焊前裝配精度對5083鋁合金FSW工藝的影響

張驍，王敏，張會杰，朱智，于濤，楊廣新

(中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所，沈陽 110016)

工程因素是影響焊接接頭性能的重要因素之一。在攪拌摩擦焊接過程中，當(dāng)攪拌頭確定時(shí)，影響焊接接頭性能的工程因素主要有焊接間隙、板厚差和板材表面處理狀態(tài)等因素[1]。攪拌摩擦焊屬于比較精密的加工技術(shù)，對焊前裝配精度要求非常高[2]，要求被焊材料被嚴(yán)格夾持在工作臺上，尤其是對板材界面的焊接間隙要求比較嚴(yán)格。

在實(shí)際焊接過程中，由于提供的板材原始厚度誤差的存在，或者板材加工后形成的厚度誤差，待焊的兩個(gè)零件的板厚會有一定的差異，造成焊接時(shí)的板厚差問題。所以需要嚴(yán)格要求加工精度和充足的焊前準(zhǔn)備，控制好工程因素也是獲得良好FSW焊縫的關(guān)鍵[3]。

1 試驗(yàn)

首先進(jìn)行焊前準(zhǔn)備工作，為了獲得合格的焊前裝配精度，先用砂紙打磨被焊板材的四周，去除毛刺，再用丙酮清洗焊板的表面和對接面，去除表面污垢。為了找出8 mm厚5083鋁合金攪拌摩擦焊接最佳工藝參數(shù)，試驗(yàn)采用控制變量法進(jìn)行了3組試驗(yàn):控制攪拌頭進(jìn)給速度和攪拌頭軸肩壓深量不變，改變攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度焊接對接板材;控制攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度和軸肩壓深量不變，改變攪拌頭進(jìn)給速度焊接對接板材;控制攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度和攪拌頭進(jìn)給速度不變，改變軸肩壓深量焊接對接板材。焊接工藝參數(shù)如下:轉(zhuǎn)速為400～1000 r/min，焊接速度為50 ～300 mm/min，壓深為0.1～0.3 mm。通過綜合分析焊縫成形、焊縫常規(guī)力學(xué)性能、焊縫微觀組織和焊縫減薄量，來確定8 mm厚5083鋁合金攪拌摩擦焊接最佳工藝參數(shù)。

在上述研究的基礎(chǔ)上，對焊前裝配精度進(jìn)行研究，包括焊前裝配間隙對焊縫質(zhì)量的影響和被焊工件之間的高度差對焊縫質(zhì)量的影響。在研究焊前裝配間隙對焊接接頭質(zhì)量的影響時(shí)，將兩塊對接板材放置在墊板上，一端緊密對接成零間隙，另一端控制為2.15 mm的對接間隙。具體焊接方法如圖1所示。在研究對接板材之間的高度差對焊縫質(zhì)量的影響時(shí)，將一塊厚度為10 mm的5083鋁合金板材在銑床上銑出一道傾斜面，控制板材最薄的地方為8 mm，另一塊對接板材厚度均為8 mm，將兩塊板材裝配在墊板上，攪拌頭從板厚差小的地方焊起，具體焊接方法如圖2所示。

