鋁合金回填式攪拌摩擦點焊材料流動行為研究

倪 雷

（上海汽車集團(tuán)股份有限公司乘用車公司，上海 201804）

0 引言

攪拌摩擦點焊（Friction Stir Spot Welding，F(xiàn)SSW）是由攪拌摩擦焊FSW衍生而來的一種新型固相點連接技術(shù)，具有結(jié)合強(qiáng)度高、焊后變形小、環(huán)保無污染及能耗低等優(yōu)點，非常適合輕質(zhì)金屬的點連接[1]。回填式攪拌摩擦點焊（Refill Friction Stir Spot Welding，RFSSW）利用壓緊套、攪拌套和攪拌針組成的分體式點焊工具各組件間的相對運動回填匙孔，獲得表面平整、無匙孔的點焊接頭，增加了焊點承載面積，并提高了結(jié)合強(qiáng)度[2-3]。

與FSW相似，焊接過程中溫度場、塑化材料的流動行為及原始搭接面處焊后形成的結(jié)構(gòu)類型對FSSW焊點成型及性能有非常重要的影響[4-6]。岳玉梅等人[7]借助數(shù)值模擬技術(shù)分析攪拌頭形狀對RFSSW過程中材料流動速度的影響規(guī)律。但是向材料中添加的銅箔或鐵粉等外來材料與試驗材料間流動性的差異會對焊接過程材料流動行為試驗結(jié)果產(chǎn)生一定干擾；且現(xiàn)有數(shù)值模擬分析出于對邊界條件簡化和假設(shè)的考慮，這也導(dǎo)致數(shù)值模擬結(jié)果與實際過程存在較大差異[8]。該文利用微量元素不同的同種材質(zhì)鋁合金在一定的腐蝕條件下金相特征不同的特點，分析了攪拌套下扎型RFSSW焊接過程中塑性材料流動行為及界面特征的變化規(guī)律。

1 試驗材料及方法

RFSSW可分為2種類型：攪拌針下扎型和攪拌套下扎型。攪拌針下扎型是由攪拌針完成下扎攪拌過程的，由攪拌套完成最后的金屬材料回填過程。攪拌套下扎型則剛好相反，是由攪拌套完成下扎攪拌過程的，由攪拌針完成最后的金屬材料回填過程。該試驗方法采用攪拌套下扎型。

該文對尺寸為2 mm×25 mm×80 mm的上板和3 mm×25 mm×80 mm的下板的5182鋁合金板進(jìn)行搭接形式的RFSSW試驗，搭接尺寸為25 mm×25 mm，焊點位置居中，上、下板材料主要成分見表1。試驗采用的攪拌針外徑為5.2 mm，攪拌套外徑為9.0 mm，壓緊套外徑為18.0 mm。在前期試驗基礎(chǔ)上，選用焊接時間、旋轉(zhuǎn)速率以及下扎深度等3個研究因素設(shè)計正交試驗法，見表2。RFSSW點焊接頭經(jīng)粗磨、精磨和拋光處理后，用混合酸水溶液（1% HF+1.5%HCl+2.5%HNO3+95%H2O）對點焊接頭進(jìn)行腐蝕，并用光學(xué)顯微鏡對焊點宏觀形貌、接頭界面形態(tài)及各區(qū)域顯微組織等進(jìn)行觀察。

表1 試驗用5182鋁合金化學(xué)成分

表2 正交試驗表

如圖1所示，RFSSW焊接過程主要分為4個階段：1）準(zhǔn)備階段。攪拌針、攪拌套及壓緊套下端面處于同一水平面，三者整體下壓至被焊板材上表面，并將被焊板材壓緊固定。2）下扎階段。攪拌套旋轉(zhuǎn)下扎的同時，攪拌針旋轉(zhuǎn)回抽，被攪拌套擠出的塑性金屬將流入攪拌套空腔內(nèi)。3）回填階段。攪拌針旋轉(zhuǎn)下扎的同時，攪拌套旋轉(zhuǎn)回抽，將攪拌套空腔內(nèi)的塑性金屬重新回填至焊點內(nèi)部，回填匙孔。4）焊接完成。攪拌工具離開被焊板材，攪拌套及攪拌針的旋轉(zhuǎn)速率和旋轉(zhuǎn)方向始終保持一致。

圖1 回填式FSSW焊接過程示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 焊點表面成型

5182鋁合金回填式攪拌摩擦點焊接頭點焊接頭整體呈圓形，表面平整光亮、無匙孔，焊點周邊飛邊很少，成型美觀。焊點直徑與攪拌套外徑大小基本一致，攪拌套作用區(qū)域與攪拌針作用區(qū)域交界處有一圓環(huán)狀特征，但兩者間不存在明顯的臺階或溝槽，焊點整體仍具有明顯的鏡面反射效果。

