攪拌摩擦點(diǎn)焊工藝參數(shù)對(duì)接頭組織及力學(xué)性能的影響

徐紅勇, 王瑾, 聶盼, 吉華, 洪曉祥, 張陽(yáng)陽(yáng)

(1.航天工程裝備(蘇州)有限公司,江蘇 蘇州215100 ；2.上海航天設(shè)備制造總廠有限公司，上海200245)

0 前言

為消除常規(guī)式攪拌摩擦點(diǎn)焊過(guò)程中形成的匙孔，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在常規(guī)式攪拌摩擦點(diǎn)焊基礎(chǔ)上，提出了多種消除匙孔的方法[1-5]，其中德國(guó) GKSS發(fā)明的回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊技術(shù) (Refill friction stir spot welding, Refill FSSW ) 通過(guò)焊具復(fù)雜的相對(duì)運(yùn)動(dòng)將擠出的熱塑性材料重新擠入焊點(diǎn)，達(dá)到了增大接頭有效承載面積從而提高接頭力學(xué)性能的目的[6]。該方法具有焊接質(zhì)量穩(wěn)定、接頭質(zhì)量高、焊后變形小以及高效節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，在輕質(zhì)合金的連接方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[7]。

已有報(bào)道中對(duì)回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊技術(shù)的介紹主要是對(duì)稱回填和非對(duì)稱回填攪拌摩擦點(diǎn)焊兩種[8-11]。航天工程裝備(蘇州)有限公司在以上兩種方法的基礎(chǔ)上提出了自補(bǔ)償攪拌摩擦點(diǎn)焊的概念。采用該方法可獲得表面成形質(zhì)量較好的接頭，攪拌針面成形較差問(wèn)題被完全消除，并且焊點(diǎn)根部未出現(xiàn)孔洞等缺陷。

采用正交法設(shè)計(jì)試驗(yàn)，通過(guò)分別制備不同焊接工藝參數(shù)下自補(bǔ)償回填式 FSSW點(diǎn)焊接頭，以剪切拉伸力為指標(biāo)，結(jié)合直觀分析與方差分析，探究各因素對(duì)接頭剪切拉伸力影響程度，并通過(guò)分析得到該組合FSSW較優(yōu)的焊接工藝參數(shù)。通過(guò)對(duì)接頭表面成形質(zhì)量與微觀組織分析，深入研究焊點(diǎn)成形質(zhì)量及微觀組織隨焊接工藝參數(shù)的演變規(guī)律，揭示接頭顯微硬度、微觀組織與力學(xué)性能相關(guān)性。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)所用的材料為1 mm 厚的6016-T4鋁合金，主要合金元素為Mg和Si，屬于熱處理可強(qiáng)化鋁合金。該材料具有耐蝕性高，無(wú)應(yīng)力腐蝕破裂傾向，焊接性能良好，焊接區(qū)腐蝕性能不變，成形性和工藝性能良好等優(yōu)點(diǎn)。其化學(xué)成分見(jiàn)表1。焊接試驗(yàn)在FSSW-SK-003型點(diǎn)焊機(jī)上進(jìn)行，焊接過(guò)程中能夠提供最高軸向壓力為15 kN，最高旋轉(zhuǎn)速度達(dá)3 000 r/min。點(diǎn)焊工具為分體式，由壓緊套、攪拌套及攪拌針組成，其直徑分別為φ18 mm，φ9 mm，φ5.2 mm，焊接過(guò)程如圖1所示。

表1 6016-T4化學(xué)組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

點(diǎn)焊接頭采用搭接形式，其幾何尺寸如圖2所示。焊前所有鋁片用乙醇擦拭，去除油污等雜質(zhì)。采用正交法設(shè)計(jì)試驗(yàn)，選取焊接時(shí)間、旋轉(zhuǎn)速度和下扎深度為因素，因素水平見(jiàn)表2。該試驗(yàn)采用攪拌套下扎形式，其焊接時(shí)間是指攪拌套下扎與回抽時(shí)間的總和，焊具為同向同速旋轉(zhuǎn)。每組參數(shù)焊接6個(gè)剪切拉伸試樣，檢測(cè)結(jié)果除去極值后取平均值，以剪切拉伸力為正交試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用正交試驗(yàn)優(yōu)化后參數(shù)制備十字拉伸及金相試樣。其中剪切拉伸試樣和十字拉伸試樣分別按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/Rz141.0142011《變形鋁及鋁合金摩擦點(diǎn)焊工藝規(guī)范》和Q/Rz141.015 X011《變形鋁及鋁合金摩擦點(diǎn)焊通用技術(shù)條件》進(jìn)行加工。

