2219鋁合金機(jī)器人靜軸肩攪拌摩擦焊工藝研究

朱 志 鄭森木 歐曉琴 余 超 王向東 宋海濱 唐 帥 蘇乂南

2219鋁合金機(jī)器人靜軸肩攪拌摩擦焊工藝研究

朱 志 鄭森木 歐曉琴 余 超 王向東 宋海濱 唐 帥 蘇乂南

（四川航天長征裝備制造有限公司，成都 610100）

以焊接厚度為5mm的2219-T87鋁合金為對象，基于庫卡重載工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)，自主設(shè)計了靜軸肩攪拌頭，進(jìn)行了焊接工藝試驗(yàn)，研究了工藝參數(shù)對焊縫成形、焊接缺陷、接頭組織及性能的影響，優(yōu)化獲取了焊接工藝規(guī)范。結(jié)果表明，設(shè)計的靜軸肩攪拌頭匹配優(yōu)化的工藝參數(shù)能穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)2219鋁合金靜軸肩攪拌摩擦焊接，焊縫表面光滑平整，內(nèi)部無缺陷，在攪拌針轉(zhuǎn)速1200r/min、焊速190mm/min時，接頭抗拉強(qiáng)度可達(dá)333MPa、延伸率5%。研究結(jié)果為2219鋁合金靜軸肩攪拌摩擦焊工程應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

2219鋁合金；靜軸肩攪拌摩擦焊；攪拌頭結(jié)構(gòu)設(shè)計；組織性能

1 引言

隨著我國航空航天、軌道交通、兵器工業(yè)以及船舶等行業(yè)的快速發(fā)展，結(jié)構(gòu)輕量化、功能多樣性、連接性能優(yōu)質(zhì)化是提高產(chǎn)品性能的必然發(fā)展途徑，以鋁合金為代表的輕質(zhì)高強(qiáng)合金材料的應(yīng)用越來越廣泛，低應(yīng)力、小變形、無缺陷成為高性能制造的核心要素[1～2]。

為克服常規(guī)攪拌摩擦焊接（Friction Stir Welding，F(xiàn)SW）技術(shù)的局限性，英國焊接研究所在常規(guī)FSW的基礎(chǔ)上將軸肩與攪拌針分離，開發(fā)出靜止軸肩攪拌摩擦焊（Stationary Shoulder Friction Stir Welding，SSFSW）新技術(shù)[3～9]。與常規(guī)FSW相比，SSFSW技術(shù)具有以下顯著優(yōu)勢：焊接過程軸肩不旋轉(zhuǎn)僅攪拌針旋轉(zhuǎn)，焊接熱輸入更低，可進(jìn)一步提高接頭性能，實(shí)現(xiàn)熱敏感性及低熱傳導(dǎo)材料的高性能焊接；軸肩只在工件表面滑動，焊接軸向力較小，焊縫表面光滑且可實(shí)現(xiàn)零減??；攪拌針與軸肩相對獨(dú)立，拓寬了焊接結(jié)構(gòu)適應(yīng)性[10～12]。SSFSW的上述特點(diǎn)為實(shí)現(xiàn)型號產(chǎn)品中廣泛存在的角接、法蘭及不等厚等結(jié)構(gòu)高性能固相連接，解決當(dāng)前采用的熔焊方法存在的諸多不足提供了可能。

本研究以5mm厚度2219-T87鋁合金為對象，基于機(jī)器人攪拌摩擦焊接平臺，設(shè)計靜軸肩攪拌頭，開展靜軸肩攪拌摩擦焊接試驗(yàn)，對接頭進(jìn)行缺陷檢測以及組織性能分析，研究攪拌頭結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)對焊縫成形及接頭性能的影響，為靜止攪拌摩擦焊技術(shù)走向工程化，應(yīng)用于型號產(chǎn)品提供技術(shù)支持。

2 靜軸肩攪拌頭結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)靜止軸肩攪拌摩擦焊接原理，采用的靜軸肩結(jié)構(gòu)如圖1所示，包含靜軸肩面、排屑孔、散熱孔和標(biāo)準(zhǔn)螺紋接頭。其中，靜軸肩端部為平面結(jié)構(gòu)，針對5mm焊接厚度所設(shè)計的靜軸肩直徑為18mm，排屑孔是為了實(shí)現(xiàn)焊接過程排除鋁屑，避免對攪拌針與軸肩間隙產(chǎn)生堵塞而影響焊接，靜軸肩與機(jī)器人主軸外固定件采用螺紋連接，螺紋接頭方便快速安裝和更換。

采用的攪拌針結(jié)構(gòu)如圖2所示，為錐形+螺紋+三平面截面的組合特征，攪拌針長度為4.7mm，攪拌針端部直徑1為4mm，攪拌針根部直徑2為8mm，三個截面的深度為0.7mm，間隔120°均勻分布。同時，在攪拌針根部設(shè)計有直徑為為9mm的過渡軸面和相鄰的排屑軸面，兩個軸面可以增加攪拌摩擦焊接過程中的熱輸入及盡可能減小焊接過程中的“塞鋁”現(xiàn)象。

