力学性能分析
王春桂， 赵运强， 董春林， 邓 军
(广东省焊接技术研究所(广东省中乌研究院)，广东省现代焊接技术重点实验室，广州 510651)
摘 要： 对4 mm 厚6063-T6铝合金进行了双轴肩搅拌摩擦焊接试验. 结果表明，双轴肩搅拌摩擦焊可以实现6063-T6铝合金的焊接，得到表面成形良好且内部无缺陷的接头. 接头宏观形貌为哑铃状，其微观形貌分为焊核区、热力影响区、热影响区及母材区. 在搅拌头转速为1 200 r/min ，焊接速度为400~700 mm/min 的工艺区间内，接头强度呈先升高后降低的趋势，最高可达181.64 MPa ，为母材的68.5%，硬度分布呈W 状分布，接头断裂位置位于前进侧热影响区，断裂方式为韧性断裂. 关键词： 双轴肩搅拌摩擦焊；微观组织；力学性能；焊接热循环
中图分类号：TG 453.9 文献标识码：A doi ：10.12073/j .hjxb .2018390258
0 序 言
搅拌摩擦焊(friction stir welding)经过20多年的发展已经在航空航天、轨道列车及电力电子等行业得到了广泛的应用. 作为一种固相焊接技术，其具有焊接效率高、热输入小、焊接变形小等优点
耐高温盘根
[1-2]
.
传统搅拌摩擦焊为单轴肩，需要背部垫板支撑抵抗焊接过程中产生的锻压力，因此无法实现例如中空型材的焊接，限制了其应用范围. 此外，单轴肩搅拌摩擦焊易存在根部未焊透及弱连接等缺陷. 双轴肩搅拌摩擦焊搅拌头为上下轴肩结构，下轴肩代替了传统搅拌摩擦焊的支撑垫板，因此可实现无支撑垫板及根部全焊透的焊接，从而在轨道列车等中空型材的焊接中得到广泛的应用
[3-4]
.
目前铝合金的搅拌摩擦焊已经被广泛地研究，其主要集中在焊接工具的设计、焊接工艺参数的优化、接头微观组织特征及焊接温度场及流场等[5-7]
.
然而，相关研究主要集中在单轴肩搅拌摩擦焊，而
对双轴肩搅拌摩擦焊的相关研究相对较少.
文中选用6063可热处理强化铝合金为研究对象，其具有较好的可加工性能和耐腐蚀性能，目前
已经广泛应用于飞机蒙皮、壁板及高速列车车体结构材料等领域. 然而，6063铝合金具有较强的焊接裂纹敏感性，采用传统熔化焊接方法会使其接头强度大幅降低，并且铝合金存在焊接变形大、焊接气孔等问题，在实际应用过程中存在较大的限制[8]
.
针对上述问题，结合搅拌摩擦焊的优势，文中对6063铝合金双轴肩搅拌摩擦焊工艺进行研究，通过对焊缝成形、接头微观组织演变和力学性能的研究，揭示双轴肩搅拌摩擦焊的焊接工艺机理，为双轴肩搅拌摩擦焊的实际生产应用提供理论支撑和生产指导.
智能机器人问答
1 试验方法
采用6063-T6铝合金为研究对象，其尺寸为100 mm×50 mm×4 mm ，其化学成分及力学性能如表1所示.6063-T6铝合金为Al-Mg-Si 系可热处理强化铝合金，其强化相为Mg 2Si .试验采用的双轴肩搅拌头
的上下轴肩带有同心环凹槽，搅拌针为带螺纹设计. 上下轴肩尺寸为16 mm ，搅拌针直径为6 mm ，上下轴肩距离固定为3.85 mm .试验在FDZ-5020-10T-2D 龙门式搅拌摩擦焊机上进行，焊接前对试件进行打磨处理，去除表面氧化膜，采用酒精对试件表面进行清理去除油污. 试验选择主轴转速为n =1 200 r/min ，焊接速度为v =400~700 mm/min ，
收稿日期：2018 − 03 − 27
基金项目：广东省科学院实施创新驱动发展能力建设专项资金项目
(2017GDASCX-0847，2018GDASCX-0113)；广东省省级科技计划资助项目(2015B090922011)；广州市科技计划资助项目(201704030056)
第 39 卷 第 10 期2018 年 10 月
焊 接 学 报
TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION
Vol .39(10):108 − 112
October 2018
焊接过程中采用50 Hz高频测温设备对焊缝前进侧及后退侧温度进行采集.焊后沿垂直焊缝方向采用线切割截取试样，经打磨抛光后采用Keller试剂(95 mL H2O+2.5 mL HNO3+1.5 mL HCl+1.0 mL HF)进行腐蚀处理，用光学显微镜对接头的显微组织进行观察，采用显微硬度仪对接头硬度分布进行测试，采用拉伸机对接头抗拉强度进行测试，每个参数截取3个标准拉伸试样，以3个拉伸试样的平均抗拉强度为评价标准.