圖1 回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊過(guò)程示意圖

圖2 Refill FSSW 點(diǎn)焊試樣幾何尺寸

表2 正交試驗(yàn)因素與水平表

沿垂直于焊點(diǎn)中心的方向切割金相和硬度試樣，經(jīng)鑲嵌、研磨、腐蝕后對(duì)接頭微觀組織進(jìn)行觀察分析；試樣鑲嵌、粗磨、精磨和拋光處理后，沿上下板厚度方向中線以及上、下板材搭接界面處進(jìn)行維氏硬度測(cè)試，如圖3 所示。相鄰測(cè)量點(diǎn)之間的距離為 0.5 mm，加載載荷為 0.49 N，載荷持續(xù)時(shí)間為 20 s。采用DNS100型萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。

圖3 顯微硬度測(cè)試點(diǎn)位置示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖4 為6016-T4 鋁合金Refill FSSW 正交試驗(yàn) 9 組工藝參數(shù)下試樣焊點(diǎn)宏觀形貌。如圖4所示，采用回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊所制備試樣焊點(diǎn)表面呈盆狀，焊點(diǎn)表面低于工件表面約0.02～0.06 mm，主要是由于6系鋁合金流動(dòng)性能較好，在相同焊接工藝下，擠入焊具間隙內(nèi)材料相對(duì)較多，材料填充不足會(huì)產(chǎn)生焊點(diǎn)表面成形差以及環(huán)溝槽等缺陷。如圖4d, 4e, 4f 所示，焊接時(shí)間為4.5 s時(shí)，焊點(diǎn)表面成形較佳，焊后飛邊較少。

圖4 6016-T4 鋁合金 Refill FSSW 正交試驗(yàn)試樣焊點(diǎn)照片

在正交試驗(yàn)所制備9組試樣中，每組隨機(jī)選6個(gè)進(jìn)行剪切拉伸試驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)果除去極大值及極小值，若檢測(cè)結(jié)果與平均值相差大于10%，則重新選取試樣進(jìn)行檢測(cè)。表3所示為6016-T4 鋁合金 Refill FSSW 正交試驗(yàn)剪切拉伸力結(jié)果。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果

由表可知，焊接時(shí)間為4.5 s；焊具旋轉(zhuǎn)速度為 1 600 r/min；下扎深度為 1.4 mm；接頭拉伸性能最好，因此該組參數(shù)為最優(yōu)參數(shù)。各因素R值分別為0.297，0.357，0.190，對(duì)比各因素R值可知，對(duì)接頭剪切拉伸性能影響程度最大為焊具旋轉(zhuǎn)速度，其次為焊接時(shí)間，下扎深度影響最小。根據(jù)焊具旋轉(zhuǎn)速度與焊接時(shí)間K值最大所對(duì)應(yīng)水平，初步選擇焊具旋轉(zhuǎn)速度最佳為 1 200 r/min，焊接時(shí)間最佳為 4.5 s。

根據(jù)焊接時(shí)間與旋轉(zhuǎn)速度交互作用的表4可知，4.5 s×1 200 r/min對(duì)應(yīng)為3.97，略小于4.5 s×1 600 r/min，由于焊具旋轉(zhuǎn)速度R值最大，因此，該試驗(yàn)選擇焊接時(shí)間最優(yōu)為4.5 s，焊具旋轉(zhuǎn)速度為 1 200 r/min。下扎深度對(duì)接頭剪切拉伸性能影響最小，K值最大所對(duì)應(yīng)為1.4 mm，因此，6016-T4/6016-T4(1+1) 鋁合金Refill FSSW 最優(yōu)工藝參數(shù)為：t=4.5 s；v=1 200 r/min；h=1.4 mm。

表4 6016-T4 鋁合金Refill FSSW正交試驗(yàn)t×v交互作用

采用最優(yōu)工藝參數(shù)(該組編號(hào)10)制備剪切拉伸試樣并進(jìn)行剪切拉伸性能檢測(cè)，其檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5。采用優(yōu)化后最優(yōu)工藝參數(shù)所制備的試樣剪切拉伸力均值為 3.73 kN，極差為0.08 kN。由于其小于工藝參數(shù)6所制備試樣剪切拉伸力(4.02 kN)，該試驗(yàn)選取正交試驗(yàn)中剪切拉伸性能最優(yōu)組6號(hào)為最優(yōu)工藝參數(shù)，因此，6016-T4/6016-T4(1+1) 鋁合金 FSSW 最優(yōu)工藝參數(shù)為：焊接時(shí)間4.5 s；焊具旋轉(zhuǎn)速度 1 600 r/min；下扎深度 1.4 mm，最優(yōu)工藝參數(shù)焊點(diǎn)接頭剪切拉伸力與位移關(guān)系曲線如圖5 所示，組內(nèi)極差為0.08，說(shuō)明焊接質(zhì)量非常穩(wěn)定。