圖1 變間隙焊接示意圖(mm)Fig.1 Diagram of the variable butt clearance

圖2 板厚差焊接示意圖Fig.2 Diagram of the variable thickness difference

2 結(jié)果與分析

2.1 對接間隙對FSW工藝的影響

2.1.1 對接間隙對焊縫表面成形的影響

圖3為改變對接間隙的情況下FSW焊縫表面成形情況。從圖3中可以明顯觀察到焊縫開始端成形良好，表面紋理均勻，光滑，無飛邊、溝槽等缺陷。焊縫表面受到攪拌頭軸肩的摩擦，其寬度與軸肩直徑相同。但當(dāng)攪拌頭行進(jìn)到距離起始點(diǎn)大約60 mm(即對接間隙大約為1.1 mm)時(shí)，可以觀察到焊縫表面有微小的孔洞產(chǎn)生，焊縫結(jié)合較差。當(dāng)攪拌頭行進(jìn)到距離起點(diǎn)70 mm的位置即對接間隙在1.3 mm時(shí)，焊縫表面開始形成表面犁溝缺陷，此缺陷一直延續(xù)到焊縫尾孔部分，并且表面犁溝的寬度在逐漸增大。分析認(rèn)為熔化焊在焊接過程中，母材溫度達(dá)到熔點(diǎn)，且可以向母材中添加焊條使焊縫母材得到補(bǔ)充而填滿間隙，而攪拌摩擦焊接時(shí)高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭扎入工件后沿著焊接方向運(yùn)動(dòng)，在攪拌頭與工件的接觸部位產(chǎn)生摩擦熱，使其周圍金屬形成塑性軟化層，軟化層金屬在攪拌頭旋轉(zhuǎn)的作用下填充攪拌針后方所形成的空腔，并在攪拌頭軸肩與攪拌針的擠壓及攪拌作用下實(shí)現(xiàn)材料連接的固相焊接方法[4]。因?yàn)樵诤缚p的起始端焊縫對接間隙控制在一定的范圍內(nèi)，在焊接過程中軟化層金屬可以在攪拌頭旋轉(zhuǎn)的作用下向后方移動(dòng)補(bǔ)充，但當(dāng)對接間隙過大時(shí)，向后方移動(dòng)補(bǔ)充的塑性金屬不足以填滿整個(gè)后方空腔，所以產(chǎn)生孔洞和溝槽缺陷[5]。且對接縫隙越往后越大，所以焊縫中的溝槽越往后也越來越寬[6]。圖4為焊縫表面缺陷放大圖。

圖3 變間隙焊縫表面成形Fig.3 Weld surface forming in different butt clearances

圖4 焊縫缺陷放大示意圖Fig.4 The enlarged diagram of weld defect

2.1.2 對接間隙對焊縫內(nèi)部成形的影響

試驗(yàn)在變間隙FSW焊縫上選取對接間隙為0.2，0.5，0.8，1.1，1.4 mm 等5 個(gè)有代表性的橫截面進(jìn)行宏觀截面分析，圖5所示為變間隙焊縫橫截面宏觀金相圖。在圖5中各個(gè)焊縫橫截面宏觀圖中都可以觀察到3個(gè)不同的微觀組織區(qū)域，即熱影響區(qū)、熱機(jī)影響區(qū)和焊核區(qū)。焊縫上部呈冠狀，中下部為焊核沉積區(qū)。在焊核的中心可以清晰地觀察到洋蔥環(huán)結(jié)構(gòu)。在對接間隙變化的情況下，焊核形狀都為橢圓狀，但隨著對接間隙的增大，焊核區(qū)的寬度逐漸變窄，最終在對接間隙為1.4 mm時(shí)出現(xiàn)溝槽缺陷。在對接間隙小于1.1 mm時(shí)，各個(gè)焊縫在橫截面上均無缺陷出現(xiàn)。分析認(rèn)為，在對接間隙小于1.1 mm時(shí)，在焊接過程中軟化層金屬可以在攪拌頭旋轉(zhuǎn)的作用下向后方移動(dòng)補(bǔ)充，并且能夠補(bǔ)充因?yàn)閷娱g隙的存在而產(chǎn)生的空隙[7]，但是由于空隙的存在，焊核區(qū)寬度出現(xiàn)逐漸減小現(xiàn)象。當(dāng)對接間隙達(dá)到1.4 mm時(shí)，由于對接間隙寬度過大，向后方移動(dòng)補(bǔ)充的塑性金屬不足以填滿整個(gè)后方空腔，所以產(chǎn)生溝槽缺陷[8]。

圖5 不同對接面間隙下的焊縫橫截面形貌Fig.5 The morphology of weld cross section of different butt clearances