圖1 靜軸肩機(jī)構(gòu)設(shè)計圖

圖2 攪拌針結(jié)構(gòu)圖

靜軸肩及攪拌針之間裝配間隙為 0.2mm，所用材料皆為H13熱作模具鋼。

3 機(jī)器人靜軸肩攪拌摩擦焊接試驗(yàn)

圖3 機(jī)器人靜軸肩攪拌摩擦焊試驗(yàn)

表1 焊接試驗(yàn)工藝參數(shù)

試驗(yàn)材料為2219-T87高強(qiáng)度鋁合金試板，規(guī)格為300mm×150mm×5mm，焊接系統(tǒng)為庫卡KR1000 Titang機(jī)器人攪拌摩擦焊接平臺，裝配和焊接過程如圖3。攪拌頭傾角為2°，機(jī)器人焊接使用恒定位移，保持軸肩下壓量為0.2mm，攪拌針轉(zhuǎn)速變化范圍為1200～1500r/min，焊接速度變化范圍100～235mm/min，研究二者對接頭表面成形、微觀組織以及性能的影響，優(yōu)化工藝規(guī)范。具體焊接參數(shù)如表1所示。

4 結(jié)果與分析

4.1 接頭表面成形

固定攪拌針轉(zhuǎn)速1500r/min，焊縫形貌隨著焊速的變化如圖4所示。當(dāng)焊速從100～235mm/min變化時，所有焊縫均無飛邊產(chǎn)生，減薄凹陷不明顯，均有軸肩滑痕特征，焊縫形貌光滑平整。由于焊縫寬度主要與攪拌頭軸肩直徑呈正相關(guān)，因此所有接頭的焊縫寬度無明顯差異。當(dāng)焊速增加到235mm/min時，焊縫表面有斷續(xù)的溝槽缺陷，這主要因?yàn)楹杆龠^大時，焊接產(chǎn)熱較低導(dǎo)致塑性金屬流動不充分所致。

固定焊接速度190mm/min，攪拌針轉(zhuǎn)速從1500r/min減小到1200r/min，焊縫表面形貌如圖5所示，接頭表面形貌規(guī)整平滑，無溝槽、孔洞等焊接缺陷產(chǎn)生。試驗(yàn)結(jié)果表明，轉(zhuǎn)速1200～1500r/min，焊速100～190mm/min皆能實(shí)現(xiàn)5mm厚2219鋁合金良好穩(wěn)定焊接。

圖4 焊接速度對焊縫表面的影響

圖5 焊接轉(zhuǎn)速對焊縫表面的影響

4.2 接頭宏觀形貌

固定攪拌針轉(zhuǎn)速1500r/min、焊接速度100～235mm/min范圍內(nèi)變化的焊縫宏觀形貌如圖6所示，固定焊速100mm/min、攪拌針轉(zhuǎn)速1200～1500r/min范圍內(nèi)變化的焊縫宏觀形貌如圖7所示，金相檢測顯示所有試板的焊縫接頭均無孔洞、裂紋和弱結(jié)合缺陷。當(dāng)轉(zhuǎn)速固定，在SSFSW攪拌頭結(jié)構(gòu)尺寸不變條件下，熱塑性材料變形量的大小與焊接熱輸入量近似成正相關(guān)。焊接熱輸入量的大小與的比值相關(guān)，攪拌針轉(zhuǎn)速越大，焊接速度越小，焊接熱輸入量相對增加，在攪拌針的劇烈旋轉(zhuǎn)摩擦帶動下形成更多的熱塑性材料。因此，焊接熱輸入較大時，焊核區(qū)和熱機(jī)影響區(qū)的寬度相對較大；當(dāng)固定焊速，隨著轉(zhuǎn)速的增加，變大，焊接熱輸入變大。因此，攪拌頭高轉(zhuǎn)速作用時焊縫區(qū)熱塑性金屬材料流動阻力減小，形成的焊核區(qū)域較大；當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時，焊縫區(qū)明顯變窄。其它焊速下，不同攪拌針轉(zhuǎn)速的接頭宏觀形貌特點(diǎn)及變化與之相似。

圖6 攪拌頭轉(zhuǎn)速1500r/min的接頭宏觀形貌

圖7 攪拌針轉(zhuǎn)速100mm/min的接頭宏觀形貌

4.3 接頭微觀組織

采用SEM觀察接頭各區(qū)的增強(qiáng)相分布特征，如圖8所示。各區(qū)的增強(qiáng)相為Al2Cu，尺寸在1～10μm范圍內(nèi)，呈顆粒狀且彌散分布在α-Al基體中。母材區(qū)BM的Al2Cu沿著軋制線水平分布，熱機(jī)影響區(qū)TMAZ的Al2Cu沿著彎曲變形α-Al晶界斜向上分布，而焊核區(qū)WNZ的Al2Cu增強(qiáng)相沿著α-Al等軸晶晶界斷續(xù)分布。仔細(xì)對比發(fā)現(xiàn)，焊核區(qū)WNZ的Al2Cu彌散顆粒相的尺寸明顯小于BM與TMAZ區(qū)的Al2Cu相尺寸。劇烈的機(jī)械攪拌、復(fù)雜塑性變形等作用促進(jìn)粗大Al2Cu相破裂并沿著α-Al晶界均勻分布。