2 试验结果及分析
2.1 焊接热循环
在距离焊缝中心9 mm处分别对焊缝前进侧及后退侧的焊接热循环进行测量，结果如图1所示.当焊接速度由400 mm/min升高到600 mm/min时，其焊接热输入减小，前进侧及后退侧的峰值温度都降低.在相同焊接速度下前进侧温度高于后退侧温度，当焊接速度为400 mm/min时，前进侧温度比后退侧高47 ℃；当焊接速度为600 mm/min时，其温度差为100 ℃，前进侧温度高于后退侧可以从金属流动及搅拌头受力两方面进行分析：(1)双轴肩搅拌摩擦焊过程中流动金属向板材中间汇集，并在前进侧形成一个聚集区，热量在前进侧聚集；(2)搅拌头上下轴肩同时受到垂直于焊接方向的水平方向的力，此力方向指向前进侧，因此会使得搅拌头产生一个朝前进侧的微小偏移，使热源靠近前进侧.对比图1a，b，在升温阶段600 mm/min曲线斜率高于400 mm/min，表明随着焊接速度的增加，其升温速率也增加，这是由焊接热源靠近测温点的速度增加造成的.
2.2 焊缝成形
图2为不同焊接速度下焊缝的表面成形.当焊速为400 mm/min时，过大的热输入导致金属与搅拌头的粘着力减小，无法实现随搅拌头的填充与过渡，从而导致焊缝表面粗糙，如图2a所示；随着焊接速度递增到700 mm/min，焊接热输入持续降低，金属粘度增加，塑化金属随搅拌头流动能力增加，焊缝表面的毛刺随焊接速度的增加而减少.当焊接速度在500~700 mm/min时均可以得到表面成形良好，鱼鳞纹清晰平整的焊缝，如图2b，c所示；对比图2a，b，c，d，随着热输入的减小，焊缝表面鱼鳞纹间距增大.由于焊接工具上轴肩与刀柄连接，其散热条件优于下轴肩，其热量低于下轴肩，因此在同一焊接速度下，焊缝上表面成形平整度优于下表面.
在不同焊接速度下焊缝表面宽度也表现不同.当焊接速度为400 mm/min时，其表面宽度小于焊接速度为500 mm/min时的表面宽度，其原因是较低的焊接速度导致金属粘着力降低，搅拌头所能带动的金属流动区域较小，最终导致焊缝较窄，当焊接速度为500~700 mm/min时，由于搅拌头作用在
表 1 6063-T6铝合金化学成分及力学性能
Table 1 Chemical compositions and mechanical properties of 6063-T6 aluminum alloy
化学成分(质量分数，%)力学性能Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti其它Al抗拉强度R m/MPa断后伸长率A(%)
0.2~0.60.350.100.100.45~0.90.100.100.100.15余量26525%
图 1 不同焊接速度下温度分布
Fig. 1 Thermal cycles at advancing and retreating sides of weld under different welding speeds
第 10 期王春桂，等：6063-T6铝合金双轴肩搅拌摩擦焊接头组织及力学性能分析109
焊缝金属上的时间较短，焊缝宽度基本保持不变. 2.3 微观组织
图3为不同焊接速度下焊缝接头截面宏观形貌.焊缝区域可分为焊核区(NZ)、热力影响区(TMAZ)、热影响区(HAZ).由于受到上下轴肩的对称的热力作用，其焊核区域形状为与上下轴肩接触区域宽，中间区
域窄的哑铃形貌，并且在轴肩的锻压作用下焊缝表面宽度远大于搅拌头轴肩的宽度.随着焊接速度的增加，焊接热输入逐渐减小，焊缝区域热影响区(HAZ)和热力影响区(TMAZ)宽度也逐渐减小.
后退侧前进侧
后退侧前进侧后退侧前进侧后退侧前进侧
(a) v = 400 mm/min
(b) v = 500 mm/min
(c) v = 600 mm/min
(d) v = 700 mm/min
图 2 不同焊接速度下焊缝表面成形
Fig. 2 Surface appearances under different welding speeds
(a) v = 400 mm/min
(b) v = 500 mm/min
硫化床
(c) v = 600 mm/min
(d) v = 700 mm/min
40 mm
40 mm
40 mm 热影响区
母材区热影响区
热力影响区
焊核区40 mm
母材区
图 3 不同焊接速度下焊缝宏观截面
Fig. 3 Cross-sections of joints at different welding speeds
(a) 母材区
(b) 热力影响区
(c) 热影响区
(d) 焊核区
200 μm
200 μm
200 μm
200 μm
图 4 典型微观形貌
Fig. 4 Typical micro-topography
110焊 接 学 报第 39 卷
区，其晶粒沿轧制方向分布，图4b 为热力影响区组织形貌，热力影响区由于受到搅拌头的剪切作用及焊接热作用，其晶粒组织发生了扭曲，但其热–力作用不足以使晶粒发生动态再结晶；由于金属流动为前进侧向后退侧填充，前进侧温度高于后退侧，前进侧金属发生了更剧烈的反应，因此热力影响区界限比后退侧热力影响区明显.图4c 为热影响区，此区域只受到焊接热作用，晶粒只发生了长大现象，其晶粒取向与母材一致.图4d 为焊核区，焊核区金
属在搅拌针机械搅拌作用及焊接热作用下发生了动态再结晶，得到了等轴的细晶粒.
