攪拌頭結(jié)構(gòu)尺寸變化對接頭力學性能的影響

劉 杰， 屈志軍， 宮文彪

(1.中車長春軌道客車股份有限公司， 吉林 長春 130062;

2.長春工業(yè)大學 材料科學與工程學院， 吉林 長春 130012)

0 引 言

攪拌頭是攪拌摩擦焊技術(shù)應用的關(guān)鍵，在攪拌摩擦焊過程中,攪拌頭的主要作用是加熱和軟化被焊接材料,破壞和彌散接頭表面的氧化層,驅(qū)使接頭熱塑化材料流動以及使轉(zhuǎn)移后的熱塑化材料形成固相連接的接頭。在攪拌摩擦焊焊接過程中，焊縫塑性材料的流動直接關(guān)系到焊縫組織的形成，對接頭性能具有重要的影響。攪拌頭主要由軸肩和攪拌針兩部分構(gòu)成，其幾何形貌和尺寸不僅決定著焊接過程的熱輸入量，也影響焊接過程中攪拌頭附近塑化金屬的流動形式，對于給定板厚接頭形式的鋁合金材料來說，焊接質(zhì)量和效率主要取決于攪拌頭的結(jié)構(gòu)尺寸，因而設(shè)計合理的攪拌頭是提高焊接質(zhì)量、獲得高性能接頭的前提和關(guān)鍵[1-3]。對國內(nèi)焊接行業(yè)來說，攪拌頭開發(fā)的核心技術(shù)研究尚不夠深入[4-5]，市場上的攪拌頭規(guī)格型號也是多種多樣，尋求適宜的符合生產(chǎn)實際需要的專用攪拌頭，進行對比試驗分析是很有必要的。

文中著重分析了自行優(yōu)化設(shè)計的6種主流結(jié)構(gòu)形式的攪拌頭對焊接接頭力學性能的影響，為攪拌摩擦焊技術(shù)在鋁合金車體推廣應用中的攪拌工具選型提供依據(jù)。

1 試驗材料與方法

試驗用材料為4 mm板厚的6082-T6鋁合金板材，焊接板材尺寸規(guī)格為500 mm×150 mm×4.0 mm,化學成分見表1。

表1 鋁合金化學成分 %

焊接試驗在型號為FSW-LM-AL25的攪拌摩擦焊設(shè)備上進行，焊接工藝流程為：焊前打磨→組對焊接→焊后清理→機加取樣。試驗所用單軸肩攪拌頭針長為4.0 mm，前傾角為2.5°。在攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為1 400 r/min，焊接速度為800 mm/min和1 000 mm/min工藝條件下，分別采用6種不同軸肩結(jié)構(gòu)、軸肩尺寸及攪拌針結(jié)構(gòu)的攪拌頭進行焊接試驗，研究了軸肩結(jié)構(gòu)、軸肩尺寸及攪拌針結(jié)構(gòu)變化的攪拌頭對接頭力學性能的影響。試驗用不同的攪拌頭見表2。

表2 試驗用不同的攪拌頭

焊接試驗完成后，依據(jù)標準[6]分別制取試樣。拉伸和彎曲試驗在室溫條件下，在WDW-200型電子萬能試驗機上進行試驗，加載速率15 mm/min，試驗后對斷裂位置進行分析；彎曲試驗采用的彎曲角度大于150°，評判標準依據(jù)文獻[6]，檢測過程中試樣在任一方向上不得出現(xiàn)3 mm的單一裂紋。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 焊縫表面形貌分析

采用不同攪拌頭實施焊接試驗，焊接完成后對焊縫表面宏觀形貌進行分析，如圖1所示。

由圖1可以看出，在攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為1 400 r/min，焊接速度為800 mm/min的相同焊接工藝參數(shù)條件下，獲得的焊縫表面成型良好，紋路清晰，焊后飛邊較小，匙孔處未見焊接缺陷。但是仔細對比發(fā)現(xiàn)，采用漸開線(2#)結(jié)構(gòu)軸肩的攪拌頭焊接時，焊縫表面形貌相對較為粗糙，飛邊呈鋁屑狀分布在焊縫兩側(cè)，焊縫表面宏觀形貌如圖2所示。

