工藝參數(shù)對(duì)微攪拌摩擦焊焊縫成形及接

頭性能的影響摘要：為探究不同工藝參數(shù)對(duì)微攪拌摩擦焊焊縫成形及接頭性能的影響。本文設(shè)計(jì)了六組不同的工藝參數(shù)對(duì)1.5mm厚度的2024鋁合金薄板進(jìn)行攪拌摩擦焊對(duì)接試驗(yàn)。測(cè)定焊接接頭的抗拉強(qiáng)度、顯微硬度以及延伸率，分析不同工藝參數(shù)對(duì)接頭力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，在攪拌頭轉(zhuǎn)速為3000-3500rpm以及焊接速度為40-120mm/min的工藝參數(shù)窗口內(nèi)均可獲得焊縫成形良好的FSW對(duì)接接頭，且抗拉強(qiáng)度隨著攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度的增加而增大。關(guān)鍵詞：鋁合金；微攪拌摩擦焊；工藝參數(shù)；焊縫成形；力學(xué)性能Effectofweldingparametersonweldformationandmechanicalpropertiesofmicro-frictionstirweldingaluminumalloysheetsAbstract:Inordertoinvestigatetheeffectofdifferentprocessparametersontheformationofmicro-stirfrictionweldsandthejointpropertiesproduced.Inthispaper,sixgroupsofdifferentprocessparametersweredesignedforstirfrictionweldingbuttjointtestson1.5mmthicknessof2024aluminumalloysheet.Thetensilestrength,microhardnessandelongationoftheweldedjointsweremeasuredandtheeffectsofdifferentprocessparametersonthemechanicalpropertiesofthejointswereanalyzed.TheresultsshowedthattheFSWbuttjointswithgoodweldseamformationwereobtainedwithintheprocessparametersofstirrerspeedof3000-3500rpmandweldingspeedof40-120mm/min,andthetensilestrengthincreasedwiththeincreaseofstirrerspeed.Keywords:aluminumalloy；micro-frictionstirwelding；weldingparameters；weldformationmechanicalproperties引言鋁合金薄板在電力電子、航空航天等行業(yè)應(yīng)用廣泛。由于焊接空間受限，若采用電阻焊、熔化焊等焊接方法，難以滿足高質(zhì)量的焊接要求，采用高能束焊接方法則成本過(guò)高。因此，在兼顧焊接成本和焊接質(zhì)量的前提下，采用小軸肩攪拌頭的攪拌摩擦焊技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)部件的高質(zhì)量焊接。目前，學(xué)者們針對(duì)一般板厚鋁合金的攪拌摩擦焊進(jìn)行了一定研究。鄭小茂［1］分別設(shè)計(jì)了幾組不同的焊接參數(shù)，對(duì)3mm厚的7A04鋁合金板材進(jìn)行攪拌摩擦焊試驗(yàn)，并分析了接頭組織、沉淀相、力學(xué)性能和斷口形貌特征。古寶康［2］以3mm厚度的5083-O態(tài)鋁合金板材的攪拌摩擦焊過(guò)程為研究對(duì)象，在攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度一定的情況下改變焊接速度，研究了不同參數(shù)下接頭的外觀形貌、微觀組織和力學(xué)性能。