6016-T4和5182-O鋁合金回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊力學(xué)性能研究

何玉松，葉青亮，吉 華，朱 君

（1.上海汽車集團(tuán)股份有限公司 乘用車公司，上海 200245；2.航天工程裝備蘇州有限公司，上海 200245）

6016-T4和5182-O鋁合金回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊力學(xué)性能研究

何玉松1，葉青亮1，吉 華2，朱 君2

（1.上海汽車集團(tuán)股份有限公司 乘用車公司，上海 200245；2.航天工程裝備蘇州有限公司，上海 200245）

利用回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊（FSSW）技術(shù)焊接6016-T4和5182-O異種金屬接頭，研究其顯微組織及力學(xué)性能。以剪切拉伸性能為評(píng)價(jià)指標(biāo)，得出最優(yōu)工藝參數(shù)是：下壓深度1.5 mm，旋轉(zhuǎn)速度2 200 r/min，焊接時(shí)間2.5s，平均剪切力2950N。疲勞極限載荷F=296N，疲勞斷裂時(shí)裂紋起源于上下板搭接處，同時(shí)向板厚和板寬方向擴(kuò)展。接頭顯微組織中沒有鑄態(tài)的柱狀晶，均為等軸晶和較母材晶粒略有長(zhǎng)大的組織，接頭性能良好。

回填式攪拌摩擦焊；力學(xué)性能；6016-T4鋁合金；5182-O鋁合金

0 前言

填充式攪拌摩擦點(diǎn)焊（Refill Friction Stir Spot Welding，F(xiàn)SSW）屬于一種單點(diǎn)連接方法，采用與攪拌摩擦焊相同的技術(shù)原理，將旋轉(zhuǎn)的攪拌頭插入被焊的兩層工件，利用摩擦生熱和攪拌頭高速旋轉(zhuǎn)形成的金屬塑性流動(dòng)而形成焊點(diǎn)[1－3]。攪拌摩擦點(diǎn)焊是一種可靠、節(jié)能、環(huán)保的輕金屬單點(diǎn)固相連接技術(shù)，具有焊點(diǎn)強(qiáng)度高、質(zhì)量好、工藝簡(jiǎn)單、焊接工具壽命長(zhǎng)、缺陷少、變形小、節(jié)省能源及成本、清潔等優(yōu)點(diǎn)，目前已成功應(yīng)用在飛機(jī)機(jī)身、汽車車身及鋁合金輪圈等結(jié)構(gòu)件上[2－4]。上海航天設(shè)備制造總廠自主研發(fā)的機(jī)器人型填充式攪拌摩擦點(diǎn)焊機(jī)FSSW-SK-003原理如圖1所示，攪拌工具由壓緊套、攪拌套以及攪拌針組成，焊接過程主要分為四步：（1）摩擦預(yù)熱階段；（2）攪拌套下壓及攪拌針回抽階段；（3）攪拌針下壓及攪拌套回抽階段；（4）平磨形成平整焊點(diǎn)階段。

圖1 填充式攪拌摩擦點(diǎn)焊原理

隨著攪拌摩擦焊技術(shù)在鋁合金焊接方面的廣泛應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外對(duì)于不同型號(hào)鋁合金攪拌摩擦點(diǎn)焊的研究也越來越多[2－5]，但是多針對(duì)同種金屬接頭，而異種金屬接頭少有研究。在此主要研究6016-T4和5182-O鋁合金接頭的最優(yōu)參數(shù)和力學(xué)性能。

1 試驗(yàn)材料和方法

母材為6016-T4鋁合金和5182-O鋁合金，其化學(xué)成分如表1所示，板厚1 mm。采用搭接接頭，搭接尺寸25mm×25mm，焊接時(shí)6016搭接在5182上方。

表1 鋁合金母材的化學(xué)成分 %

焊前必須嚴(yán)格清理表面，去除氧化膜，清理后應(yīng)及時(shí)焊接。對(duì)焊接后的取樣試件進(jìn)行接頭剪切拉伸試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)。根據(jù)攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭靜載性能，選取最優(yōu)工藝參數(shù)焊接疲勞試樣。采用正弦應(yīng)力控制方式（應(yīng)力比0.1，最大載荷為0.5倍的接頭抗拉強(qiáng)度，加載頻率20 Hz）進(jìn)行接頭疲勞測(cè)試，選取5個(gè)應(yīng)力等級(jí)，繪制載荷與疲勞壽命的關(guān)系，即F-N曲線。采用DNS100型萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，使用JSM-7001F掃描電子顯微鏡觀察疲勞斷口。

