5052/6061異種鋁合金薄板攪拌摩擦焊接工藝研究

王勇強(qiáng)，王進(jìn)，王夢婷，李寶閣，張會

5052/6061異種鋁合金薄板攪拌摩擦焊接工藝研究

王勇強(qiáng)，王進(jìn)，王夢婷，李寶閣，張會

（青島理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，山東 青島 266000）

研究焊接速度、攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度和下壓量對異種鋁合金攪拌摩擦焊接頭力學(xué)性能的影響，找出最佳工藝參數(shù)，從而進(jìn)一步提高接頭的力學(xué)性能。采用正交實(shí)驗(yàn)法對1.5 mm厚5052/6061異種鋁合金攪拌摩擦焊接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計，焊接完成后，觀察焊縫宏觀形貌，然后將試件制成標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，拉伸實(shí)驗(yàn)完成后用掃描電鏡觀察焊接接頭的斷口形貌，最后運(yùn)用極差分析法和方差分析法分別對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。在選取的工藝參數(shù)范圍內(nèi)，攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度影響最大，其次是焊接速度，下壓量影響最小。當(dāng)焊接速度為120 mm/min、轉(zhuǎn)速為1 400 r/min、下壓量為1.5 mm時，接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到了最大值194 MPa，伸長率也達(dá)到了最大值9.62%。在一定工藝參數(shù)范圍內(nèi)，提高焊接速度或攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度能顯著提高接頭的力學(xué)性能，而下壓量對接頭力學(xué)性能影響不顯著。

異種鋁合金；攪拌摩擦焊；接頭力學(xué)性能；正交實(shí)驗(yàn)

鋁合金以其密度低、耐腐蝕性能好、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車工業(yè)、機(jī)械制造等領(lǐng)域[1]。不同種類的鋁合金性能相差較大，導(dǎo)致每種鋁合金的應(yīng)用場合有所不同，但是在一些高要求的場合中，零件的不同部位需要具有不同的使用性能，單一鋁合金不能滿足其要求，因此，異種鋁合金材料的焊接顯得尤為重要[2]。英國焊接研究所研發(fā)的一種新型固相連接技術(shù)——攪拌摩擦焊，具有焊接接頭質(zhì)量高、焊件變形小、對環(huán)境污染小等特點(diǎn)[3]。不同材料的力學(xué)性能、物理化學(xué)性能及微觀結(jié)構(gòu)等存在較大差異，但是攪拌摩擦焊比傳統(tǒng)焊接方法對材料的適應(yīng)性更強(qiáng)，從而能夠有效克服這些性能差異對焊接造成的困難，故而使用攪拌摩擦焊連接異種材料具有很大的應(yīng)用前景[4]。攪拌摩擦焊在薄板焊接時有其獨(dú)特的優(yōu)勢，并且特別適用于鋁合金薄板的焊接[5]。