2.1.3 對接間隙對焊縫力學(xué)性能的影響

2.1.3.1 對接間隙對接頭拉伸性能的影響

圖6為試驗(yàn)選取的典型對接間隙所對應(yīng)的焊接接頭抗拉強(qiáng)度示意圖。如圖6所示，對接間隙0.2 mm時(shí)的接頭抗拉強(qiáng)度199 MPa，為母材的88%;對接間隙0.5 mm時(shí)的接頭抗拉強(qiáng)度202 MPa，為母材的90%;對接間隙0.8 mm時(shí)的接頭抗拉強(qiáng)度198 MPa，為母材的88%;對接間隙1.1 mm時(shí)的接頭抗拉強(qiáng)度186 MPa，為母材的87%;對接間隙1.4 mm時(shí)的接頭抗拉強(qiáng)度110 MPa，為母材的49%。從圖6中可以明顯看出，隨著對接間隙的增大，接頭抗拉強(qiáng)度逐漸減小，但對接間隙在1.1 mm范圍之內(nèi)時(shí)，接頭抗拉強(qiáng)度波動(dòng)不大，且抗拉強(qiáng)度值在合理的范圍之內(nèi)。當(dāng)對接間隙增加到1.4 mm時(shí)，接頭抗拉強(qiáng)度突然下降很多。分析認(rèn)為隨著對接間隙的增大，抗拉強(qiáng)度值的下降可能與焊核寬度減小有一定的關(guān)系[9]，接頭抗拉強(qiáng)度的突然減小是因?yàn)榻宇^中產(chǎn)生了缺陷，嚴(yán)重降低了接頭的力學(xué)性能[10]。

圖6 變間隙焊接接頭抗拉強(qiáng)度示意圖Fig.6 The tensile strength of the joints of different butt clearances

在變間隙焊接試驗(yàn)中，各個(gè)焊接接頭在拉伸試驗(yàn)中的焊縫斷裂位置見圖7。左側(cè)為變間隙焊接接頭正面拉伸斷裂示意圖，右側(cè)為斷裂位置局部放大示意圖。當(dāng)對接間隙為 0.2，0.5，0.8 mm 時(shí)，斷裂發(fā)生在焊縫兩側(cè)的母材區(qū)域，焊縫保存完好，說明對接間隙保持在0.8 mm以內(nèi)時(shí)，在焊縫區(qū)域內(nèi)沒有內(nèi)部缺陷且在焊接熱影響區(qū)沒有產(chǎn)生軟化現(xiàn)象，所以能得到力學(xué)性能較好的焊接接頭。當(dāng)對接間隙達(dá)到1.1 mm以上的時(shí)候，焊接接頭中就已經(jīng)出現(xiàn)了溝槽缺陷，溝槽缺陷成了斷裂的裂紋源，所以斷裂發(fā)生在焊縫區(qū)域[11]。觀察斷裂位置局部放大圖可以清晰地發(fā)現(xiàn)，在對接間隙小于0.8 mm時(shí)，接頭斷口距離明顯小于對接間隙大于1.1 mm時(shí)接頭的斷口距離，說明在對接間隙小于0.8 mm時(shí)接頭的伸長率比，對接間隙大于1.1 mm時(shí)接頭的伸長率要大得多。

圖7 變間隙焊接接頭拉伸斷裂位置示意圖Fig.7 Tentile rupture position in different gaps

不同對接間隙時(shí)焊接接頭的伸長率如圖8所示。對接間隙為0.2 mm和0.4 mm時(shí)焊接接頭的伸長率均為24%，對接間隙為0.8 mm時(shí)接頭的伸長率為27%，對接間隙為1.1 mm時(shí)接頭伸長率為10%，對接間隙為1.4 mm時(shí)接頭伸長率僅為1%。從圖8中可以明顯地觀察到，對接間隙小于0.8 mm時(shí)的接頭伸長率變化不大且都達(dá)到24%以上，符合力學(xué)性能要求。當(dāng)對接間隙大于1.1 mm時(shí)，由于缺陷的存在，接頭伸長率驟然下降。