圖8 增強(qiáng)相的分布特征

4.4 接頭力學(xué)性能

圖9 SSFSW對接焊接頭顯微硬度分布特征

沿著焊縫橫截面中間位置從左至右，均勻打點(diǎn)測試接頭顯微硬度值，測試區(qū)域橫跨母材、熱影響區(qū)、熱機(jī)影響區(qū)和焊核區(qū)。顯微硬度分布如圖9所示，硬度值整體呈“W”形分布，焊核中心硬度值分布在90～100HV，與母材硬度相比降低了50～40HV。所有接頭的最低硬度均出現(xiàn)在軟化的HAZ區(qū)域，這是由于該區(qū)域經(jīng)歷高溫?zé)嵫h(huán)，組織粗化和強(qiáng)化相析出長大造成的。焊核區(qū)的顯微硬度增大，這與焊核區(qū)動態(tài)再結(jié)晶形成細(xì)小等軸晶粒有關(guān)。另外，在固定轉(zhuǎn)速條件下，隨著焊接速度的增大，焊核區(qū)的顯微硬度均值呈增大的趨勢，這與焊核區(qū)α-Al等軸晶尺寸變化密切相關(guān)。相關(guān)研究表明，隨著焊接速度的增加，焊接熱輸入量相對減小，焊接接頭軟化區(qū)寬度逐漸減小。

經(jīng)檢測，焊縫質(zhì)量滿足QJ 20045規(guī)定的I級焊縫要求，接頭機(jī)械性能如表2所示，抗拉強(qiáng)度皆超過母材的70%、延伸率超過4%。在攪拌針轉(zhuǎn)速1200r/min、焊速190mm/min時，接頭拉伸性能最佳，抗拉強(qiáng)度達(dá)333MPa、延伸率達(dá)5%。當(dāng)轉(zhuǎn)速為1500r/min，焊速從100mm/min依次增加到150mm/min、190mm/min、235mm/min時，試板抗拉強(qiáng)度均值從317MPa逐漸增加到327MPa，但斷后伸長率呈輕微下降趨勢。結(jié)合轉(zhuǎn)速1200r/min焊接的兩組試板抗拉強(qiáng)度，適當(dāng)提高焊速有利于改善接頭強(qiáng)度和提高焊接效率。

表2 不同焊接參數(shù)下接頭機(jī)械性能

5 結(jié)束語

a. 基于機(jī)器人攪拌摩擦焊接系統(tǒng)，完成了靜軸肩攪拌摩擦焊攪拌頭結(jié)構(gòu)設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定焊接。

b. 靜軸肩攪拌摩擦焊縫表面規(guī)整平滑，無飛邊，基本無減薄，攪拌針轉(zhuǎn)速1200～1500r/min、焊速100～190mm/min內(nèi)皆能實(shí)現(xiàn)5mm厚2219鋁合金成形良好、無缺陷的可靠焊接。

c. 強(qiáng)化相的析出形態(tài)及分布狀態(tài)使得接頭各區(qū)顯微硬度有較大差異，整體呈現(xiàn)“W”形分布；接頭質(zhì)量及性能滿足QJ 20045規(guī)定的I級焊縫標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)攪拌針轉(zhuǎn)速1200r/min、焊速190mm/min時，接頭達(dá)最大抗拉強(qiáng)度333 MPa、延伸率5%。

d. 本研究為2219鋁合金靜軸肩攪拌摩擦焊的工程應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

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Research on Robotic Stationary Shoulder Friction Stir Welding Process of Aluminum Alloy

Zhu Zhi Zheng Sengmu Ou Xiaoqin Yu Chao Wang Xiangdong Song Haibin Tang Shuai Su Yinan

(Sichuan Aerospace Changzheng Equipment Manufacturing Co., Ltd., Chengdu 610100)

Based on KUKA heavy load industrial robot, the stationary shoulder friction stir welding tool was designed and the welding experiment was completed with 2219-T87 aluminum alloy of 5mm thickness. The effect of welding parameters on weld formation, welding defect, microstructure and mechanical property of the weld joint were studied, and then the welding parameters were optimized. The result showed that the stationary shoulder friction stir welding process could stably complete with the designed tool when matching the optimized process parameters. The surface of the weld seam was smooth, and there is no defect in the joint. When welding with rotation speed of 1200r/min and welding speed of 190mm/min, the welding joint tensile strength was up to 333MPa and the elongation up to 5%. The results of the study provided a basis for engineering application of stationary shoulder stir friction welding of 2219 aluminum alloy.

2219 aluminum alloy；stationary shoulder friction stir welding；structure design of friction stir tool；microstructure and mechanical property

TG457.1

A

四川省科技計劃項(xiàng)目資助（2021YFG0057）。

朱志（1991），工程師，機(jī)械工程專業(yè)；研究方向：先進(jìn)連接技術(shù)研究。

2022-09-07