攪拌摩擦焊搭接hook缺陷研究現(xiàn)狀

張方元，侯方軍，唐 強(qiáng)，何 海

（中鋁特種鋁材（重慶）有限公司，重慶 401326）

0 前言

攪拌摩擦焊是一種革命性的固態(tài)焊接新型連接工藝技術(shù)，該技術(shù)由英國(guó)焊接研究所（TWI）于1991 年發(fā)明。與傳統(tǒng)焊接工藝相比，攪拌摩擦焊在焊接過(guò)程中產(chǎn)生的熱量更少，加熱溫度更低（焊接溫度低于熔化溫度），大大降低了殘余應(yīng)力，因此廣泛應(yīng)用于化工、核能、航空航天、交通運(yùn)輸、發(fā)電和電子工業(yè)等領(lǐng)域。攪拌摩擦焊搭接焊縫因?qū)υ牧铣叽绻钜蟮?，可更好代替鉚接工藝，常用于材料熔點(diǎn)相差大、線膨脹系數(shù)不同、導(dǎo)熱率及比熱容不同、焊接接頭組織不同等異種合金連接[1-2]。在攪拌摩擦焊搭接過(guò)程中，金屬間存在物理界面，焊接過(guò)程中金屬由于受熱在焊縫邊緣會(huì)產(chǎn)生畸變，形成向上或者向下的物理變形-“hook”。根據(jù)ISO 25239 標(biāo)準(zhǔn)中的搭接焊接工藝特性，該變形定義為需要設(shè)計(jì)限定的焊接缺陷，隨著攪拌摩擦焊技術(shù)應(yīng)用的推廣，hook缺陷研究逐漸進(jìn)入國(guó)內(nèi)外研究者視野。

1 Hook缺陷表現(xiàn)形貌及形成原因

ISO 25239 攪拌摩擦焊-鋁合金焊接標(biāo)準(zhǔn)中指出，在搭接焊縫中的前進(jìn)側(cè)及后退側(cè)都可能存在hook焊接缺陷，其形貌可以向上或者向下。圖1示出了采用右旋螺紋，向上彎曲的hook 缺陷。吳志明[3]等人在6082對(duì)搭接接頭前進(jìn)區(qū)末端發(fā)現(xiàn)鉤狀缺陷（即hook缺陷），存在于焊接區(qū)域接頭位置，形貌類似裂紋，與母材搭接面角度可以達(dá)到90°，該缺陷消失于焊核區(qū)域與熱機(jī)影響區(qū)的分界面位置；在后退側(cè)發(fā)現(xiàn)的hook 缺陷方向向下偏轉(zhuǎn)，其搭接界面偏轉(zhuǎn)角度小于45°，該缺陷消失于焊接區(qū)域底部與下搭接板的交界處。Karn Kumar Raci[4]等人采用6082-T6-HDPE三明治結(jié)構(gòu)測(cè)試攪拌摩擦點(diǎn)焊焊接性能，發(fā)現(xiàn)hook 缺陷三明治結(jié)構(gòu)的上中下片界面處都存在hook缺陷。哈爾濱工業(yè)大學(xué)[5]在焊接及先進(jìn)連接技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室做Al-Steel 異種金屬連接實(shí)驗(yàn)，采用的是Q235 材料為底板、純鋁涂覆為中間層，通過(guò)攪拌摩擦焊技術(shù)進(jìn)行搭接焊接測(cè)試，觀察發(fā)現(xiàn)hook 缺陷出現(xiàn)在中間層與搭接層的熱機(jī)影響區(qū)與焊核區(qū)域之間。實(shí)驗(yàn)可見，hook缺陷存在條件為搭接接頭結(jié)構(gòu)，對(duì)搭接接頭因?yàn)楹写罱咏宇^部分形貌特征，在攪拌摩擦焊焊接完成后也可能存在hook 缺陷，其與接頭形式有關(guān)而與材料種類沒(méi)有關(guān)系。

圖1 Hook缺陷主要特點(diǎn)及形貌

Fersini D[6]和Buffa .G[7]等人研究攪拌摩擦焊搭接接頭時(shí)指出，hook一般是由氧化物粒子和局部冶金結(jié)合區(qū)域共同組成的幾何缺陷。其發(fā)生原因是由于攪拌摩擦焊焊接過(guò)程中，搭接接頭存在物理界面，前進(jìn)側(cè)熱機(jī)影響區(qū)材料受到攪拌針的機(jī)械剪切摩擦作用發(fā)生偏轉(zhuǎn)，變形劇烈，該變形力結(jié)合攪拌針的螺紋旋轉(zhuǎn)提升作用力，使母材搭接物理界面發(fā)生變形，造成塑性金屬在垂直方向向上流動(dòng)造成界面畸變，且尺寸較大。后退側(cè)熱機(jī)影響區(qū)的材料由于整個(gè)焊接過(guò)程都不斷受到來(lái)自攪拌針前部及前進(jìn)側(cè)遷移過(guò)來(lái)的材料的擠壓與拖曳，金屬變形復(fù)雜，但整體流動(dòng)性低于前進(jìn)側(cè)，攪拌針對(duì)金屬的提升力較低，影響范圍較弱，因此后退側(cè)出現(xiàn)向上偏轉(zhuǎn)趨勢(shì)較弱。

