万方数据
第２期刘红伟等：５Ａ０６铝合金焊接接头性能研究７３ 了焊接。并对焊接接头的组织和性能进行了对比分析研究。
１试验材料及方法
试验材料为３００ｍｍ×１５０ｍｍｘ３ｌｌｃｌｍ规格的５Ａ０６—０铝合金板材，ＴＩＧ焊接填丝为咖１．６ｍｉｌｌ的ＥＲ５３５６铝合金焊丝．板材及焊丝化学成分见表ｌ。
焊接设备为ＳＷＥ一３１５Ｐ交直流钨极氩弧焊机和ＦＳＷ一３ＬＭ一００６型龙门式数控搅拌摩擦焊机。试板采用平对接接头形式．试验前将待焊试板进行酸碱洗处理．在烘箱中烘干后固定在刚性工作台上。分别采用ＴＩＧ和ＦＳＷ工艺进行焊接。ＴＩＧ焊接电流为１５０Ａ，焊接速度为５０～６０ｍｍ／ｍｉｎ．保护气体及流量为９９．９９％氩气，８Ｌ／ｍｉｎ。搅拌摩擦焊工艺参数如表２所示。试板焊后进行Ｘ一射线检测。 将经检验无缺陷的焊接试板进行组织及力学性能试验。金相试样用混合酸溶液腐蚀．在德国徕卡公司制造的ＭＥＦ４型金相显微镜上进行组织观察：拉伸试样按ＧＢ２６５ｌ～８９制取。在ＣＭＴ－４１０５电子拉伸试验机上进行试验：疲劳试验按ＧＢ３０７５—８２在ＩＮＳＴＲＯＮ８８０１电液
伺服疲劳试验机上进行：采用ＳＩＲＩＯＮ场发射扫描电子显微镜进行断口形貌观察。
表１５Ａ０６铝合金和５３５６焊丝化学成分（质量分数肋）
Ｔａｂｌｅ１Ｃｈｅｍｉｃａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓｏｆ５Ａ０６ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙａｎｄ５３５６ｗｅｌｄｉｎｇｗｉｒｅＩｍａｓｓｆｒａｃｔｉｏｎ／％）
成分５Ａ０６５３５６成分５Ａ０６５３５６
Ｓｉ０．４００．２５Ｃｒ一０．０５一Ｏ．２０Ｆｅ０．４００．４０ＺｎＯ．２０Ｏ．１０
Ｃｕ０．１００．１０Ｔｉ０．０２～０．１００．０６～０．２０Ｍｎ０．５０～０．８０Ｏ．０５—０．２０Ａｌ余量余量
Ｍｇ５．８－６．８
４．５－５．５
表２搅拌摩擦焊工艺参数及接头抗拉强度Ｔａｂｌｅ２Ｆｒｉｃｔｉｏｎｓｔｉｒｗｅｌｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｎｄｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｗｅｌｄｓ
２试验结果与分析
２．１焊接性分析
锻造操作机采用钨极氩弧焊工艺焊接铝合金时，在焊前试板处理和焊丝质量较好的情况下，影响焊接质量的主要参数有焊接电流和气体的保护效果。焊接电流是决定焊缝熔深的最主要参数，一般情况熔深随着焊接电流的增加而增加，但电流过大会使热影响区加大．且容易造成钨极烧损；焊接电流过小则会熔深不够，造成未焊透缺陷。惰性气体可以保护熔池不被氧化，保护气体流量过低时。排除周围气体的能力弱，保护效果不好，容易造成焊缝氧化，而气流量过大则会使熔池“翻浆”．使周围空气卷入，同样会降低保护效果。所以，合理的选择焊接工艺参数是形成高质量焊缝的基础。此外．手工钨极氩弧焊受人为操作因素影响较大。５Ａ０６薄板铝合金采用氩弧焊焊接。在保证试板被焊透的情况下应尽量避免大的热输入量。以减小热影响区和焊接变形。图ｌａ为表面成形较好的试板，表面有少量的小气孑Ｌ，无损检测分析表明焊缝内部气孔较多，而且一端存在较大气孔。 影响搅拌摩擦焊焊缝成形的主要因素有搅拌头的形状、搅拌头旋转速度、焊接速度、搅拌头倾角和轴肩压力。采用搅拌摩擦焊焊接铝合金板材，当工艺参数选择合理时．焊后不进行加工处理也可以得到表面光滑、不存在缺陷的焊缝，图１ｂ所示为较理想的焊缝。当搅拌头旋转速度、焊接速度、搅拌头倾角和搅拌头轴肩压力等参数不匹配时，焊缝表面及内部会出现不同的缺陷。当搅拌头的旋转速度较