表2 6016-T4和5182-O鋁合金接頭工藝參數(shù)正交分析表

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 剪切拉伸試驗(yàn)及工藝參數(shù)確定

采用正交試驗(yàn)方法確認(rèn)摩擦點(diǎn)焊工藝參數(shù)，每個(gè)參數(shù)設(shè)定3個(gè)水平，旋轉(zhuǎn)速度分別為1400r/min、1 800 r/min、2 200 r/min，焊接時(shí)間分別為2.5 s、3.5 s、4.5 s，下壓深度分別為0.9 mm、1.2 mm、1.5 mm。設(shè)計(jì)L9（33）三因素三水平正交試驗(yàn)，以剪切拉伸性能作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行焊接工藝評(píng)定，確定合適的焊接工藝參數(shù)，每組焊接參數(shù)選取3～5個(gè)，在DNS100型萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行剪切拉伸試驗(yàn)，結(jié)果取其平均值。利用正交分析表（見表2）及正交分析原理分析試驗(yàn)結(jié)果，選出最優(yōu)參數(shù)組合。

極差越大，該因素對(duì)結(jié)果的影響越大。對(duì)于6016-T4和5182-O鋁合金接頭攪拌摩擦點(diǎn)焊，從表2可知，下壓深度的極差值最大，旋轉(zhuǎn)速度次之，焊接時(shí)間最小。最佳試驗(yàn)條件為：下壓深度1.5 mm，旋轉(zhuǎn)速度2 200 r/min，焊接時(shí)間2.5 s。這個(gè)參數(shù)組合在正交試驗(yàn)表中，已進(jìn)行焊接試驗(yàn)，焊點(diǎn)成形良好，此時(shí)剪切拉伸力最大2 950 N。

2.2 疲勞試驗(yàn)

根據(jù)疲勞試驗(yàn)結(jié)果，繪制載荷與疲勞壽命的關(guān)系，即F-N曲線，以指數(shù)形式表達(dá)為FnN=C，以對(duì)數(shù)形式表達(dá)為lgF=A-BlgN，如圖2所示。將疲勞試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)運(yùn)用Origin繪圖軟件進(jìn)行直線擬合，通過擬合獲得lgF和lgN的關(guān)系式以及在疲勞壽命N= 106時(shí)的疲勞極限載荷F。

圖2 6016-T4和5182-O鋁合金接頭F-N曲線

圖3 6016-T4和5182-O鋁合金接頭疲勞斷口形貌

由圖2可知，攪拌摩擦點(diǎn)焊lgF和lgN的關(guān)系式為lgF=3.93-0.24lgN，并根據(jù)關(guān)系式求得N=106時(shí)疲勞極限載荷F=296 N。

2.3 疲勞斷口形貌分析

采用SUPRA55型場(chǎng)發(fā)射電子掃描顯微鏡觀察6016-T4/5182-O（6016-T4為上板，5182-O為下板）鋁合金板FSSW接頭疲勞斷口形貌，如圖3所示。

A～E區(qū)域的微觀斷口形貌如圖3a所示。在A處靠近上板正面呈冰糖狀形貌，屬于脆斷型瞬斷區(qū)；在B處可以清楚地看到條紋狀形貌,如圖3b所示，說明裂紋是向板厚方向擴(kuò)展，且環(huán)繞焊核；且疲勞紋是從上表面往內(nèi)部擴(kuò)展，這進(jìn)一步表明疲勞裂紋源位于兩板的搭接面處，如圖中D區(qū)所示，疲勞紋如圖3b所示；在D處還可以看到在疲勞擴(kuò)展過程中形成的疲勞臺(tái)階，說明疲勞裂紋源不止一個(gè)，圖3b中至少有3處臺(tái)階疲勞紋；E處為焊核周圍疲勞斷裂后，疲勞裂紋繼續(xù)板寬方向擴(kuò)展形成的疲勞擴(kuò)展區(qū)，在E處可發(fā)現(xiàn)大量的韌窩分布；F處為疲勞瞬斷區(qū)，可以看到準(zhǔn)解理河流呈烏鴉爪狀解理花樣，如圖3c所示。由此可知，裂紋起源于上下板搭接處，從焊點(diǎn)的一側(cè)向另一側(cè)周向擴(kuò)展，同時(shí)裂紋向板厚和板寬方向同時(shí)擴(kuò)展。

2.4 接頭微觀組織形貌分析

不同母材連接方式下攪拌摩擦點(diǎn)焊的微觀組織形貌如圖4所示。由于點(diǎn)焊過程主要發(fā)生在上板，焊點(diǎn)上部區(qū)域較寬，呈盆狀，如圖4a所示。根據(jù)微觀組織特征，依次可將接頭組織劃分為母材區(qū)BM（見圖4b）、焊核區(qū)SZ（見圖4c）、熱影響區(qū)HAZ（見圖4d）及熱機(jī)影響區(qū)TMAZ（見圖4e）。