陳雨［3］在不同焊接熱輸入條件下對(duì)厚度為3mm的2024-T3鋁合金進(jìn)行攪拌摩擦焊，并對(duì)焊核區(qū)的組織和硬度進(jìn)行分析檢測(cè)，研究表明焊核區(qū)的硬度受到焊接熱循環(huán)的影響。但相比較于一般板厚鋁合金，薄板鋁合金的攪拌摩擦焊工藝更為復(fù)雜，且工藝參數(shù)對(duì)焊接效果影響突出。佟建華［4］對(duì)1mm厚度的6061-T6鋁合金薄板進(jìn)行了攪拌摩擦焊對(duì)接，并對(duì)焊縫進(jìn)行了力學(xué)性能測(cè)試和微觀組織分析。張靖［5］以0.5mm的6061鋁合金薄板與SiC增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)為15%的鋁基復(fù)合材料(SiCp/Al6061)的微攪拌摩擦焊搭接過(guò)程為研究對(duì)象，并研究了相關(guān)的工藝特性、接頭形貌特征和其力學(xué)性能。Simoncini［6］運(yùn)用不同形狀的攪拌頭對(duì)1mm厚度的5754鋁合金薄板進(jìn)行攪拌摩擦焊試驗(yàn)，并研究了工藝參數(shù)、攪拌頭結(jié)構(gòu)和幾何外形對(duì)焊接過(guò)程的影響。本文針對(duì)鋁合金薄板小空間窄焊縫的焊接要求，采用小尺寸的攪拌頭，研究工藝參數(shù)對(duì)鋁合金薄板攪拌摩擦焊焊縫成形及接頭力學(xué)性能的影響。1試驗(yàn)條件和方法

試驗(yàn)采用的材料為1.5mm厚的2024鋁合金薄板，該鋁合金是鋁-銅-鎂系中的典型硬鋁合金，試驗(yàn)材料的加工尺寸為110mmX54mmX1.5mm。鋁合金的力學(xué)性能分別如表1所示：表12024鋁合金力學(xué)性能斷抗拉屈服延面收縮強(qiáng)度強(qiáng)度伸率率硬ob(os(5度HVWMPa)MPa)(%)(%)N42N29NN2500201201.2焊接設(shè)備試驗(yàn)采用由XKA714立式數(shù)控銑床改裝而成的攪拌摩擦焊接設(shè)備，另外配套自制夾具進(jìn)行試驗(yàn)，如圖1所示。其z軸豎直固定故攪拌頭的傾斜角度不可調(diào)整。本試驗(yàn)采用的攪拌頭由夾持柄、軸肩和攪拌針三部分組成，選用內(nèi)聚花紋錐形攪拌針。圖1攪拌摩擦焊設(shè)備1.3試驗(yàn)方法1.3.1焊前準(zhǔn)備為保證焊接質(zhì)量，焊接前應(yīng)對(duì)工件進(jìn)行清理，可分為機(jī)械清理和化學(xué)清理兩類。機(jī)械清理工件邊緣不平整且有很多毛刺，對(duì)接時(shí)需要對(duì)其接頭邊沿進(jìn)行機(jī)械清理，并用砂紙打磨待焊邊緣，使焊接接觸面光滑平整。(2)化學(xué)清理在對(duì)接之前需要對(duì)工件表面各種有機(jī)雜質(zhì)進(jìn)行化學(xué)清理。采用酒精溶液對(duì)試樣表面進(jìn)行充分清洗，并用吹風(fēng)機(jī)吹干。1.3.2式樣焊接在焊接試驗(yàn)時(shí)，由于攪拌摩擦焊接試驗(yàn)使用設(shè)備的主軸豎直固定，不能直接調(diào)整焊接的傾斜角度，需在距墊板一端加一墊塊實(shí)現(xiàn)傾斜角度為1°。攪拌摩擦焊接步驟如下：將清理好的2024鋁合金薄板裝夾在焊接夾具上，裝夾攪拌頭；調(diào)試攪拌摩擦焊焊接設(shè)備，利用上述方案設(shè)置焊接傾角為1°，攪拌頭轉(zhuǎn)速設(shè)定范圍為2500-3500rpm，梯度為500rpm；焊接速度設(shè)定范圍為40-120mm/min，梯度為40mm/min；啟動(dòng)焊接設(shè)備，轉(zhuǎn)動(dòng)手輪調(diào)整好下壓量保持在0.15mm后開(kāi)始焊接；固定攪拌頭和攪拌頭傾角，改變攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度和焊接速度，按表2所列參數(shù)對(duì)試樣進(jìn)行焊接。表2試驗(yàn)參數(shù)旋焊接序?速度速度n號(hào)n(rv(mm//vpm)min)300714005300328007.53002312005250348001.25350458003.75350261200金相的制備及觀察FSW對(duì)接接頭金相試樣的制備及組織觀察步驟如下:

試樣切取。運(yùn)用電火花線切割機(jī)切割出所需要的金相試樣，且截取的試樣寬度應(yīng)大于軸肩的直徑；試樣的研磨及拋光。利用水磨砂紙對(duì)接頭金相試樣進(jìn)行粗磨和細(xì)磨兩道工序，直至去除磨面上遺留下來(lái)的磨痕和變形層，獲得光滑的平面并進(jìn)行拋光；試樣腐蝕。將Keller腐蝕劑滴至表面并覆蓋待觀察區(qū)域，待表面變黑后用棉花將腐蝕液拭去，在用酒精清洗之后吹干；金相觀察。將腐蝕后的接頭試樣在金相顯微鏡上進(jìn)行顯微組織觀察，并記錄顯微組織照片。1.3.4試驗(yàn)測(cè)試在顯微硬度測(cè)試方面。將不同焊接參數(shù)下的6個(gè)的金相試樣進(jìn)行拋光，利用數(shù)顯顯微硬度計(jì)測(cè)量其硬度。在接頭拉伸試驗(yàn)方面。將六組不同焊接工藝參數(shù)下得到的對(duì)接接頭試樣按照GBT16865-2013切割成若干拉伸試樣，采用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)接頭進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。測(cè)量拉伸前后試樣的標(biāo)距長(zhǎng)度，并根據(jù)公式計(jì)算接頭的延伸率。式中，吊為延伸率;■■為試驗(yàn)前標(biāo)距長(zhǎng)度；?為試驗(yàn)后標(biāo)距長(zhǎng)度。拉伸試樣尺寸如圖2所示。式中，吊為延伸率;圖2拉伸試樣尺寸2試驗(yàn)結(jié)果與分析2.1工藝參數(shù)對(duì)焊縫表面成形的影響圖3分別調(diào)整攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為2500rpm,3000rpm和3500rpm時(shí)獲得的焊縫表面成形情況，由圖3.1可知，相比較于參數(shù)為2500rpm和80mm/min試驗(yàn)組，其余各組參數(shù)均可得到成形良好，表面致密的焊縫。(a)n=2500rpm,v=80mm/min(b)n=3000rpm,v=80mm/min(c)n=3500rpmv=80mm/min圖3不同攪拌頭轉(zhuǎn)速下的焊縫表面成形相比較于圖3(a)，圖3(b)和圖3(c)的焊接效果更優(yōu)，這是由于在較高轉(zhuǎn)速下，軸肩與金屬材料表面的摩擦作用增大，產(chǎn)生的摩擦熱和金屬的塑性變形熱隨之增大，在同等焊接速度下材料更易轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄誀顟B(tài)，使得形成的塑性流動(dòng)層不斷增大，材料流動(dòng)行為改善，從而使原本低旋轉(zhuǎn)速度下焊縫中形成的孔洞逐漸消失而得到表面平整無(wú)缺陷的焊縫成形，以實(shí)現(xiàn)較佳的焊接效果。2.2接頭不同區(qū)域的顯微組織圖4為攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度以及焊接速度分別為3500rpm和120mm/min時(shí)所獲得的攪拌摩擦焊對(duì)接接頭的橫截面形貌，由圖4可知，攪拌摩擦焊接頭各個(gè)區(qū)域差

異明顯，從金相組織形貌上可將其分為4種不同區(qū)域，分別為焊核區(qū)(NuggetZone,NZ)、熱機(jī)影響區(qū)(Thermo-MechanicallyAffectedZone,TMAZ)、熱影響區(qū)(HeatAffectedZone,HAZ)以及母材(BaseMetal,BM)。圖4FSW對(duì)接接頭橫截面形貌2.3工藝參數(shù)對(duì)接頭拉伸性能的影響依據(jù)GBT16865-2013標(biāo)準(zhǔn)對(duì)1.5mm厚度2024鋁合金薄板的攪拌摩擦焊對(duì)接接頭進(jìn)行拉伸性能試驗(yàn)。