低时，摩擦热不够，不足以形成热翅性流动层，其结果是焊接不理想。易形成隧道缺陷：转速过高时，会使搅拌针周围及轴肩下面的材料温度达到或超过熔点、容易产生焊接裂纹等缺陷。当焊接速度过小时搅拌头所产生的热量会使焊接温度过高．致使焊核区金属因过热而出现疏松，产生液化裂纹，同时焊缝表面凹凸不平；当焊接速度过大时，搅拌头所产生热量不足以使搅拌针周围的金属达到塑性状态．不能形成理想的焊缝。当搅拌头轴肩的顶锻力不足
ａ—ｒ１１Ｇ
ｂ—ＦＳＷ
ｃ—ＦＳＷ
图ｌ焊缝表面形貌
Ｆｉｇ．１Ｐｒｏｆｉｌｅｏｆ
ｗｅｌｄｓ
万方数据
７４兵器材料科学与工程第３２卷
时，焊缝组织疏松，轴肩起不到封闭作用，热塑性金属
“上浮”，溢出焊接表面。冷却后焊缝内部出现孑Ｌ洞：当
顶锻力过大时，轴肩与焊件表面摩擦力增大，搅拌针向
前移动的阻力增大，摩擦热将使轴肩发生“粘头”现象，
使焊缝表面出现飞边、毛刺等缺陷阳］，图ｌｃ为搅拌头
轴肩压力过大导致焊缝边缘出现了一定程度的飞边。
２．２接头抗拉强度
焊后将外观成形好、经无损检测内部也没有缺陷的试板用来做拉伸试验。ｒＩ＇ＩＧ焊接接头平均抗拉强度为３０５ＭＰａ，最高可达母材强度（实测值３４５ＭＰａ）的８８％。不同工艺参数下的搅拌摩擦焊接头抗拉性能如表２所示。从搅拌摩擦焊接头的拉伸试验结果可以看出，焊后试板的抗拉强度最低可达母材的９０％以上．最高值可实现与母材等强度。相比于熔化极氩弧焊，搅拌摩擦焊接头强度有明显提高。
分析认为．在待焊工件与焊丝确定的情况下．造成ＴＩＧ焊接头强度较低的原因主要是热输入量过高和焊缝组织晶界间有低熔点化合物存在。ＴＩＧ焊热输入量过高．焊缝经历的高温时间长，晶粒再结晶后经历长大的时间也较长。导致晶粒粗大，由Ｈａｌｌ—Ｐｅｔｃｈ公式可知。大尺寸晶粒的生成导致接头强度降低。此外，经金相分析表明．焊缝再结晶晶粒的晶界处有偏析出来的低熔点共晶物存在，在拉应力的作用下比晶界无偏析的情况容易断裂。搅拌摩擦焊工艺焊接铝合金可以得到较高的抗拉强度．一方面是焊接接头由自身材料填充形成。保持了母材较高强度的特性，另一方面是由于搅拌摩擦焊焊缝金属发生动态再结晶。生成细小的等轴晶粒，致使多晶体中的位错运动困难，引发塑性变形所需的力较大．所以抗拉强度较高悟位］。
从表２可以看出，当搅拌摩擦焊旋转速度和焊接速度为６００ｒ／ｍｉｎ、１００ｍｍ／ｍｉｎ和９００ｒ／ｍｉｎ、１５０ｍｍ／ｍｉｎ时，拉伸试验结果差别不大，这是因为虽然两组参数不同，但搅拌头旋转速度与焊接速度的比值相等，则搅拌头与试板摩擦产生的热量分布在单位距离焊缝上的热量值接近相等。所以两种参数下得到的拉伸试验结果相差不大。搅拌摩擦焊工艺参数不恰当时，搅拌头轴肩产生的热量较多，造成试板的热影响区软化严重。降低接头强度．如６００ｒ／ｍｉｎ、２００ｍｍ／ｍｉｎ时接头强度只有３１０ＭＰａ。硬度试验也表明接头存在一定距离的软化区。Ｍａｈｏｎｅｙ的研究也发现了同样的规律．Ｍａｈｏｎｅｙ通过对７０７５一Ｔ６５１铝合金ＦｓＷ接头的拉伸试验和微观组织分析研究表明，搅拌摩擦焊接头最脆弱的区域不在焊缝中间，而是在离焊缝一定距离的热变形影响区。２．３接头显微组织
图２为ＦＳＷ和ＴＩＧ接头的显微组织照片。图２ａ
ａ一基体组织
ｂ—ＴＩＧ熔合Ⅸ组织
ｃ—ＦＳＷ接头组织
图２接头显微组织骑行者
Ｆｉｇ．２Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｏｆｗｅｌｄｓ
面膜仪是５Ａ０６母材的显微组织．由于试验所用为轧制板材，可看出母材的轧制方向很明显。基体上有析出的少量强化相。图２ｂ是ＴＩＧ焊接头的微观照片，熔合区为母材与填充金属发生重熔生成的铸态组织，弥散粒子均匀分布。焊核区基本上为等轴晶粒，而熔合区的晶粒要比焊核区更细小一些。造成这种差别是因为焊核区处于焊缝中间，焊接时热输入量主要集中在这个区域，而此区域的过冷度较小，经历高温的时间长。所以晶粒结晶后发生长大的趋势较大。而熔合区的一侧靠近焊核，另一侧靠近母材．在靠近母材的一侧向外传导热量较快。熔合区的过冷度较大，该区经历高温的时间相对也比较短，熔合区金属可以快速结晶，而晶粒来不及长大，所以熔合区的晶粒比焊核区要小。此外，焊核区与熔合区的成分差别也会对晶粒组织造成一定的影响，作者在后续试验中将做进一步的研究。
图２ｃ为搅拌摩擦焊接头的典型微观组织。可以看出其各个区域区别很明显。搅拌摩擦焊的焊接接头可分为热影响区、热变形影响区和焊核区。热变形影响区介于热影响区（热影响区组织上与母材差别不大）与焊核之间，该区域的晶粒由于受搅拌针边缘塑性金属的
影响，发生热变形，导致晶粒被拉长。从而形成热变形
万方数据
第２期刘红伟等：５Ａ０６铝合金焊接接头性能研究７５
影响区，该区没有像焊核区那样发生完全再结晶，晶粒比焊核区稍大。焊核区是搅拌针直接作用的区域，组织结构都发生较大的变化。焊缝区发生动态再结晶，组织是明显的等轴晶粒．并且非常细小，晶粒的尺寸取决于所焊合金及焊接规范。文献［１２３认为在焊核区的塑性流动是非对称的．经历了高温、大应变和高的应变速率，并且在焊核中心发生了强烈的变形。焊核区的应变在５一１０之间．应变率约为１０２，应变和应变梯度随着距离焊缝中心线距离的增加呈指数下降。大应变条件下．初期为大角度晶界．导致焊核区在连接过程中发生了动态再结晶［８－１２１。在理想的动态再结晶过程中。局部累积能的变化导致应变诱发晶界的迁移．这种迁移和塑性流动的不同将导致在初始晶粒的沉淀相周围开始形成链状的新晶粒。在焊接过程中，不断形成新晶粒层。并从晶粒边界向内部发展．一直到每一个初始晶粒都发生再结晶。
２．４接头疲劳强度
疲劳试验采用轴向拉伸加载方式，应力比为０．２，频率为５０Ｈｚ。加载应力范围为拉伸试样屈服强度的０．３～０．４，为了便于两种试样的对比，本试验选取１００ＭＰａ和８５ＭＰａ两个载荷。表３为ＴＩＧ和ＦＳＷ试样在不同应力下的疲劳试验结果。从表中可以看出在相同加载应力下．搅拌摩擦焊接头的疲劳寿命明显比钨极氩弧焊的高。在应力为１００ＭＰａ时，搅拌摩擦焊接头的疲劳寿命是钨极氩弧焊的２倍以上：在加载应力为８５ＭＰａ时。搅拌摩擦焊接头的疲劳寿命是钨极氩弧焊的５倍以上。在加载应力分别为１００ＭＰａ和８５ＭＰａ时．ｒｎＧ试样的疲劳寿命相差不大，
ＦＳＷ试样在８５ＭＰａ时的寿命比１００ＭＰａ提高了４倍以上。在８５ＭＰａ时９号试样的寿命比８号低。这是由于９号试样在试验机上夹持时试样轴心未与夹具轴心同心。致使疲劳载荷未完全作用在试样轴心方向，使疲劳寿命降低。
图３为钨极氩弧焊和搅拌摩擦焊接头疲劳断口裂纹扩展区和瞬时断裂区的微观形貌。钨极氩弧焊接头表３ＴＩＧ和ＦＳＷ试样疲劳试验结果
Ｔａｂｌｅ３ＴｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｆａｔｉｇｕｅｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆＴＩＧａｎｄＦＳＷｓｐｅｃｉｍｅｎ的断口为大小不同的韧窝形貌．而搅拌摩擦焊接头的断口为均匀的细小韧窝。这是由于钨极氩弧焊焊接时热量输入较高，热量传输不均匀．导致晶粒长大倾向严重且焊缝中心和熔合晶粒大小差别较大。而搅拌摩擦焊接头焊缝区发生动态再结晶生成细小的等轴晶粒，由于细晶的宏观均匀性。使得韧窝不具有在薄弱环节择优生长的外部条件，所以所有的韧窝都以近似的速度均匀生长，且都有较长的时间来充分长大，最终合并发生断裂。