从图5可以看出不同区域内第二相颗粒Mg 2Si 的分布情况. 热影响区受焊接热影响，第二相颗粒粗化，其分布表现为颗粒大、密度低；热力影响区温度更高，在温度和热力作用下第二相发生部分溶解，其尺寸有所降低；在焊核区其温度最高，但由于强烈机械搅拌作用，第二相颗粒发生了再析出，其分布表现为密集且细小的第二相颗粒.
2.4 力学性能2.4.1 显微硬度分布
图6为不同焊接速度下焊接接头的硬度分布，呈现典型W 分布，热影响区、热力影响区及焊核区形成了一个硬度低于母材区的软化区，此区域宽度约为28 mm ，超过双轴肩搅拌头轴肩宽度16 mm .焊核区晶粒发生了再结晶形成细小的等轴晶，其硬度高于热影响区及热力影响区，热影响区由于第二相的溶解其硬度较焊核区低. 从图6还可以看出整体硬度分布：焊接速度600 mm/min 时硬度最高，速度70
0 mm/min 时硬度高于500 mm/min . 而且可以看出前进侧热影响区宽度大于后退侧，从图1得知前进侧温度高于后退侧，因此其所受到温度的影响高于后退侧，故热影响区较宽.
2.4.2 拉伸性能
图7为不同焊接速度下接头的拉伸性能，当焊接速度从400 mm/min 增加至600 mm/min 时，热输入持续降低，其强度由169.97 MPa 上升到181.64 MPa .当焊接速度较低为400 mm/min 时，大的热输入使得金属中第二相溶解，第二相的减少使得位错运动增加，强化效果减小，金属软化；随着焊速增加，热输入减小，溶解的第二相在焊后冷却过程中沿晶界析出，位错运动阻力增大，强度增加；当焊接速度继续增加至700 mm/min 时，热输入不足导致金属组织，焊缝金属未能完全达到塑性状态，第二相部分溶解，其强度降低至177.22 MPa .
图8为接头拉伸试验后接头的断裂位置，在焊接速度为400~700 mm/min ，主轴转速为1 200 r/min
(a) 热影响区
100 μm (b) 热力影响区
100 μm
(c) 焊核区
100 μm
图 5 不同区域第二相颗粒分布
Fig. 5 Second-phase particle distribution in different regions
智能断句图 6 显微硬度分布
Fig. 6 Microhardness distribution
图 7 接头抗拉强度Fig. 7 Tensile strength of joints
第 10 期王春桂，等：6063-T6铝合金双轴肩搅拌摩擦焊接头组织及力学性能分析111
时，其断裂位置都为前进侧焊接热影响区，从2.3中可知此区域仅受到焊接热循环作用，晶粒组织发生了长大现象，第二相颗粒发生了粗化，位错运动阻力降低，其强度降低，因此此区域为接头的薄弱区，断裂从热影响区开始.
图9为接头断口典型形貌，断口中存在大量的椭圆及圆形的凹坑，此形状是由于微孔的聚集长大，最终形成了韧窝. 在韧窝底部分布第二相粒子，第二相粒子强化作用提高了接头的强度，因此判断接头断裂形式为典型韧性断裂.
3 结 论
(1)实现了6063铝合金双轴肩搅拌摩擦焊的焊接，得到了表面成形良好，内部无缺陷的接头.
(2)接头宏观形貌呈上下宽中间窄的哑铃状，接头区域可分为母材区、热影响区、热力影响区及焊核区，随着热输入的减小，热影响区及热力影响区尺寸都相应减小.
(3)焊核区内晶粒为细小等轴晶，热力影响区
晶粒发生了扭曲变形，热影响区晶粒发生了长大，母材区晶粒呈轧制方向分布.
(4)保持主轴转速为1 200 r/min ，当焊接速度从400 mm/min 提高到700 mm/min 时，接头强度先升高后降低，当焊接速度为600 mm/min 时达到最大(181.64 MPa)，接头断裂位置位于前进侧热影响区处.
(5)接头硬度分布呈W 状分布，母材区及焊核区硬度高于热影响区，硬度整体分布规律与抗拉强度分布规律一致.
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视讯系统>二次沉淀池
[8]作者简介：王春桂，男，1990年出生，硕士，助理工程师. 主要从事摩
擦焊方面的相关工作. 已发表文章2篇. Email ：wangchg@gwi .gd
通讯作者：董春林，男，研究员级高工. Email ：dongchl@gwi .gd
(a) v = 400 mm/min
(b) v = 500 mm/min
(c) v = 600 mm/min (d) v = 700 mm/min
焊核区
热力影响区热影响区
前进侧
40 μm
热力影响区焊核区
热影响区
前进侧
40 μm
热影响区焊核区热力影响区前进侧
40 μm
焊核区
热影响区
热力影响区前进侧
40 μm
图 8 不同焊接速度下接头断裂位置
Fig. 8 Joint fracture location at different welding speed
40 μm
图 9 接头断口形貌
Fig. 9 Fracture topography
112焊 接 学 报第 39 卷
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