達到母材強度的81.3%，影響接頭抗拉強度最為明顯的是焊接速度。

[1]王國慶.鋁合金的攪拌摩擦焊[M].北京：中國宇航出版社，2010.

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