圖8 變間隙接頭伸長率示意圖Fig.8 The elongation of the joints of different gaps

2.1.3.2 對接間隙對接頭硬度分布的影響

圖9為變對接間隙焊接工藝下焊縫橫截面顯微硬度分布圖。從圖9中可以觀察出對接間隙為1.1 mm時(shí)的焊接接頭橫截面顯微硬度值總體比對間隙為0.5 mm的接頭顯微硬度值低，且在焊接接頭的前進(jìn)側(cè)熱影響區(qū)硬度值出現(xiàn)了波動(dòng)情況，說明在此區(qū)域出現(xiàn)了過時(shí)效的軟化現(xiàn)象，使接頭的力學(xué)性能下降[12]。當(dāng)對接間隙為0.5 mm時(shí)焊接接頭橫截面硬度值趨于平穩(wěn)，焊核區(qū)硬度值略有升高，在前進(jìn)側(cè)熱影響區(qū)和后退側(cè)熱影響區(qū)的硬度值偶爾有大幅度波動(dòng)，由于量少可以忽略不計(jì)，焊縫力學(xué)性能均勻。

圖9 變間隙焊縫橫截面顯微硬度示意圖Fig.9 Cross section microhardness of different gaps

在實(shí)際生產(chǎn)焊接過程中，焊前對接間隙的產(chǎn)生是不可避免的[13]，綜合分析對接間隙對焊接接頭表面以及內(nèi)部成形的影響、對接間隙對焊縫常規(guī)力學(xué)性能的影響，包括對抗拉強(qiáng)度、伸長率、接頭硬度分布等的影響，可以清晰地看到，當(dāng)焊前對接間隙小于1.1 mm時(shí)，焊接接頭的綜合力學(xué)性能與無對接間隙時(shí)所形成的焊接接頭的力學(xué)性能相差不多，在可以接受的數(shù)值范圍之內(nèi)。當(dāng)焊前對接間隙大于1.1 mm時(shí)，焊接接頭綜合力學(xué)性能明顯下降，不符合使用要求。在使用攪拌摩擦焊接工藝焊接8 mm厚5083鋁合金，采用攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為600 r/min、焊接速度為200 mm/min、軸肩壓入量為0.3 mm的焊接工藝參數(shù)時(shí)，焊前裝配間隙控制在1.1 mm以下，所得到的焊接接頭才滿足使用要求。

2.2 對接板件板厚差對FSW工藝的影響

在攪拌摩擦焊接過程中，如果兩塊板材厚度不相同，則容易產(chǎn)生孔洞和飛邊缺陷[14]。因?yàn)樵诤附舆^程中一側(cè)金屬的壓入量過大，容易產(chǎn)生飛邊缺陷，而對于另外一側(cè)的金屬而言，壓入量過小，容易產(chǎn)生孔洞缺陷。因此，文中研究焊前板材高度差對攪拌摩擦焊接工藝的影響。

2.2.1 對接板材板厚差對焊縫表面成形的影響

圖10為改變板厚差情況下FSW焊縫表面成形情況，圖10b為該焊縫頭部放大示意圖，圖10c為該焊縫尾部放大示意圖。如圖10所示，在焊縫起始端，被焊板材沒有高度差存在，焊縫表面成形良好，表面紋理均勻，光滑，無飛邊、溝槽等缺陷，焊縫表面受到攪拌頭軸肩的摩擦，但其寬度相比攪拌頭軸肩有略微減小。隨著攪拌頭向前行進(jìn)，當(dāng)焊接到距離起始位置8 mm時(shí)開始有飛邊出現(xiàn)，并且隨著攪拌頭向前行進(jìn)飛邊越來越大，在焊接到焊縫長度約為180 mm即板厚差為1.38 mm時(shí)，為了避免損壞攪拌頭，停止了焊接。在焊接之后，可以明顯地觀察到焊縫金屬相對于母材金屬具有很大的減薄量，但焊縫表面和內(nèi)部沒有溝槽、孔洞等缺陷產(chǎn)生[15]。