近年來國內(nèi)外許多研究者對異種鋁合金的攪拌摩擦焊接進(jìn)行了相關(guān)研究。Ravi等[6]對AA6061和A6082鋁合金攪拌摩擦焊接頭的力學(xué)性能和溫度變化進(jìn)行了優(yōu)化分析，研究表明，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度隨刀具轉(zhuǎn)速的增加而增加，焊接接頭具有一致的非對稱硬度分布，焊接截面攪拌區(qū)晶粒尺寸明顯小于相鄰的熱機(jī)械影響區(qū)和熱影響區(qū)。Anil等[7]針對AA3103和AA7075鋁合金板材進(jìn)行了攪拌摩擦焊接，優(yōu)化了其工藝參數(shù)，研究發(fā)現(xiàn)，在攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為1 200 r/min、焊接速度為15 mm/min時，采用三角銷型工具進(jìn)行攪拌摩擦焊接，可以生產(chǎn)出高質(zhì)量的焊縫。Shunmugasundaram等[8]將攪拌摩擦焊接工藝應(yīng)用于不同鋁合金AA6063和AA5052板的焊接，并采用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計對工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)果顯示，工具頭轉(zhuǎn)速為850 r/min、焊接速度為20 mm/min、攪拌頭傾斜角度為2° 時，焊接接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大。Msomi等[9]研究了1050-H14和5083-H111鋁合金攪拌摩擦焊接頭的質(zhì)量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，焊接接頭的拉伸性能高于AA1050-H14母材，但低于AA5083-H111母材，攪拌區(qū)顯微硬度高于AA1050-H14母材，但與AA5083-H111母材在相同范圍內(nèi)，攪拌區(qū)晶粒尺寸接近AA5083-H111母材，攪拌區(qū)形貌也與母材AA5083-H111相似，顯微硬度的測定結(jié)果與拉伸性能一致。常學(xué)斌等[10]研究了板材的相對位置對5083和6082鋁合金板材焊接接頭力學(xué)性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)，在前進(jìn)側(cè)時，6×××系鋁合金的焊接接頭力學(xué)性能要好于5×××系鋁合金。Dewangan等[11]研究了焊接速度對7075和5083同種與異種鋁合金攪拌摩擦焊接接頭質(zhì)量的影響，研究發(fā)現(xiàn)，在20 mm/min的焊接速度下，AA7075和AA5083異種鋁合金的焊接接頭質(zhì)量更高，同種鋁合金的攪拌摩擦焊在45 mm/min的焊接速度下可以獲得更高質(zhì)量的接頭，與同種鋁合金焊接相比，異種鋁合金焊接需要更高的熱輸入量。Kumar等[12]基于響應(yīng)面法研究了不同工具參數(shù)（工具頭直徑、工具頭偏移量、工具頭傾角）對5083-H111和6082-T6異種鋁合金攪拌摩擦焊接接頭力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，當(dāng)工具頭直徑為18 mm、偏移量為0 mm、傾角為1°時，焊接接頭的力學(xué)性能最好。Raturi等[13]研究了不同攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度和工具銷輪廓對AA6061-T6和AA2014-T6異種鋁合金攪拌摩擦焊接頭拉伸和沖擊性能的影響，結(jié)果表明，與TIF（帶有3個斷續(xù)的平面）工具銷相比，使用TPZ（截頂?shù)姆叫谓鹱炙危┕ぞ咪N在較低的攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度和焊接速度下，就能得到抗拉強(qiáng)度和抗沖擊性能較好的焊接接頭。Ramana等[14]研究了刀具轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度對5082和6061同種與異種鋁合金攪拌摩擦焊接頭的影響，結(jié)果表明，對于5082同種鋁合金，在刀具轉(zhuǎn)速為2 600 r/min和進(jìn)給速度為20 mm/min時，焊接接頭的力學(xué)性能得到了改善，抗拉強(qiáng)度提高了22.2%；對于6061同種鋁合金，刀具轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度對接頭力學(xué)性能影響不大；對于5082和6061異種鋁合金焊接件，在低速（20 mm/min）和高速（1 600 r/min）的進(jìn)給速度下，焊接接頭的力學(xué)性能都會得到改善。

文中以1.5 mm厚5052/6061異種鋁合金薄板為研究對象。在正交實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過改變每個工藝參數(shù)的水平對2種不同鋁合金進(jìn)行攪拌摩擦焊接，然后通過拉伸實(shí)驗(yàn)得出不同工藝參數(shù)下焊縫的抗拉強(qiáng)度和伸長率，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別進(jìn)行極差分析和方差分析。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料與設(shè)備

實(shí)驗(yàn)所用材料為廣西南南鋁加工有限公司提供的5052和6061鋁合金，供貨狀態(tài)為O態(tài)（O態(tài)鋁合金為退火態(tài)鋁合金，是工廠經(jīng)過退火處理后得到的產(chǎn)品），其化學(xué)成分和各項(xiàng)參數(shù)性能分別如表1和表2所示（材料的化學(xué)成分與各項(xiàng)參數(shù)性能均由廠家提供），尺寸為120 mm×60 mm×1.5 mm。