結(jié)果如表3所示：表3拉伸試驗(yàn)結(jié)果試屈抗延伸驗(yàn)攪拌焊接速服強(qiáng)度拉強(qiáng)度率斷頭轉(zhuǎn)速度序ob8裂位置(rpm)(mm/min)OS號(hào)/MPa/MPa/%1300040229.12361.2311.5焊縫2300080233.68367.2812.1焊縫3300012024837012.8焊.59.78縫4250080163.24295.363.2焊縫5350080244.70375.6412.3焊縫63500120252.71381.4513.0焊縫由表3可知，隨著攪拌頭轉(zhuǎn)速的提高，接頭的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度隨之增大，并且延伸率也略有提升。同時(shí)，隨著焊接速度的提高，接頭的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度以及延伸率也略有上升。在攪拌頭轉(zhuǎn)速以及焊接速度分別為2500rpm和80mm/min下獲得的對(duì)接接頭力學(xué)性能較其他五組參數(shù)下的顯著降低，而在攪拌頭轉(zhuǎn)速以及焊接速度分別為3500rpm和1200mm/min下獲得的對(duì)接接頭力學(xué)性能最佳，其抗拉強(qiáng)度為381MPa，達(dá)到母材抗拉強(qiáng)度的87%。2.4工藝參數(shù)對(duì)接頭顯微硬度的影響圖5為不同工藝參數(shù)下的FSW焊縫截面顯微硬度分布。由圖5可知，距焊縫中心距離的顯微硬度分布曲線大致呈現(xiàn)“W”型，其焊核區(qū)及母材硬度較高，而熱影響區(qū)硬度較低，且硬度值最低點(diǎn)落在熱影響區(qū)，在焊核區(qū)與熱影響區(qū)的交界處橫截面顯微硬度下降較快。

圖5不同工藝參數(shù)下焊縫橫截面顯微硬度分布圖6為不同攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度下的焊縫橫截面顯微硬度分布。由圖6可知，接頭橫截面顯微硬度隨著攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度的提高而略有上升。圖6不同攪拌頭轉(zhuǎn)速下焊縫橫截面顯微硬度分布圖7為不同焊接速度下的焊縫橫截面顯微硬度分布。由圖7可知，相比較于焊接速度，攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度對(duì)接頭顯微硬度的影響更為明顯。圖7不同焊接速度下焊縫橫截面顯微硬度分布3結(jié)論在攪拌頭轉(zhuǎn)速為3000-3500rpm以及焊接速度為40-120mm/min的工藝參數(shù)窗口內(nèi)均可獲得焊縫成形良好的FSW對(duì)接接頭。FSW對(duì)接接頭的抗拉強(qiáng)度隨著攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度的增加而增大，當(dāng)工藝參數(shù)為攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度3500rpm，焊接速度120mm/min時(shí)接頭抗拉強(qiáng)度最大，達(dá)母材的87%。接頭橫截面顯微硬度分布曲線大致呈現(xiàn)出“W”形狀，硬度值最低點(diǎn)落在熱影響區(qū)，并且接頭顯微硬度隨攪拌頭轉(zhuǎn)速的提高而略有上升，但隨焊接速度的變化不明顯。參考文獻(xiàn)1.鄭小茂，張大童，張文，等.焊接參數(shù)對(duì)7A04鋁合金攪拌摩擦焊接頭組織與力學(xué)性能的影響[J].焊接學(xué)報(bào)，2016,37(1):76-80.2.古寶康，張大童，張文.焊接速度對(duì)5083鋁合金攪拌摩擦焊接頭組織與性能的影響[J].電焊機(jī)，2014,44(3):9-13.3.陳雨，丁樺，李繼忠,趙敬偉，付明杰,李曉華.焊接熱輸入和焊后熱處理對(duì)攪拌摩擦焊2024-T3鋁合金焊核區(qū)硬度的影響(英文)[J].TransactionsofNonferrousMetalsSocietyofChina,2015,25(08):2524-2532.4.佟建華，李煉，鄧冬，等.6061-T6鋁合金薄板的攪拌摩擦焊接[J].