2.2.2 對接板材板厚差對焊縫內(nèi)部成形的影響

圖10 變板厚差焊縫表面成形Fig.10 Diagram of surface forming of various thick difference

試驗(yàn)在變板厚差FSW焊縫上，選取對接板材板厚差為0.7，1.05，1.38 mm 等 3 個(gè)有代表性的橫截面進(jìn)行宏觀截面分析，如圖11所示為變板厚差焊縫橫截面宏觀形貌圖。從圖11可以明顯地觀察到，3組變板厚差焊縫橫截面宏觀圖成形良好且極其相似，都分為明顯的熱影響區(qū)、熱機(jī)影響區(qū)和焊核區(qū)[16]。焊縫上部呈冠狀，中下部為焊核沉積區(qū)，各個(gè)焊縫的軸肩影響區(qū)、焊核區(qū)等組織區(qū)域的尺寸大體相同，焊核區(qū)都為形狀飽滿的橢圓形。在焊核的中心可以清晰地觀察到洋蔥環(huán)結(jié)構(gòu)，但隨著板材高度差的增大，洋蔥環(huán)的密度逐漸增大[17]。分析認(rèn)為，隨著被焊板材高度差的增大，攪拌頭軸肩受到母材的反作用力就相應(yīng)增大[18]，為了保證軸肩壓入量為一定值，攪拌頭軸肩的頂鍛力就隨之增大，焊接壓力增大，攪拌頭軸肩與被焊工件之間的摩擦力增大，在攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度和焊接速度相同的情況下，會產(chǎn)生更多的摩擦熱，使焊接熱輸入增加[19]，所以形成了越來越致密的洋蔥環(huán)結(jié)構(gòu)。

圖11 變板厚差焊縫橫截面宏觀形貌Fig.11 Macrograph of cross section in various thickness difference

2.2.3 對接板材板厚差對焊縫力學(xué)性能的影響

由于試驗(yàn)方案是變板厚差焊接，所以在拉伸試樣上的高度差也是變化的，是一個(gè)高度差范圍。圖12為試驗(yàn)選取的典型板厚差所對應(yīng)的焊接接頭抗拉強(qiáng)度分布圖。如圖12所示，當(dāng)被焊板材板厚差在0.4～0.68 mm 時(shí)，接頭的抗拉強(qiáng)度為188.61 MPa，為母材的84%。當(dāng)被焊板材板厚差在0.78～0.96 mm時(shí)，接頭的抗拉強(qiáng)度為190.79 MPa，為母材的85%。當(dāng)被焊板材板厚差在1.18～1.38 mm時(shí)，接頭的抗拉強(qiáng)度為190.33 MPa，為母材的85%。從圖12可以直觀地觀察到，當(dāng)對接板材的板厚差逐漸增大時(shí)，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度并沒有下降，而是保持在小范圍內(nèi)浮動(dòng)，這說明隨著板材板厚差的增加，焊接接頭的綜合力學(xué)性能并沒有下降，而是保持在了一定的水平[20]。

圖12 變板厚差焊接接頭抗拉強(qiáng)度Fig.12 Tensile strength of various thickness difference

在變板厚差焊接試驗(yàn)中，各個(gè)焊接接頭在拉伸試驗(yàn)中的焊縫斷裂位置見圖13。左側(cè)為變板厚差焊接接頭正面拉伸斷裂示意圖，右面為斷裂位置局部放大示意圖。當(dāng)被焊板材板厚差為0.4～0.68 mm，0.78～0.96 mm，1.18 ～1.38 m 時(shí)，斷裂均發(fā)生在焊縫兩側(cè)的母材區(qū)域，焊縫保存良好，說明隨著對接板材板厚差的增加，在焊縫區(qū)域內(nèi)沒有內(nèi)部缺陷且在焊接熱影響區(qū)沒有發(fā)生軟化現(xiàn)象，可以得到力學(xué)性能較好的焊接接頭[21]。