表1 鋁合金5052和6061的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

Tab.1 Chemical composition of aluminum alloys 5052 and 6061 (mass fraction) %

表2 鋁合金5052和6061的各項(xiàng)參數(shù)性能

Tab.2 Properties of aluminum alloys 5052 and 6061 under various parameters

焊接實(shí)驗(yàn)在航天工程裝備有限公司制造的HT-JC6×8/2型二維攪拌摩擦焊接設(shè)備上進(jìn)行。采用對接焊接，攪拌頭軸肩直徑為10 mm，攪拌針端部直徑為4 mm，攪拌針長1.2 mm（攪拌頭形貌如圖1所示）。

圖1 攪拌頭形貌

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

選取攪拌頭焊接速度、旋轉(zhuǎn)速度、下壓量作為正交實(shí)驗(yàn)的3個因素，每個因素取3個水平，正交實(shí)驗(yàn)各因素水平如表3所示，具體實(shí)驗(yàn)方案和結(jié)果如表4所示。實(shí)驗(yàn)過程中，6061始終保持在前進(jìn)側(cè)，5052始終保持在后退側(cè)。

表3 正交實(shí)驗(yàn)各因素水平

Tab.3 Factors and levels of orthogonal experiment

表4 正交實(shí)驗(yàn)方案和結(jié)果

Tab.4 Orthogonal experiment scheme and results

2 結(jié)果與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在攪拌摩擦焊機(jī)床上按照正交實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行焊接，實(shí)驗(yàn)完成后，將焊接接頭加工成標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣。在WDW-50KN型拉伸機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸實(shí)驗(yàn)，拉伸速度為1 mm/min。

焊縫的宏觀形貌如圖2所示。通過對焊接接頭宏觀形貌進(jìn)行觀察可以發(fā)現(xiàn)，圖2a中試樣焊縫表面良好無缺陷；圖2c中試樣焊縫表面有大量毛刺，還有起皮現(xiàn)象出現(xiàn)，毛刺和起皮現(xiàn)象的出現(xiàn)都可能與焊接參數(shù)選擇不當(dāng)導(dǎo)致熱輸入量較大有關(guān)；圖2b中試樣焊縫表面有大量飛邊出現(xiàn)，飛邊的產(chǎn)生與攪拌頭的下壓量密切相關(guān)，下壓量越大，產(chǎn)生的飛邊越多，飛邊影響焊縫的美觀，但通常并不影響接頭的力學(xué)性能[15]。

圖2 焊縫的宏觀形貌

圖3為5052/6061異種鋁合金攪拌摩擦焊接頭室溫拉伸實(shí)驗(yàn)的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖3可以看出，應(yīng)力-應(yīng)變曲線沒有明顯的屈服階段，試樣會產(chǎn)生均勻塑性變形，在出現(xiàn)明顯頸縮后斷裂[16]。由圖3還可以明顯觀察到，不同工藝參數(shù)下焊接接頭的力學(xué)性能差別很大。其中，5#試樣的抗拉強(qiáng)度和伸長率最高，分別為194 MPa和9.62%，9#試樣的抗拉強(qiáng)度最低和伸長率最低，分別為165 MPa和3.35%。由此可見，焊接工藝參數(shù)對接頭的拉伸性能具有非常重要的影響。

圖3 焊接接頭室溫拉伸實(shí)驗(yàn)工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線

焊接接頭斷裂的宏觀形貌如圖4所示，從焊接接頭的宏觀形貌可以看出，接頭的斷裂位置都集中在焊縫區(qū)，這是因?yàn)楹附舆^程中，在摩擦熱和機(jī)械力的作用下，焊縫區(qū)的金屬晶粒會發(fā)生細(xì)化和重新分布，并且第二相粒子也會出現(xiàn)細(xì)化和重新分布，從而降低了材料的斷裂韌性，直接導(dǎo)致焊縫區(qū)材料的斷裂抗力下降[17-18]。

采用掃描電鏡對試樣接頭斷口形貌進(jìn)行觀察，試樣接頭形貌如圖5所示。從圖5可以看出，焊縫區(qū)斷口為典型韌窩斷裂，斷口上布滿了大小不一的韌窩。此外，大韌窩的窩里還分布著許多小韌窩，大韌窩的平均直徑為30 μm，小韌窩的平均直徑為10 μm。進(jìn)一步觀察還可以發(fā)現(xiàn)斷口處存在著許多撕裂狀韌窩，說明接頭塑性較好，為韌性斷裂。韌性斷裂是微孔形成、變大和連接的過程，而韌窩是斷裂過程中微孔分離的痕跡[19]。