圖1 不同攪拌頭焊后焊縫表面宏觀形貌

圖2 攪拌頭2#焊后焊縫表面宏觀形貌

2.2 焊后攪拌頭形貌分析

采用1#～6#攪拌頭分別在攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為1 400 r/min，焊接速度為800 mm/min的焊接工藝條件下連續(xù)焊接長度2 000 mm的焊縫，焊后對比不同攪拌頭的軸肩和攪拌針的特征形貌,見表3。

由表3可以看出，攪拌針結(jié)構(gòu)不同，焊后黏鋁情況有所差異。當攪拌針加工斜豎向溝槽無論深溝槽和淺溝槽，均被鋁屑黏滿，在焊接初期溝槽可起到攪拌塑化金屬，并使金屬沿溝槽向下運動的作用，但隨著焊接過程的持續(xù)進行，鋁屑會黏滿溝槽，此時溝槽在一定程度上作用不明顯了。當攪拌針采用三截面結(jié)構(gòu)的攪拌頭，未發(fā)現(xiàn)有黏鋁現(xiàn)象，此類型攪拌針在焊接時能增加攪拌量，攪拌程度越大，攪拌針向前移動所受到的阻力越小，小平面有利于塑性金屬從攪拌針表面移動，避免前進側(cè)的金屬被剪切，減小了行進阻力，同時避免了攪拌針黏著鋁屑。軸肩結(jié)構(gòu)不同，焊后黏鋁情況仍有所差異；當采用螺旋形漸開線的攪拌頭焊接后，漸開線槽大部分被鋁屑填滿，造成在焊接過程中漸開線槽并未能起到對塑性金屬導流的作用；而同心圓環(huán)形的軸肩無論焊接時間多長，均無黏鋁現(xiàn)象存在。同時漸開線形軸肩攪拌頭焊縫表面形貌較差，有大量絲狀鋁屑附著在焊縫表面；當攪拌頭高速旋轉(zhuǎn)時，漸開線對塑性金屬的導流作用變得非常弱，溝槽及溝槽邊緣只是對金屬進行切削，并未起到導流作用；同心圓環(huán)則依靠圓環(huán)對塑性金屬起到擠壓、推動作用，因此軸肩采用同心圓結(jié)構(gòu)，焊后焊縫表面相對光滑。

2.3 焊接接頭力學性能分析

采用1#～6#攪拌頭分別在焊接轉(zhuǎn)速為1 400 r/min，焊接速度為800 mm/min和1 000 mm/min的焊接參數(shù)條件下焊接試驗板，焊后均獲得了無焊接缺陷的焊縫，不同攪拌頭焊接后獲得的接頭抗拉強度如圖3所示。

試驗結(jié)果表明，采用不同的攪拌頭焊接后獲得的接頭抗拉強度均能達到250 MPa，符合ISO25239-4的標準要求。從焊接接頭抗拉強度對比分析可知，當選用同一種攪拌頭實施焊接時，焊接速度采用1 000 mm/min時獲得的接頭抗拉強度值均大于焊接速度為800 mm/min的情況。其中，采用設(shè)計制造的同心圓三截面結(jié)構(gòu)(其軸肩直徑為18 mm，攪拌針為6～4 mm)的攪拌頭，旋轉(zhuǎn)速度為1 400 r/min和焊接速度為1 000 mm/min的工藝條件下，獲得了最高的接頭抗拉強度285 MPa。這也進一步說明采用較大速度焊接時，焊接線能量降低，避免了鋁合金較大熱輸入量而造成的軟化現(xiàn)象，在其它工藝因素確定后適當?shù)卦龃蠛附铀俣葘μ岣呓宇^抗拉強度是有利的。

表3 焊后攪拌頭特征

圖3 焊接接頭抗拉強度對比圖

拉伸試樣斷裂后的形貌如圖4所示。

圖4 拉伸試驗斷裂位置

由圖4可見，拉伸斷裂發(fā)生在前進側(cè)過渡區(qū)的焊縫熱影響區(qū)，與之前的試驗結(jié)果類似[7-8]。焊接試樣經(jīng)180°正彎和背彎試驗后，焊縫位置未出現(xiàn)裂紋，如圖5所示。