改變板件板厚差工藝下焊接接頭拉伸試驗(yàn)伸長率如圖14所示。板厚差為0.4～0.68 mm時(shí)，焊接接頭的伸長率為18%，板厚差為0.78～0.96 mm時(shí)，焊接接頭的伸長率為17%，板厚差為1.18～1.38 mm時(shí)，焊接接頭的伸長率為16%。如圖14所示，隨著被焊板材板厚差逐漸增加，焊接接頭的伸長率相差不大但有略微下降，下降幅度并不大，說明隨著被焊板材板厚差的增大[22]，焊接接頭的伸長率也和抗拉強(qiáng)度一樣，受到的影響很小，焊接接頭的綜合力學(xué)性能并沒有下降。

圖13 變板厚差焊接接頭拉伸斷裂位置示意圖Fig.13 Tensile fracture position of various thickness difference

圖14 變板厚差焊接接頭伸長率示意圖Fig.14 The Elongation of weld in different gaps

綜合以上變板厚差的焊縫表面成形、內(nèi)部成形以及接頭常規(guī)力學(xué)性能，包括抗拉強(qiáng)度、伸長率、斷口位置的分析可以得出，當(dāng)被焊板材板厚差逐漸增大的時(shí)候，雖然在焊縫表面會有飛邊出現(xiàn)，但所得的焊縫在綜合力學(xué)性能上并沒有下降，均在合理范圍內(nèi)[23]。但由于在攪拌摩擦焊接過程中要保持軸肩壓入量為恒定值，被焊板材的板厚差越大，焊接時(shí)攪拌頭軸肩需要碾壓的金屬就越多，攪拌頭所受的焊接阻力就會越大[24]，甚至?xí)蹟鄶嚢桀^，這對焊接設(shè)備的損害是非常大的[20]。為了保護(hù)攪拌摩擦焊接設(shè)備和攪拌頭，在焊接到最大板厚差為1.38 mm時(shí)停止了焊接，因?yàn)閿嚢枘Σ梁附釉O(shè)備的主軸出現(xiàn)了明顯的晃動(dòng)現(xiàn)象。所以建議在使用攪拌摩擦焊焊接8 mm厚5083鋁合金，采用攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為600 r/min、焊接速度為200 mm/min、軸肩壓入量為0.3 mm的焊接工藝參數(shù)時(shí)，焊前板材之間的板厚差應(yīng)保持在1.38 mm以下，既會得到質(zhì)量合格的焊接接頭，又可以使焊接設(shè)備免于受到較大的損壞。

3 結(jié)論

1)當(dāng)板材對接間隙大于1.1 mm時(shí)，在焊縫表面會出現(xiàn)表面犁溝缺陷。當(dāng)對接間隙在0～1.1 mm范圍內(nèi)變化時(shí)，所得接頭的綜合力學(xué)性能與無缺陷接頭的力學(xué)性能比較接近，說明FSW工藝對對接間隙存在一定的容限。當(dāng)對接間隙高于這個(gè)值時(shí)，接頭性能就會由于缺陷的出現(xiàn)而顯著降低。

2)隨著對接板材板厚差的增大，焊接設(shè)備的顫動(dòng)程度增大，焊縫飛邊量增多，焊接質(zhì)量變差。就5083鋁合金而言，在板厚差小于1.38 mm時(shí)，所得接頭的拉伸性能趨于一致，說明FSW工藝對板厚差也存在一定的容限，但在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)綜合考慮焊接設(shè)備和工藝的穩(wěn)定性以及焊縫成形質(zhì)量，對對接工件板厚差應(yīng)予以嚴(yán)格限制。

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