2.2 極差分析

運(yùn)用極差分析的方法分析表4中的數(shù)據(jù)，分析結(jié)果見表5。極差越大，表明因素對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響也越大[20]。從極差分析的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，對接頭抗拉強(qiáng)度影響最大的是因素（攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度），其次是（焊接速度），（下壓量）影響最小。通過極差分析得到的最佳實(shí)驗(yàn)方案為223，即5#實(shí)驗(yàn)方案，其最大抗拉強(qiáng)度為194 MPa，達(dá)到了5052母材的91.51%，6061母材的93.72%，伸長率為9.62%。

圖4 焊接接頭斷裂的宏觀形貌

表5 極差分析計算結(jié)果

Tab.5 Range analysis and calculation results

以各實(shí)驗(yàn)方案的因素水平為橫坐標(biāo)，以抗拉強(qiáng)度和伸長率為縱坐標(biāo)，繪制隨著各因素水平的變化抗拉強(qiáng)度和伸長率的變化趨勢，如圖6所示。由圖6a可知，隨著焊速的增加，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度先略有增加，然后緩慢下降，這是因?yàn)楫?dāng)焊速過快時，攪拌摩擦焊接產(chǎn)生的熱量來不及讓其周圍的金屬達(dá)到熱塑性狀態(tài)，因此無法形成完美的焊縫，但是當(dāng)焊速太慢時，攪拌頭摩擦產(chǎn)生的熱量過多，當(dāng)焊核區(qū)的金屬溫度快要達(dá)到金屬熔點(diǎn)時，會使焊縫表面變得不平整，并且會因?yàn)檫^燒使內(nèi)部金屬出現(xiàn)疏松現(xiàn)象[15]。因此，要想得到性能良好的焊接接頭，必須要保持一定的焊接速度。由圖6b可知，隨著攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度的增加，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度先小幅度上升，后顯著下降，這是因?yàn)楫?dāng)攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度較低時，產(chǎn)生的摩擦熱不足以形成塑性流動層，其結(jié)果是不能實(shí)現(xiàn)良好的固相連接，焊縫中易形成孔洞等缺陷，從而導(dǎo)致接頭抗拉強(qiáng)度較低，隨著攪拌頭轉(zhuǎn)速的提高，摩擦熱源增大，熱塑性流動層由上而下逐漸增大，從而使焊縫中的孔洞逐漸減小，當(dāng)攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度增加到一定值時，孔洞便會消失，然后就會形成致密的焊縫[21]，但如果攪拌頭轉(zhuǎn)速過高，則攪拌針周圍和軸肩下方的材料溫度會過高，形成其他缺陷，從而導(dǎo)致接頭抗拉強(qiáng)度降低[15]；由圖6c可知，隨著下壓量的增加，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度只有小幅度上升，但是基本趨于穩(wěn)定狀態(tài)，說明下壓量對抗拉強(qiáng)度的影響較小。

伸長率越大，說明焊接接頭的塑性越好。由圖6可以看出，伸長率的變化趨勢與接頭抗拉強(qiáng)度的變化趨勢基本保持一致，說明工藝參數(shù)的改變會同時引起抗拉強(qiáng)度和伸長率的改變，并且改變趨勢基本相同。當(dāng)抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值194 MPa時，伸長率也達(dá)到了最大值9.62%，是5052母材的56.59%，6061母材的64.13%。