试验还发现。气孑Ｌ、夹渣等焊接缺陷比较小时，对焊接接头的静态翅性强度几乎没有影响，但对疲劳强度的影响却比较明显，会使疲劳强度严重下降。如１号试样接头有较大的连续气孔存在（见图４），其寿命只有３０３５次。还不及无缺陷试样寿命的的１／１５。所以在焊接及焊后处理时及时检查发现并消除焊接缺陷。
３结论
ａ—ＴＩＧ
ｂ—ＦＳＷ
图３，１１Ｇ和ＦＳＷ疲劳断口形貌
Ｆｉｇ．３Ｆａｔｉｇｕｅｆｒａｃｔｕｒｅｐｒｏｆｉｌｅｓ
图４气扎缺陷彤貌
Ｆｉｇ．４Ｐｒｏｆｉｌｅｏｆｈｏｌｅｆｌａｗ
１）３ｍｍ厚５Ａ０６铝合金采用手工钨极氩弧焊工艺焊接时热输入量较高，焊缝为铸态组织，且晶粒粗大，工艺合理时接头强度最高可达母材强度的８８％；
采用搅拌摩擦焊工艺焊接时，焊缝发生动态再结晶，生
万方数据
万方数据
5A06铝合金焊接接头性能研究
作者：刘红伟， 王法科， 王冬生， 齐果， 刘洪侠， 陈东高， LIU Hongwei， WANG Fake，WANG Dongsheng， QI Guo， LIU Hongxia， CHEN Donggao
作者单位：刘红伟，王法科，王冬生，齐果，陈东高,LIU Hongwei,WANG Fake,WANG Dongsheng,QI
Guo,CHEN Donggao(中国兵器科学研究院宁波分院，浙江，宁波,315103)， 刘洪侠,LIU
Hongxia(吉林机电工程学校，吉林,132101)
刊名：
兵器材料科学与工程
英文刊名：ORDNANCE MATERIAL SCIENCE AND ENGINEERING
年，卷(期)：2009，32(2)
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单宁酶过母材强度的焊接接头；采用FSW技术焊接2A14和2219等可热处理强化铝合金的接头系数高于熔焊的接头系数；采用FSW技术焊接筒体试验件，可以得到高强度、低变形、无缺陷的均匀焊缝.
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搅拌摩擦焊是一种新型固态塑性连接方法，本文针对5A06铝合金，研究了薄板的搅拌摩擦焊接头的组织形态、力学性能，并对FSW、TIG和气焊对接接头的应力腐蚀行为进行了分析.结果表明，用FSW焊接平板对接接头有着优良的力学性能和抗应力腐蚀能力.
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利用优化的搅拌摩擦参数，对5A06铝合金分别进行一次、二次、三次重复搅拌摩擦焊试验，并对接头组织及力学性能进行研究.结果表明：不同次数的搅拌摩擦焊都能获得组织、性能优良的焊缝.焊接次数对焊缝外观、焊后变形、焊缝组织、抗拉强度、抗弯强度以及硬度的影响都很小，断口形貌一致.
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搅拌摩擦焊和熔化极氩弧焊是航空航天领域两种常用的铝合金焊接工艺方法.本研究以70mm厚5A06铝合金作为实验材料，研究比较了用这两种方法得到的焊接接头的微观组织和性能.结果表明，搅拌摩擦焊接头晶粒细化，合金元素烧损减少，具有较高的力学性能和抗腐蚀性能.比较结果有利于根据要求选择合适的焊接方法.
5.期刊论文杨新岐.栾国红.许海生.柴鹏.YANG Xin-qi.LUAN Guo-hong.XU Hai-sheng.CAI Peng铝合金搅拌摩擦与MIG焊接接头疲劳性能对比试验-焊接学报2006,27(4)
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