基于材料补偿的搅拌摩擦焊接工艺研究

郝明非

摘要：本文采用搅拌摩擦焊对加有补偿凸台的6N01铝合金板材进行焊接实验，焊后进行切割、取样、磨制、金相观察、拉伸试验，分析接头的显微组织及力学性能。讨论了搅拌头转速对接头显微组织和力学性能的影响，搅拌摩擦焊接头各区域的晶粒特点，以及添加补偿凸台的效果和作用机理。

关键词：铝合金；搅拌摩擦焊；显微组织；力学性能

1搅拌摩擦焊的原理与特点

搅拌摩擦焊是针对焊接性差的铝合金开发的一种新型固相焊接工艺。焊接过程中,高速旋转的搅拌头与工件之间产生大量的摩擦热。在摩擦热的作用以及搅拌头的粉碎、挤压作用,搅拌头周围金属在焊接过程中将发生严重的热塑性变形,从而释放大量的塑性变形能。在摩擦热及塑性变形能的综合作用下,接头金属实现塑性流动并扩散连接。[1]-[3]

2实验材料及方案

2.1实验材料

试验材料为6N01（Al--Mg-Si系）高强铝合金板材，其化学成如表1，既有相当高的强度性能与成形性能又有可接受的可焊性能，为制造铝双层结构轨道高速车辆提供了良好的材料。

表16N01铝合金化学成分（质量分数）

2.2焊接实验

2.2.1实验方案

本实验采用4mm厚6N01铝板材进行搅拌摩擦焊对接实验，总共设置两组以便于对照，一组板材添加0.8mm补偿凸台，另一组不加补偿，焊后比较两组接头的力学性能得出结论，并探讨补偿的效果和作用机理。

（1）搅拌头的选择

针对加工过的铝合金板材尺寸，和焊接设备操作，本实验采用针长4.6mm，针直径2mm轴肩直径15mm的搅拌头进行焊接。

（2）工艺参数的设定

表2焊接工艺参数

2.2.2焊前准备

（1）下料

选用6N01铝合金板材，通过机械加工在板材做出凸台，制成试板。

（2）试板的清理

机械清理法：采用锉刀或刮刀加工试板表面，除去毛刺，去除氧化膜。

化学清理法：用丙酮擦洗试板表面，去除油污和脏物。

（4）试板装夹

在搅拌摩擦焊试验台上，摆放好待焊试板的位置，压紧夹具将试板固定。

（5）对位

通过控制搅拌摩擦焊设备的手动按钮控制探针与预焊点的相对位置，使其X、Y轴对正，结合0.05mm的塞尺和控制Z轴的按钮使Z轴方向对正。

2.2.3焊接过程

焊接时，工件及垫板固定不动，搅拌头高速旋转，并在压力作用下垂直插入工件，控制轴肩压入工件的深度为0.1-0.5mm。搅拌头的旋转速度为800-1200r/min，行进速度50-150mm/min，焊接时间是指搅拌头搅拌针完全插入工件，轴肩与工件表面开始接触到离开工件的时间。

2.3金相实验

金相试验按照取样→磨制→抛光→腐蚀→观察显微组织的流程进行。

采用线切割机沿接头横截面切开，再将接头切割成金相试样，取得试样的尺寸过小，用手来磨制显然很困难，故制作了镶嵌试样，便于试样的研磨。

试样的磨制是在一套粗细程度不同的金相砂纸上由240#-1000#，金相砂纸依次序进行的。每次更换细一级砂纸时，将试样的磨削方向调转90°。

抛光使用Al2O3在水中的悬浊液，机械抛光，去除细磨时留下来的细微磨痕，以获得光亮无疵的镜面。

腐蚀液选择15mlHF—10mlHCL—90mlH2O自配溶液，腐蚀时让式样表面充分沉浸在腐蚀液中30-50s。然后用清水冲洗，并用吹风筒对试样进行吹干，观察表面发乌有焊缝宏观形貌即可用金相显微镜进行观察。

