靜止軸肩攪拌摩擦焊T型接頭組織及力學行為

吉 華 ，徐 萌 ，封小松 ，姚君山

(1.上海航天設備制造總廠，上海 200245；2.國防科技工業(yè)特種焊接技術(shù)研究應用中心，上海 200245）

0 前言

攪拌摩擦焊FSW(Friction Stir Welding)技術(shù)經(jīng)過20多年的發(fā)展，已經(jīng)走出了實驗室階段，成功應用于航空航天、軌道交通、汽車、船舶等領(lǐng)域[1]。目前，受制于焊接過程中攪拌工具與工件剛性接觸的要求，常規(guī)FSW攪拌工具軸肩與攪拌針固定，其適用的接頭型式主要為對接和搭接兩種。然而，在現(xiàn)代大型航空航天焊接構(gòu)件以及現(xiàn)代船舶等行業(yè)中，存在大量的曲率半徑較大的工件，此時很難保證軸肩與工件接觸面為平面，如角接和T型接頭?，F(xiàn)有報道的技術(shù)方案中主要采用熔化焊技術(shù)，然而由于熔化焊相對于攪拌摩擦焊固有的缺陷，焊接質(zhì)量和接頭可靠性難以得到有效控制。

目前，國內(nèi)外文獻對于靜止軸肩攪拌摩擦焊（SSFSW）的研究報道極少，無資料可參考，本課題組針對這些難點，在大量試驗探索的基礎(chǔ)上創(chuàng)造性地采用靜止軸肩攪拌摩擦焊技術(shù)對航天用6061鋁合金T型接頭進行焊接，分析T型接頭組織特征，并著重研究不同的攪拌針旋轉(zhuǎn)速度和焊接速度對T型接頭力學行為的影響。

1 靜止軸肩攪拌摩擦焊（SSFSW）原理

SSFSW攪拌裝置包括靜止軸肩和位于其上的旋轉(zhuǎn)式攪拌針[2]。焊接過程中攪拌針旋轉(zhuǎn)，與常規(guī)FSW不同的是其軸肩不旋轉(zhuǎn)，軸肩沿著焊接方向移動，如圖1所示。當軸肩滑過材料表面時，一方面能抑制材料的擠出，另一方面有利于焊縫表面成形。焊接熱源主要由旋轉(zhuǎn)的攪拌針和工件的摩擦熱提供。

圖1 靜止軸肩攪拌摩擦焊示意

2 試驗過程和材料

2.1 試驗材料

采用尺寸200 mm×100 mm×6 mm的6061-T6鋁合金進行SSFSW試驗，其材料成分如表1所示。試驗設備采用上海航天設備制造總廠生產(chǎn)的二維攪拌摩擦焊設備，為減少未焊透對接頭性能的影響，在此對T型接頭進行雙面焊。

表1 6061鋁合金化學成分 %

2.2 接頭質(zhì)量、組織和力學性能分析

采用著色探傷對T型接頭進行表面探傷；采用X射線對T型接頭進行無損檢測；采用德國ZEISS顯微鏡進行金相觀察分析。采用三思拉伸試驗機對T型接頭進行拉伸試驗研究，拉伸試驗過程如圖2所示。

3 試驗結(jié)果和分析

3.1 接頭表面成形和內(nèi)部質(zhì)量

圖2 接頭抗拉強度測量示意

在大量試驗的基礎(chǔ)上，選擇主軸轉(zhuǎn)速為1600～2200r/min，焊接速度40～80mm/min。T型接頭SSFSW焊縫表面形貌如圖3所示，表面成形美觀，無表面刮傷、劃傷、犁溝等缺陷。著色探傷如圖4所示，探傷表明表面無明顯缺陷，無未焊透等缺陷。X射線探傷底片如圖5所示。由于T型接頭型式并不適合于射線探傷，為減少探傷誤差，在試驗時將T型接頭底板的另一邊用鉛板隔離。探傷結(jié)果表明，T型接頭內(nèi)部無未焊透、隧道等缺陷，接頭質(zhì)量良好。

圖3 T型接頭表面成形

圖4 T型接頭表面著色探傷圖

3.2 T型接頭組織分析

T型接頭宏觀和微觀組織結(jié)構(gòu)如圖6所示。由圖6a可知，經(jīng)過兩次焊接，T型接頭背部連接區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了緊密貼合，接頭無未焊透、溝槽、隧道等缺陷，與X射線探傷試驗結(jié)果吻合。