表5 最優(yōu)工藝參數(shù)剪切拉伸性能復(fù)驗(yàn) kN

圖5 最優(yōu)參數(shù)下焊點(diǎn)接頭剪切拉伸力與位移關(guān)系曲線

圖6 為典型的6016-T4 鋁合金 FSSW 接頭橫截面宏觀組織，由中心向外分別為焊核區(qū)、熱力影響區(qū)、熱影響區(qū)及母材，如圖6a所示，焊接時(shí)間為4.5 s，焊具旋轉(zhuǎn)速度為 1 600 r/min，下扎深度為1.4 mm的接頭表面成形較為平整，焊點(diǎn)材料充分回填，在焊接摩擦熱作用下，工件被軟化并有少許熱塑性材料被擠出焊點(diǎn)，在接頭表面形成飛邊，焊點(diǎn)表面低于工件約0.06 mm(圖6b)?；靥钍綌嚢枘Σ咙c(diǎn)焊工具為間隙配合，在焊接過(guò)程中，少量的材料被焊具帶出，以及在攪拌套下壓過(guò)程中擠出焊點(diǎn)形成少量飛邊，焊點(diǎn)高度略低于工件表面。

圖6c所示為焊接“Z線”。在焊接過(guò)程中，由于攪拌頭的攪拌作用，將氧化皮打碎，但未充分均勻分布于基體中，因而形成了“Z線”缺陷?！癦線”是由于焊接工藝參數(shù)選取不當(dāng)，熱輸入不足，氧化皮未徹底打碎導(dǎo)致兩個(gè)界面未達(dá)到較好的原子結(jié)合，其對(duì)接頭力學(xué)性能無(wú)明顯的影響。圖6d所示為焊具退出線附近未充分混合區(qū)，是由于焊具攪拌不充分。圖6e所示為兩板間隙，除焊點(diǎn)之外，上下兩板其他區(qū)域并沒(méi)有形成有效的冶金連接，為未結(jié)合區(qū)。圖6f所示為上下板表面氧化皮在焊點(diǎn)中心的結(jié)合面處形成粘連韌帶，在外加載荷作用下，粘連韌帶處容易引起應(yīng)力集中，裂紋傾向于沿著結(jié)合面處的粘連韌帶擴(kuò)展，形成穿過(guò)焊核斷裂形式，因此，粘連韌帶的存在會(huì)一定程度降低接頭剪切拉伸性能。圖6g為鋁合金 FSSW 焊點(diǎn)Hook形貌。Hook缺陷是攪拌摩擦點(diǎn)焊過(guò)程中不可避免的缺陷，接頭Hook的誕生使得結(jié)合區(qū)域減小，較容易產(chǎn)生裂紋擴(kuò)展源，從而抗剪強(qiáng)度有下降趨勢(shì)。

圖6 6016-T4 鋁合金 FSSW 金相圖譜

該試驗(yàn)對(duì)最優(yōu)工藝參數(shù)下制備的6016-T4鋁合金FSSW試樣剪切拉伸性能與正應(yīng)力下拉伸性能進(jìn)行檢測(cè)，見(jiàn)表6，6016-T4鋁合金FSSW試樣最優(yōu)工藝參數(shù)下試樣剪切拉伸力均值為4.02 kN。正應(yīng)力下拉伸性能采用十字拉伸形式，采用最優(yōu)工藝參數(shù)制備6個(gè)十字拉伸試樣，選取5個(gè)進(jìn)行十字拉伸性能測(cè)試。圖7所示為十字拉伸試樣照片，采用最優(yōu)工藝參數(shù)所制備試樣，其焊點(diǎn)表面成形質(zhì)量較好，表6為十字拉伸檢測(cè)結(jié)果，其均值為1.32 kN，約為剪切拉伸力的32.8%。