(a) 面彎試樣

(b) 背彎試樣

不同規(guī)格型號的攪拌頭主要區(qū)別在于軸肩結(jié)構(gòu)、尺寸以及攪拌針結(jié)構(gòu)設(shè)計的不同。攪拌頭結(jié)構(gòu)主要可分為軸肩同心圓+攪拌針螺旋溝槽型、軸肩漸開線+攪拌針螺旋溝槽型和軸肩同心圓+攪拌針三平面型三大類；尺寸設(shè)計主要區(qū)別在于軸肩尺寸和攪拌針尺寸。綜上所述，軸肩漸開線類型的攪拌頭均存在黏鋁、焊縫表面成型差等現(xiàn)象，螺旋溝槽型攪拌針也存在會被鋁屑填滿，從而降低對塑性金屬的導流作用，也會使焊接接頭性能降低；而采用同心圓環(huán)軸肩+三截面攪拌針可實現(xiàn)較好的焊縫表面形貌，同時在力學性能測試時，也表現(xiàn)出了比較好的力學性能優(yōu)勢。目前攪拌頭市場存在有多種不同尺寸規(guī)格的同心圓三截面攪拌頭，不同的尺寸也會對焊接性能產(chǎn)生影響。軸肩的主要作用是避免塑性金屬移動至焊接以外區(qū)域以及在焊接過程中產(chǎn)生熱量，軸肩直徑大小對焊接熱輸入影響比較明顯。

3 結(jié) 語

1)采用優(yōu)化設(shè)計不同的攪拌頭，對4 mm板厚6082-T6鋁合金板材對接接頭實施了攪拌摩擦焊接，均可以獲得成型良好、表面光滑、無焊接缺陷的焊縫，接頭抗拉強度均能達到250 MPa；但是軸肩為漸開線形狀和攪拌針帶有斜向螺旋槽的攪拌頭在焊接中，存在黏鋁及焊縫成型較差現(xiàn)象。

2)使用設(shè)計制造的軸肩同心圓攪拌針三截面結(jié)構(gòu)的攪拌頭，在旋轉(zhuǎn)速度為1 400 r/min和焊接速度為1 000 mm/min的工藝條件下，獲得了抗拉強度285 MPa最高的接頭強度，斷裂位置發(fā)生在焊縫前進側(cè)的熱影響區(qū)。

[1] 王大勇,馮吉才,王攀峰.攪拌摩擦焊用攪拌頭研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].焊接,2004(6):6-10.

[2] Shindo D J, Rivera A R, Murr L E. Shape optimization for tool wear in the friction-stir welding of cast Al359- 20%SiCMMC[J]. Journal of Materials Science,2002,37(10):4999-5005.

[3] 李程錦,王陸釗,劉其鵬,等.攪拌頭幾何參數(shù)及傾角對攪拌摩擦焊接質(zhì)量影響的數(shù)值分析[J].大連交通大學學報,2017,38(5):70-74.

[4] 李博，沈以赴，胡偉葉.伸縮式攪拌頭厚鋁板攪拌摩擦焊缺陷及其補焊工藝[J].中國有色金屬學報,2012,22(1):62-71.

[5] Zhang Zhao, Wu Qi, Zhang Hongwu. Numerical studies of effect oftool sizes and pin shapes on friction stir welding of AA2024-T3 allo[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China,2014,24:3293-3301.

[6] 國際標準化組織委員會(ISO)．ISO25239-2011．鋁合金攪拌摩擦焊焊接工藝規(guī)程及鑒定[S].[出版地不詳]:瑞士出版社，2011:3-5.

[7] 肖靜,宮文彪,劉威,等.6005A-T6/6082-T6鋁合金FSW與MIG接頭組織與性能研究[J].長春工業(yè)大學學報,2015,36(1):1-5.

[8] 劉杰,楊景宏,王炎金,等.35 mm厚板鋁合金攪拌摩擦焊接頭組織和性能藝[J].焊接學報,2012,33(6):101-104.