2 Hook缺陷影響因素

2.1 材料配置位置對(duì)hook的影響

為了達(dá)到輕量化目的，不同鋁合金材料連接時(shí)常采用摩擦點(diǎn)焊的方式進(jìn)行連接。J.M. Piccini[8]等人在研究5052 防銹鋁與6063 鋁合金擠壓型材攪拌摩擦焊時(shí)，分別將5052 及6063 鋁材置于最上層，結(jié)構(gòu)分別為5-6 和6-5。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用6-5 結(jié)構(gòu)時(shí)（即6061 鋁材在最上層，5052 鋁材在下層）hook 要小于5-6 結(jié)構(gòu)，這是由于5052 鋁材較6061鋁材具有更好的流動(dòng)性，5052 鋁材更容易變形導(dǎo)致軟化金屬材料向上受力，hook 尺寸變大。同時(shí)，該課題組就攪拌摩擦焊刀具對(duì)hook 影響做了研究，hook 大小隨著刀具扎入底層母材深度的增加而增加。在5 ×××/6 ×× × 系列鋁合金搭接焊接中，M.I.Costa[9]等人也得到相同結(jié)論，即6-5 系列材料具有更小的hook尺寸。

2.2 焊接刀具對(duì)hook的影響

M.I. Costa 團(tuán)隊(duì)研究了不同刀具形貌對(duì)hook 尺寸的影響。結(jié)果表明：刀具的幾何形狀與搭接材料相對(duì)位置一樣重要，當(dāng)采用錐狀攪拌頭時(shí)，要求錐度比一定。稍微增加攪拌頭底部尺寸更有利于性能的提升，這主要是由于采用該配合比時(shí)，較短的攪拌頭工具就可以達(dá)到材料熔透能力，從而減少hook尺寸，達(dá)到提升材料性能的目的。張丹丹[10]等人在Al-Li 合金搭接焊接接頭性能研究中發(fā)現(xiàn)，采用不同焊接刀長(zhǎng)時(shí)，焊接接頭兩端都易出現(xiàn)型材“冷搭接缺陷”；攪拌針長(zhǎng)度較母材厚度大0.5 mm 時(shí)，hook 尺寸有明顯改善，hook 尖端無(wú)裂紋擴(kuò)展現(xiàn)象。Emad Salari[11]等人在5456 鋁合金中采用了柱狀螺紋、錐狀螺紋、階梯錐狀螺紋及擴(kuò)口三槽螺紋4種不同幾何形狀的刀具對(duì)搭接接頭性能進(jìn)行了研究。其中柱狀螺紋、錐狀螺紋、擴(kuò)口三槽螺紋在前進(jìn)側(cè)及后退側(cè)都產(chǎn)生了向上方向的hook 缺陷；采用階梯錐狀螺紋進(jìn)行焊接，后退側(cè)熱機(jī)影響區(qū)及焊核區(qū)區(qū)域hook基本消失，獲得的接頭性能最佳。

2.3 焊接參數(shù)對(duì)hook的影響

宋友寶[12]等人以2024/7075 鋁合金為研究對(duì)象，研究了不同材料位置及焊接速度對(duì)hook 缺陷大小及性能的影響。當(dāng)采用7075 作為上板材料時(shí)可得到接頭性能良好的焊接板，其hook 大小與焊接速度呈反相關(guān)關(guān)系，hook缺陷沿著垂直和水平方向進(jìn)行擴(kuò)展。焊接速度越低，焊接熱輸入越大，產(chǎn)熱量越多，焊核區(qū)域溫度越高，流動(dòng)能力越強(qiáng)，帶動(dòng)熱機(jī)影響區(qū)向上流動(dòng)趨勢(shì)越大，hook 尺寸越大。嚴(yán)鏗[13]等人在2024薄板搭接界面成型及接頭性能研究中采用三爪型攪拌頭進(jìn)行單道、雙道焊接，雙道焊接可有效增加焊接搭接面寬度，減少或去除上板前進(jìn)側(cè)界面畸變影響，從而提高材料力學(xué)性能。