2.2 顯微組織特征

RFSSW點焊接頭橫截面宏觀形貌如圖2所示，上板及下板均為5182鋁合金，由于個別微量元素不同，因此導(dǎo)致上、下板材料在相同腐蝕條件下的色澤截然不同。由圖2可知，整個焊點整體呈盆狀，主要包括攪拌套作用區(qū)域和攪拌針作用區(qū)域，各區(qū)域的寬度與攪拌套的壁厚和攪拌針的外徑基本相同；焊點中心部位被完全填充，不存在匙孔；焊點兩側(cè)原始搭接面位置存在2個左右對稱的鉤狀結(jié)構(gòu)。鉤狀結(jié)構(gòu)是由回填階段塑性材料流動造成的。

在回填階段，當(dāng)攪拌套空腔內(nèi)的塑性材料回填至攪拌套回抽形成的瞬時空腔時，由于塑性材料流動的驅(qū)動力來自攪拌針的下壓力，因此塑性材料主要由焊點中心部位向焊點兩側(cè)區(qū)域流動填充，塑性材料的初始流動方向與水平方向存在一定的夾角，并逐漸過渡為圓弧狀；由文獻(xiàn)[6]可知，在焊接過程中塑性材料的流動速率比攪拌工具的下扎/回填速率高，因此塑性材料對攪拌套回抽時形成的瞬時空腔進(jìn)行填充時必將受攪拌套下端對其施加的阻力，導(dǎo)致塑性材料的流動方向發(fā)生改變，由傾斜向上逐漸變?yōu)閮A斜向下，最后在焊點兩側(cè)及焊點下方較冷材料的阻礙下，塑性材料沿焊接深度方向整體呈現(xiàn)螺旋狀流動的趨勢，從而形成如圖2和圖3所示的鉤狀結(jié)構(gòu)。當(dāng)焊接參數(shù)選用不恰當(dāng)時，點焊接頭內(nèi)部易出現(xiàn)孔洞缺陷，且均集中在鉤狀結(jié)構(gòu)附近，如圖4所示。由于回填初始階段塑性金屬呈螺旋狀流動，鉤狀結(jié)構(gòu)上部區(qū)域最先得到填充，其次是下部區(qū)域的外側(cè)和內(nèi)側(cè)，當(dāng)塑性金屬對鉤狀結(jié)構(gòu)下部區(qū)域進(jìn)行填充時，由于已經(jīng)逐漸遠(yuǎn)離攪拌套，因此該區(qū)域塑性材料的溫度和流動性都會下降，導(dǎo)致鉤狀結(jié)構(gòu)下部區(qū)域的外側(cè)、內(nèi)側(cè)及中心區(qū)域更易因塑性金屬填充不充分而出現(xiàn)孔洞缺陷。一般通過選用合適的焊接參數(shù)及合理形狀的攪拌工具可完全消除鉤狀區(qū)域的孔洞缺陷。不同工藝參數(shù)下鉤狀結(jié)構(gòu)形貌如圖4所示。

圖2 點焊接頭橫截面宏觀形貌

圖3 鉤狀結(jié)構(gòu)

圖4 不同工藝參數(shù)下鉤狀結(jié)構(gòu)形

2.3 工藝參數(shù)對材料流動的影響

為了進(jìn)一步探索工藝參數(shù)對焊接過程中材料流動的影響，定義鉤狀結(jié)構(gòu)上邊緣線與水平方向的夾角為α，定義鉤狀結(jié)構(gòu)最高點與最低點間的豎直距離為H，定義鉤狀結(jié)構(gòu)與焊點邊緣處的水平距離為L如圖5所示，α、H和L數(shù)值越大則說明鉤狀結(jié)構(gòu)特征越明顯。分別統(tǒng)計不同工藝參數(shù)下α、H和L的具體數(shù)值，借助正交分析手段研究不同工藝參數(shù)對鉤狀結(jié)構(gòu)形狀的影響，從而探究工藝參數(shù)對材料流動的影響規(guī)律。

圖5 鉤狀結(jié)構(gòu)形狀定義示意圖

夾角α在不同正交試驗參數(shù)下相應(yīng)的分析結(jié)果見表3。由表3可知，當(dāng)焊接時間由4.0 s逐步延長至5.0 s時，夾角α的變化幅度很小，基本保持不變；當(dāng)旋轉(zhuǎn)速率由1 000 r/min逐步升至1400 r/min時，夾角α由30.333 °迅速增大至40.667 °，并逐漸保持穩(wěn)定；當(dāng)下扎深度由2.5 mm增至2.9 mm時，夾角α由40.000°降至35.667 °，并逐漸保持穩(wěn)定。焊接時間、旋轉(zhuǎn)速率及攪拌套下扎深度的歸一化數(shù)值分別為4.16%、64.59%和31.25%，說明旋轉(zhuǎn)速率對夾角α的影響程度最大，其次為下扎深度，焊接時間對夾角α的影響程度最小，幾乎可忽略不計。