由圖4可知，6016-T4和5182-O鋁合金接頭攪拌摩擦點(diǎn)焊焊核區(qū)位于板材表面的包鋁層形成的粘連韌帶以上區(qū)域，長(zhǎng)度方向約等于套筒直徑尺寸，攪拌工具的攪拌作用以及攪拌針和攪拌套之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的熱與力攪拌的綜合作用使得晶粒發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，形成細(xì)小的等軸再結(jié)晶組織，如圖4c所示。熱影響區(qū)組織在焊接過程中僅受到熱循環(huán)的作用，晶粒長(zhǎng)大趨勢(shì)明顯，尤其是在厚度方向上大于母材晶粒，如圖4d所示。在攪拌工具的攪拌作用下，熱機(jī)影響區(qū)和焊核區(qū)晶粒發(fā)生了嚴(yán)重的塑性變形，然而與焊核區(qū)相比，熱機(jī)影響區(qū)材料的應(yīng)變速率較低，沒有動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的發(fā)生，晶粒在材料流動(dòng)方向上被拉長(zhǎng)，如圖4e所示。

3 結(jié)論

（1）6016-T4和5182-O鋁合金接頭的攪拌摩擦點(diǎn)焊最優(yōu)工藝參數(shù)為：下壓深度1.5 mm，旋轉(zhuǎn)速度2200r/min，焊接時(shí)間2.5s，最大平均剪切力2950N。

（2）攪拌摩擦點(diǎn)焊lgF和lgN的關(guān)系式為lgF= 3.93-0.24lgN，疲勞極限載荷F=296 N。

（3）裂紋起源于上下板搭接處，從焊點(diǎn)的一側(cè)向另一側(cè)周向擴(kuò)展，與此同時(shí)，裂紋向板厚方向擴(kuò)展；在焊點(diǎn)邊緣擴(kuò)展結(jié)束后，繼而向板寬方向擴(kuò)展。

（4）接頭組織表現(xiàn)為等軸晶（焊核區(qū)、熱機(jī)影響區(qū)）和較母材晶粒度略有長(zhǎng)大的組織（熱影響區(qū)）。

圖4 6016-T4和5182-O鋁合金接頭微觀組織形貌

[1]Z Shen，X Yang，Z Zhang，et al.Microstructure and failure mechanisms of refill friction stir spot welded 7075-T6 aluminum alloy joints[J].Materials&Design，2013（44）：476-486.

[2]Z Shen，XYang，SYang，etal.Microstructureandmechanical properties offrictionspotwelded6061-T4 aluminum alloy[J].Materials&Design，2014（54）：766-778.

[3]Z Shen，X Yang，Z Zhang，et al.Mechanical properties and failure mechanisms of friction stir spot welds of AA 6061-T4 sheets[J].Materials&Design，2013（49）：181-191.

[4]申志康，楊新岐，張照華，等.鋁合金回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊組織及力學(xué)性能分析[J].焊接學(xué)報(bào)，2013，34（6）：73-76.

[5]申志康，楊新岐，張照華，等.6061-T4鋁合金回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊顯微組織及力學(xué)性能研究[EB/OL].http://www.paper.edu.cn/releasepaper/content/201303-620.

Research on mechanical properties of refill friction stir spot welding of 6016-T4 and 5182-O aluminum alloy

HE Yusong1，YE Qingliang1，JI Hua2，ZHU Jun2
（1.SAIC Motor Passenger Vehicle Co.，Ltd.，Shanghai 200245，China；2.China Aerospace Science and Technoloy Co.，Shanghai 200245，China）

Weld 6016-T4 and 5182-O dissimilar metal joint by refill type friction stir spot welding(FSSW)technology，to study the microstructure and mechanical properties.Shear tensile properties as the main evaluation index to get the optimal process parameters the depth of 1.5 mm，rotate speed is 2 200 r/min，welding time is 2.5 s，the average shear force is 2 950 N.Fatigue limit load F=296 N，the fatigue fracture cracks originate in the joint that between two plates，at the same time extend in the direction of thickness and width.There is no as-cast columnar crystal in the microstructure of the joints，and are isometric crystal and slightly bigger organization than parent metal grain，having good joint properties.

refill type friction stir spot welding；mechanical property；6016-T4 aluminum alloy；5182-O aluminum alloy

TG407

A

1001－2303（2017）02－0080-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.02.15

2016-11-28；

2016-12-15

何玉松（1984—），男，上海人，工程師，學(xué)士，主要從事材料的開發(fā)與認(rèn)可工作。

獻(xiàn)

何玉松，葉青亮，吉華，等.6016-T4和5182-O鋁合金回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊力學(xué)性能研究[J].電焊機(jī)，2017，47（02）：80-83.