綜上所述，搭接焊接攪拌摩擦焊不同材料配置因金屬流動(dòng)性不同對(duì)hook 影響也不同，金屬流動(dòng)性越好，焊接過(guò)程中塑性金屬流動(dòng)性越好，從而提升能力越強(qiáng)，hook尺寸越大；攪拌針形貌及攪拌針長(zhǎng)度大小對(duì)焊接接頭界面成型性影響不同，hook形狀尺寸與攪拌針的形貌、長(zhǎng)度有關(guān)。若攪拌針形貌、長(zhǎng)度不合適，將導(dǎo)致金屬材料流動(dòng)性不均勻，在熱機(jī)影響區(qū)和焊核區(qū)之間形成hook 缺陷。良好的焊接工藝是獲得金屬良好性能的前提，焊接工藝參數(shù)決定了焊接過(guò)程中熱輸入量的大小，即在很大程度上決定了焊接過(guò)程中冶金轉(zhuǎn)變過(guò)程，對(duì)焊接接頭性能的影響起到?jīng)Q定性作用。

3 Hook缺陷對(duì)性能影響

hook 缺陷是因?yàn)榇罱咏缑嬖诤附舆^(guò)程中受到熱、力綜合作用而導(dǎo)致向焊接接頭內(nèi)部進(jìn)行延伸的物理缺陷，界面之間存在的氧化物在焊接過(guò)程中被高速旋轉(zhuǎn)的攪拌針攪碎，在hook 缺陷中表現(xiàn)為由底部到頂端逐漸消失，最終形成斷續(xù)的氧化物顆粒，有些成為“S”線呈現(xiàn)在焊接接頭中，如圖2所示。因此，hook缺陷將對(duì)攪拌摩擦焊接頭性能帶來(lái)較大影響。

圖2 Hook缺陷尾端形貌

Hamed Shirazi[14]等人在進(jìn)行5456鋁合金型材搭接接頭性能研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，hook缺陷對(duì)材料有效焊接厚度有影響，在載荷剪切試驗(yàn)過(guò)程中，材料力學(xué)性能主要與材料有效厚度（即焊接厚度減去hook 后的有效厚度）有關(guān)。在使用過(guò)程中，hook缺陷部位是型材產(chǎn)生裂紋的優(yōu)先部位，因?yàn)閔ook 缺陷為兩界面之間的物理缺陷，材料裂紋傾向明顯，一旦材料發(fā)生失效，裂紋將沿著hook 方向迅速擴(kuò)展。J.M.Piccini等人在研究中更進(jìn)一步說(shuō)明了hook大小對(duì)裂紋敏感性的影響，他們指出隨著刀具深度增加，hook 大小增加，搭接接頭抗剪性能隨之降低。A. M. S.Malafaia[15]，R. Maciel[16]，L. Reis[17]等人在對(duì)攪拌摩擦焊對(duì)接接頭疲勞特性的研究中發(fā)現(xiàn)，hook缺陷對(duì)接頭疲勞特性有較大影響，與無(wú)缺陷試樣相比，hook缺陷疲勞特性壽命為無(wú)缺陷的65%，壽命更低。

4 Hook缺陷改善方案

hook缺陷對(duì)搭接焊接性能影響大，在焊接過(guò)程中需要盡量減少hook 缺陷帶來(lái)的性能不良。結(jié)合hook缺陷的影響因素，其改善方案可以為：

（1）hook 缺陷對(duì)焊接接頭的影響主要表現(xiàn)為焊接有效厚度降低，因此在焊接過(guò)程中，可將母材較厚一側(cè)置于搭接接頭前進(jìn)側(cè)，從而減少hook 尺寸的影響。

（2）通過(guò)研究攪拌頭形貌、長(zhǎng)度與hook 形貌及大小的關(guān)系，根據(jù)產(chǎn)品特性制定相應(yīng)的攪拌頭，以滿足焊接強(qiáng)度設(shè)計(jì)需求。

（3）在保證焊接接頭內(nèi)部質(zhì)量情況下，優(yōu)化焊接工藝、調(diào)整焊接轉(zhuǎn)速與焊接速度之間的比值，可達(dá)到降低hook 缺陷大小來(lái)提升焊接綜合性能的目的。

5 結(jié)論

隨著輕量化應(yīng)用在世界制造范圍內(nèi)的快速推廣及工業(yè)化應(yīng)用，攪拌摩擦焊在有色金屬連接中的應(yīng)用范圍越來(lái)越大，其中hook 缺陷是攪拌摩擦焊在搭接接頭中不可避免的固有缺陷。在加工制造過(guò)程中，通過(guò)材料不同配置方式、攪拌頭形貌及尺寸優(yōu)化以及焊接工藝的不斷提升，hook缺陷尺寸可以得到一定的控制，從而材料的力學(xué)性能、抗裂紋特性和疲勞特性等綜合性能得到進(jìn)一步提升。隨著新一波基礎(chǔ)建設(shè)的到來(lái)，軌道交通、船舶海工等長(zhǎng)大型材攪拌摩擦焊技術(shù)的推廣還需要一代代科技研發(fā)者的潛心研究，為后續(xù)攪拌摩擦焊的全面應(yīng)用奠定技術(shù)基礎(chǔ)及理論依據(jù)。