表6 6016-T4/6016-T4(1+1)鋁合金 FSSW 十字拉伸結(jié)果 kN

圖7為6016-T4鋁合金R-FSSW最優(yōu)工藝參數(shù)十字拉伸試樣宏觀照片。圖7a為最優(yōu)工藝參數(shù)下點(diǎn)焊試樣宏觀形貌，圖7b所示為最優(yōu)工藝參數(shù)下十字拉伸后試樣宏觀照片，圖7c所示為十字拉伸斷口形貌。在正應(yīng)力作用下，十字拉伸失效位置沿焊核外側(cè)，熱影響區(qū)附近紐扣狀剝離，斷口呈環(huán)狀(圖7c, 7d)。這與接頭的宏觀形貌形貌有關(guān)(圖6)，由于該工藝固有缺陷未充分混合、Hook、粘連韌帶等的存在，使得十字拉伸上板很容易拔出。

圖7 6016-T4 鋁合金R-FSSW最優(yōu)工藝參數(shù)

十字拉伸試樣宏觀照片

圖8為6016-T4鋁合金FSSW最優(yōu)焊接工藝參數(shù)試樣剪切拉伸斷口。在剪切應(yīng)力作用下，試樣由Hook缺陷處斷裂(圖8a)，斷裂起始位置為上板并靠近載荷方向一側(cè)，為熱影響區(qū)(圖8c)，是由于熱影響區(qū)在焊接熱作用下，組織較為粗大，強(qiáng)度降低。在拉伸過(guò)程中形成頸縮(圖8b)，同時(shí)在頸縮處可看到明顯的晶粒隨拉伸變形拉長(zhǎng)現(xiàn)象。此外，在剪切應(yīng)力作用下，試樣經(jīng)變形之后，并不完全沿著Hook缺陷處擴(kuò)展(圖8c)。

圖8 6016-T4鋁合金FSSW最優(yōu)工藝參數(shù)試樣

剪切拉伸斷口分析

由圖9可知， 6016-T4鋁合金FSSW最優(yōu)工藝參數(shù)試樣接頭的母材區(qū)的顯微硬度值在70 HV左右，同時(shí)，在接頭的熱影響區(qū)處硬度值略有下降，其中下板下降幅度最大。這是因?yàn)樵诤附舆^(guò)程中，熱影響區(qū)晶粒產(chǎn)生回復(fù)作用，從而使得硬度下降；在攪拌套和攪拌針作用區(qū)邊緣，接頭硬度出現(xiàn)明顯的峰值現(xiàn)象，這是在焊接過(guò)程中鋁合金表面的氧化膜被攪碎分布在了攪拌套和攪拌針作用區(qū)邊緣所致；中間部位的攪拌針直接作用區(qū)硬度較為均勻，但硬度值整體高于母材區(qū)，這是在焊接過(guò)程中攪拌針作用區(qū)的晶粒被細(xì)化，使得該作用區(qū)的硬度有所提高。

采用最優(yōu)工藝參數(shù)制備6016-T4鋁合金FSSW 鑿檢試樣，制備數(shù)量為4個(gè)，隨機(jī)選取3個(gè)進(jìn)行鑿檢性能測(cè)試，如圖10a所示，由圖可知,鑿檢試樣焊點(diǎn)表面成形較好，將鑿子插入至與被檢查焊點(diǎn)距約5 mm處上下扳動(dòng)鑿子，經(jīng)鑿檢后，試樣左右兩側(cè)張角約45°，如圖10b所示，可見(jiàn)，采用最優(yōu)工藝參數(shù)下所制備6016-T4/6016-T4 (1+1) 焊點(diǎn)接頭在鑿檢試驗(yàn)過(guò)程中均未出現(xiàn)松動(dòng)，說(shuō)明焊點(diǎn)牢固，質(zhì)量均合格。

圖9 6016-T4鋁合金FSSW最優(yōu)工藝參數(shù)試樣顯微硬度

圖10 6016-T4 鋁合金FSSW最優(yōu)工藝

參數(shù)下鑿檢試樣照片

3 結(jié)論

(1)采用回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊技術(shù)成功制備了1.0 mm厚6016-T4鋁合金點(diǎn)焊接頭，試樣表面光亮平整，無(wú)環(huán)溝槽缺陷。較優(yōu)工藝參數(shù)為：焊接時(shí)間4.5 s、旋轉(zhuǎn)速度1 600 r/min、下扎深度1.4 mm。

(2)接頭剪切拉伸力、十字拉伸力分別為4.02 kN與1.32 kN。

(3)中間部位的攪拌針直接作用區(qū)硬度較為均勻，顯微硬度值高于母材區(qū)。

(4)焊點(diǎn)接頭在鑿檢試驗(yàn)過(guò)程中均未出現(xiàn)松動(dòng)，說(shuō)明焊點(diǎn)牢固，質(zhì)量良好。