表3 不同工藝參數(shù)下夾角α變化規(guī)律

對不同工藝參數(shù)下鉤狀結(jié)構(gòu)高度H進(jìn)行正交分析（表4）可知，當(dāng)逐漸延長焊接時間或提高旋轉(zhuǎn)速率時，鉤狀結(jié)構(gòu)高度H均呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢；當(dāng)下扎深度逐漸增加時，鉤狀結(jié)構(gòu)高度H則呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。焊接時間、旋轉(zhuǎn)速率及攪拌套下扎深度的歸一化數(shù)值分別為41.51%、28.34%及30.15%，說明焊接時間對鉤狀結(jié)構(gòu)高度H的影響程度最大，其次為旋轉(zhuǎn)速率和下扎深度。

表4 不同工藝參數(shù)下鉤狀結(jié)構(gòu)高度H變化規(guī)律

對不同工藝參數(shù)下鉤狀結(jié)構(gòu)與焊點邊緣處的水平距離L進(jìn)行正交分析（表5）可知，當(dāng)逐漸延長焊接時間或加深下扎深度時，L均呈現(xiàn)先增大后變小的趨勢，但波動幅度均較小；當(dāng)旋轉(zhuǎn)速率逐漸增大時，L則呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢，且波動浮動相對明顯。焊接時間、旋轉(zhuǎn)速率及攪拌套下扎深度的歸一化數(shù)值分別為14.62%、51.83%及33.55%，說明旋轉(zhuǎn)速率對L的影響程度最大，其次為下扎深度和焊接時間。

綜合表3～表5的分析結(jié)果可知，焊接時間僅對鉤狀結(jié)構(gòu)高度H有較大影響，當(dāng)焊接時間延長時，H顯著增大；旋轉(zhuǎn)速率對夾角α和水平距離L均有顯著影響，當(dāng)旋轉(zhuǎn)速率提高時，α和L均顯著增大并逐漸保持穩(wěn)定；而下扎深度對α、H及L均有一定的影響，且三者均呈現(xiàn)隨著下扎深度的加深而降低并逐漸保持穩(wěn)定的趨勢。以上結(jié)果說明，當(dāng)焊接時間延長（相當(dāng)于回填速率降低）時，塑性金屬的溫度及流動性均隨之提高，當(dāng)在攪拌針下壓力的驅(qū)動下向攪拌套下方進(jìn)行填充時，流動方向與水平方向的夾角逐漸變大，最終形成的鉤狀結(jié)構(gòu)上邊緣線與水平方向的夾角α也逐漸增大；同理，當(dāng)旋轉(zhuǎn)速率提高時，焊接熱輸入量隨之增大，塑性金屬的溫度、流動性及流動速率也會隨之提高，因此α和L的值也隨之增大，即回填階段塑性金屬螺旋狀的流動趨勢增強(qiáng)，鉤狀結(jié)構(gòu)特征更明顯；當(dāng)下扎深度加深時，回填階段塑性金屬初始流動區(qū)域逐漸遠(yuǎn)離上下板材原始搭接面，而鉤狀結(jié)構(gòu)是由上、下板材原始搭接面區(qū)域塑性金屬呈螺旋形流動而形成的，因此當(dāng)下扎深度加深時，鉤狀結(jié)構(gòu)的傾角α、高度H及距離焊點邊緣水平距離L均逐漸變小，鉤狀結(jié)構(gòu)特征變得不明顯。

表5 不同工藝參數(shù)下水平距離L的變化規(guī)律

3 結(jié)語

該文以5182鋁合金為研究對象，對回填式攪拌摩擦點焊回填階段材料流動行為進(jìn)行研究，得出以下3個結(jié)論：1）采用特定鋁合金材料及相應(yīng)的腐蝕方案，在回填式攪拌摩擦點焊接頭橫截面上可以清晰地觀察到焊點兩側(cè)原始搭接面區(qū)域存在2個對稱分布的鉤狀結(jié)構(gòu)。2）鉤狀結(jié)構(gòu)的形成原因是當(dāng)回填開始階段塑性金屬在攪拌針下壓力的驅(qū)動下向攪拌套回抽形成瞬時空腔流動填充時，塑性金屬的流動速率遠(yuǎn)高于攪拌套回抽速率，攪拌套及焊點邊緣區(qū)域較冷金屬均會對塑性金屬的流動產(chǎn)生一定的阻礙作用，導(dǎo)致原始搭接面區(qū)域的塑性金屬呈現(xiàn)螺旋狀流動的趨勢，最終形成典型的鉤狀結(jié)構(gòu)。3）焊接時間、旋轉(zhuǎn)速率及下扎深度等工藝參數(shù)對鉤狀結(jié)構(gòu)的形狀尺寸均有顯著影響。