先调节金相显微镜到低倍数，找到关键位置，在调节更大倍数进行观察，并留存相关照片。

2.4力学性能试验

试验材料为焊好的试板，采用线切割工艺加工成拉伸试样，使用拉伸试验机对接头拉伸试样进行拉伸时，速率选用5mm/min,试样被拉断时记录下其拉伸载荷。

3实验结果与分析

3.1搅拌摩擦焊焊缝成形分析

通过接头宏观照片，可以看出搅拌摩擦焊表面平整、美观。但个别组参数存在缺陷。其形成原因是高速旋转的搅拌头向下压入，产生大量的热输入，促使金属塑性化。这些被挤出的塑性金属随着搅拌头的旋转，被轴肩带出，冷却后形成飞边缺陷。个别接头出现明显隧道缺陷，其产生原因是，焊缝内部的热输入量不足，金属不能完全塑化，无法充分完成流动填充过程，则在焊缝内部形成孔洞缺陷、隧道型缺陷。

3.2搅拌摩擦焊接头显微组织分析

3.2.1搅拌摩擦焊接头组织结构特点

铝合金搅拌摩擦焊接头可分为四个区域分别为母材、热影响区、热机械影响区、焊核区。

焊核区，该区域受到搅拌针的强烈搅拌作用，经历了较高温度的热循环，组织发生了动态再结晶，原始母材晶粒完全消失，取而代之的是细小的晶粒。热机械影响区，该区域金属受到机械的搅拌作用，区域组织受到拉伸，挤压作用发生了较大的变形，其宏观特征为较高的塑性流动带。热影响区只受到搅拌摩擦热的影响，而没有受到搅拌头的机械搅拌作用，该区域通常非常窄，是接头与母材组织之间的过渡，其组织形貌与母材晶粒基本相同。

3.2.3搅拌头转速对焊缝的影响

焊件表面主要受到搅拌头轴肩的摩擦挤压作用，对接头表面组织进行观察分析，发现焊核区域的晶粒细化。这是由于焊缝区域的金属受到轴肩的压力，旋转摩擦力和移动摩擦力的作用，晶粒在热的作用和机械搅拌作用下发生了动态回复和动态再结晶，焊核晶粒得到细化，形成细小的等轴晶。由显微照片可以看出在行进速度相同情况下转速越大，组织晶粒越细，该焊缝力学性能得到了大大提高。

3.3力学性能分析

对添加补偿凸台和不添加补偿的试样进行拉伸试验对比其焊缝力学性能。把焊接参数相同的试样1号和4号、2号和5号、3号和6号件抗拉载荷进行对比，得出结论。

接头的断裂位置多数出现在前进侧热影响区，少数出现在焊核区，并且与拉伸轴呈近45°断裂，断口形貌中存在较多的韧性断裂特征。通过数据表明在焊接参数一定情况下，添加补偿凸台的焊缝具有更好的力学性能，最大可达到185.6MPa。

4结论

（1）在搅拌摩擦焊过程中，搅拌头沿焊接方向的两侧分为前进侧和后退侧，由于焊接过程中搅拌头两侧金属的塑性流动状态有差别，前进侧的热机械影响区与焊核区的分界线比较明显，但后退侧的分界线却模糊不清。

（2）参数的配合对于焊接质量起到关键性的作用。焊接参数选择合适时,在焊核区得到晶粒度非常小的动态再结晶晶粒。在搅拌头转速为1000r/min、行进速率为100mm/min下得到了表面美观、内部无缺陷、力学性能良好的搅拌摩擦焊接接头。

（3）对式样板材添加补偿凸台，补偿的金属可以填充到被轴肩挤压下陷的区域，这样可避免应力集中。本次试验添加补偿的铝合金板材最大的抗拉载荷是185.6MPa。采用这种方案焊接的接头不仅焊缝宏观平整美观，而且接头力学性能得到大大提升，可以应用在生产实际中。

参考文献

[1]张华林，林三宝，吴林.搅拌摩擦焊研究进展及前景展望.焊接学报.第24卷第3期2003.6p3-4

[2]张胜玉.搅动摩擦焊原理及应用.材料开发及应用.2000，15(5):p34-38

[3]王希靖.搅拌摩擦焊技术在铝合金加工中的应用.宋天虎.2001年中国机械工程学会年会论文集.北京:机械工业出版社,2001.85-88.