2.3 方差分析

由于極差分析不能估計實(shí)驗(yàn)過程和測定實(shí)驗(yàn)結(jié)果中必然存在的誤差大小，故不能保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，而方差分析方法能夠區(qū)分由因素水平和誤差波動引起的實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的差異，從而彌補(bǔ)了極差分析法的不足[22]，所以文中又進(jìn)行了方差分析，相應(yīng)的方差分析結(jié)果見表6。在統(tǒng)計學(xué)中常根據(jù)值分析顯著性水平表，從而得到相應(yīng)的值（概率），其中規(guī)定當(dāng)<0.05時為顯著影響因素，當(dāng)<0.01時為極其顯著影響因素。由方差分析結(jié)果可以看出，3種工藝參數(shù)中（焊接速度）和（攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度）對焊接接頭力學(xué)性能有顯著影響，且影響極其顯著，（下壓量）影響不顯著，這與極差分析結(jié)果相同，進(jìn)一步證明了極差分析的準(zhǔn)確性。

圖6 抗拉強(qiáng)度與伸長率隨各因素水平變化趨勢

表6 方差分析計算結(jié)果

Tab.6 Variance analysis and calculation results

3 結(jié)論

運(yùn)用正交實(shí)驗(yàn)法分析了攪拌摩擦焊接工藝參數(shù)對5052/6061異種鋁合金焊接接頭力學(xué)性能的影響，觀察了焊縫的宏觀形貌與焊接接頭的斷口形貌，并結(jié)合極差分析與方差分析，研究了不同工藝參數(shù)對焊接接頭力學(xué)性能的影響順序與顯著性水平，主要結(jié)論如下。

1）通過焊接接頭的斷口形貌可以觀察到，焊縫區(qū)斷口上布滿了大小不一的韌窩，并且還存在著許多撕裂狀韌窩，說明接頭塑性較好，為韌性斷裂。

2）攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度對焊接接頭的力學(xué)性能影響最大，其次是焊接速度，下壓量影響最小。另外，由極差分析得到的最佳實(shí)驗(yàn)方案為223，其最大抗拉強(qiáng)度為194 MPa，伸長率為9.62%。

3）通過方差分析得出攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度對焊接接頭力學(xué)性能影響最顯著，其次是焊接速度，下壓量對接頭力學(xué)性能影響不大，并且進(jìn)一步證明了極差分析的準(zhǔn)確性。

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Friction Stir Welding Process of 5052/6061 Dissimilar Aluminum Alloy Sheet

WANG Yong-qiang, WANG Jin, WANG Meng-ting, LI Bao-ge, ZHANG Hui

(School of Mechanical and Automotive Engineering, Qingdao University of Technology, Shandong Qingdao 266000, China)

The work aims to study the effects of welding speed, stirring head rotation speed and reduction amount on mechanical properties of friction stir welding joint of dissimilar aluminum alloy and find out the best process parameters, so as to further improve the mechanical properties of the joint. The orthogonal experiment method was used to design the friction stir welding of 5052/6061 dissimilar aluminum alloy with a thickness of 1.5 mm. After the welding was completed, the macroscopic morphology of the weld was observed, and then the specimens were made into standard tensile specimens for tensile test. After the tensile test was completed, the fracture morphology of the welded joint was observed by scanning electron microscope. Finally, range analysis and variance analysis were used to analyze the experimental results. Within the range of selected process parameters, the rotation speed of the stirring head had the greatest effect, followed by the welding speed, and the effect of the reduction amount was the least. When the welding speed was 120 mm/min, the rotating speed was 1 400 r/min, and the reduction amount was 1.5 mm, the tensile strength of the joint reached the maximum of 194 MPa, and the elongation also reached the maximum of 9.62%. In a certain range of process parameters, increasing the welding speed or the rotating speed of the stirring head can significantly improve the mechanical properties of the joint, while the reduction amount has no significant effect on the mechanical properties of the joint.

dissimilar aluminum alloy; friction stir welding; mechanical properties of joints; orthogonal experiment

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.04.015

TG456.9

A

1674-6457(2022)04-0122-07

2021-06-10

山東省重點(diǎn)研發(fā)計劃（2019GGX102023）

王勇強(qiáng)（1994—），男，碩士生，主要研究方向?yàn)殇X合金攪拌摩擦焊和拼焊板漸進(jìn)成形。

王進(jìn)（1978—），男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)闈u進(jìn)成形、旋壓成形和攪拌摩擦焊。

責(zé)任編輯：蔣紅晨