圖5 T型接頭X射線探傷底片

圖6 T型接頭金相圖

圖6b為焊核區(qū)微觀組織，可以發(fā)現(xiàn)焊核區(qū)晶粒細化且均勻分布，晶粒尺寸約為10 μm，這主要由于焊核區(qū)內(nèi)材料在攪拌針的攪拌作用和熱影響的共同作用下發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，產(chǎn)生細小的等軸晶。圖6c熱機影響區(qū)位于焊核區(qū)與熱影響區(qū)之間，在剪切力和焊接熱循環(huán)的共同作用下發(fā)生了不完全動態(tài)再結(jié)晶，通常表現(xiàn)為彎曲變形的晶粒。熱影響區(qū)是指沒有受到攪拌針作用的區(qū)域，該區(qū)域由于受到不均勻溫度場的作用，晶粒在一定程度上發(fā)生了長大，如圖6d所示。如圖6e、圖6f所示，與常規(guī)FSW類似的是該區(qū)域也呈洋蔥環(huán)狀，不同的是該洋蔥環(huán)更趨于扁平。常規(guī)FSW表面區(qū)域為軸肩作用下的鍛造區(qū)，而圖6e、圖6f所示的區(qū)域不受軸肩的旋轉(zhuǎn)鍛造作用，僅受頂鍛力擠壓成型，表面區(qū)域晶粒剪切程度較低，晶粒細化程度相對常規(guī)FSW焊縫較小。

3.3 接頭力學性能測試

當焊接速度為40 mm/min時，攪拌針旋轉(zhuǎn)速度與接頭抗拉強度之間的關(guān)系如表2所示。由表可知，在能夠獲得良好焊縫成形的條件下，側(cè)拉和正拉抗拉強度受攪拌針的旋轉(zhuǎn)速度影響較小，另一方面也說明，攪拌針的旋轉(zhuǎn)速度對焊接熱過程的影響不明顯，因而其對接頭力學性能的影響較小。

表2 接頭力學性能與主軸旋轉(zhuǎn)速度之間的關(guān)系（焊接速度40 mm/min）

當攪拌針旋轉(zhuǎn)速度為1400 r/min時，焊接速度與接頭力學性能之間的關(guān)系如表3所示。由表可知，在獲得良好焊縫成形的基礎(chǔ)上，略微增加焊接速度可在一定程度上提高接頭的抗拉強度。這是因為在攪拌針旋轉(zhuǎn)速度一定的情況下，熱輸入的增加必然會增加接頭的軟化程度，而且會增加熱影響區(qū)中晶粒長大的傾向，其抗拉強度略有下降。

表3 接頭力學性能與焊接速度之間的關(guān)系（攪拌針旋轉(zhuǎn)速度為1400 r/min）

本研究采用的是T6狀態(tài)的6061鋁合金，接頭系數(shù)65%～71%(母材抗拉強度290 MPa)。由圖7可知，斷裂位置位于熱影響區(qū)，表明熱影響區(qū)是T型接頭最為薄弱的區(qū)域。

圖7 拉伸斷裂宏觀

4 結(jié)論

（1）采用靜止軸肩攪拌摩擦焊原理，通過優(yōu)化焊接工藝，并采用著色探傷和X射線無損檢測發(fā)現(xiàn)，當攪拌針旋轉(zhuǎn)速度為1600～2200 r/min，焊接速度為40～80 mm/min時，能夠獲得成形美觀、接頭性能良好的T型焊接接頭。

（2）金相試驗研究發(fā)現(xiàn)，SSFSW焊縫可明顯觀察到常規(guī)FSW所形成的接頭區(qū)域，但由于軸肩靜止的特性，焊縫內(nèi)部晶粒細化程度較小，焊核區(qū)呈現(xiàn)扁平狀的洋蔥環(huán)形貌。

（3）拉伸試驗表明，SSFSW接頭系數(shù)能達到65%以上，小幅度增加焊接速度在一定程度上有利于提高接頭的抗拉強度，且拉伸斷裂區(qū)位于熱影響區(qū)。

[1]王國慶，趙衍華.鋁合金的攪拌摩擦焊接[M].北京:中國宇航出版社，2010：10

[2]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，2003.