铝合金薄板搅拌摩擦焊搭接界面缺陷与接头性能

0 序 言

搅拌摩擦焊作为一种新型固相焊接技术，相比于传统熔焊等方法，在低熔点材料特别是铝合金结构的高质高效连接方面具有独特优势，因而在航空航天、轨道列车、汽车工业等领域具有广阔的应用和前景. 针对搅拌摩擦焊对接接头组织演化、力学性能和材料流动行为，已开展了大量的研究工作[1]. 现代飞机制造中大量涉及薄板(小于3 mm)搭接，例如机身结构中蒙皮与长桁的连接. 作为重要的接头形式之一，搭接接头可以扩大搅拌摩擦焊的应用范围. 但针对搅拌摩擦焊搭接接头的研究还相对较少.

搭接接头存在特有的界面缺陷，即前进侧的勾状缺陷和后退侧的冷搭接缺陷(减薄). 界面缺陷的存在会减小有效板厚(EST)和有效搭接宽度(ELW)，从而影响接头强度[2]. 同时，缺陷处产生应力集中，应力状态变得更为复杂. 在外部载荷作用下易成为初始裂纹源，从而影响接头疲劳性能. 焊接参数对缺陷尺寸和接头力学性能具有重要影响. 较低转速和较高焊接速度可以降低界面缺陷高度，提高接头的拉伸–抗剪强度[3]. 但过低的转速或者过高的焊接速度又会造成塑性金属流动不足，接头易形成孔洞、弱连接等缺陷. 因此，需要进行合理的参数匹配和工艺优化. 此外，搅拌头几何特征和尺寸直接影响产热和塑性金属流动行为，进而也会对界面形态和接头性能产生影响[4]. 为了实现上下板材料的有效混合，需要保证厚度方向合适的塑性金属流动以及高的热流密度. 较大直径且带螺纹的搅拌针可以提高搅拌效果并扩大焊缝区宽度，从而提高接头力学性能[5].

焊接参数对搭接界面缺陷和接头性能的影响规律比较复杂，目前仍缺乏深入理解和系统性研究. 文中通过显微组织观察、拉伸剪切试验、显微硬度测试等对2A12铝合金薄板搅拌摩擦焊搭接接头进行了研究，揭示了不同焊接参数下界面缺陷与接头力学性能的关系.

1 试验方法

试验材料为250 mm×150 mm 2A12铝合金，热处理状态为固溶+自然时效(T4态)，表1和表2分别为其名义化学成分和力学性能. 上板厚度1.5 mm，下板厚度1.2 mm，搭接宽度均为30 mm，采用上板后退侧承载. 焊前用砂纸打磨搭接面，并用乙醇清洗，去除表面油污. 试验在FSW-LM2-3012搅拌摩擦焊设备上进行，转速为500～1 200 r/min，焊接速度为200～600 mm/min，焊接方向平行于母材轧制方向. 采用双圆环内凹轴肩，直径为10 mm. 搅拌针为锥形不带螺纹，根部直径3.8 mm，端部直径3.2 mm，针长1.9 mm. 主轴倾角和轴肩压入量分别为 2.5°和 0.1 mm.

表 1 2A12-T4 铝合金化学成分 (质量分数，%)

Table 1 Chemical compositions of 2A12-T4 aluminum

Cu Mg Mn Zn SiFe Ti Ni Al 3.8～4.9 1.2～1.8 0.3～0.9 0.30.50.50.150.1 余量

表 2 2A12-T4 铝合金力学性能

Table 2 Mechanical properties of 2A12-T4 aluminum

抗拉强度Rm/MPa 屈服强度ReL/MPa 断后伸长率A (%)446 322 16

焊后垂直于焊接方向截取拉伸试样和金相试样，拉伸–剪切试验在ZMICK100电子万能材料试验机上进行. 金相试样经抛光和Keller试剂腐蚀后，在OLYMPUS-BX41M金相显微镜下进行组织观察. 显微硬度在HXD-1000数字式显微硬度计上进行，沿上下板中心线水平间隔0.5 mm进行测量，载荷0.2 kg，保压时间15 s.

2 试验结果与分析

2.1 组织特征

与对接接头类似，搅拌摩擦焊搭接接头也可分为典型的4个区，即母材区(BM)、焊核区(NZ)、热力影响区(TMAZ)和热影响区(HAZ). 图1为转速950 r/min，焊接速度200 mm/min时的接头宏观形貌及显微组织. 从接头宏观形貌可以看出焊核区呈盆形，并且出现由中心向外间距逐渐减小的层状结构. 界面处白色部分为包铝层，在试验中作为示踪材料来观察界面变形和缺陷形态. 前进侧(AS)NZ/TMAZ界线较后退侧(RS)明显，这是由于AS和RS具有不对称的塑性金属流动行为. AS塑化金属在摩擦剪切力作用下经RS转移至搅拌头后方，因而NZ与TMAZ之间具有较大的塑性变形差[6]. 由母材区(BM)可以看出晶粒具有明显的轧制特征，并且在晶界处有沉淀强化相分布. 焊核区(NZ)是搅拌针直接搅拌的区域，在剧烈塑性变形和摩擦热的共同作用下发生动态再结晶，形成细小的等轴晶组织. 热力影响区的晶粒发生明显弯曲变形，由于变形速率较焊核区低，因而不会发生再结晶. 热影响区晶粒结构与母材相同，但在焊接热循环下，一些沉淀强化相组织发生粗化.

图 1 接头宏观形貌及显微组织

Fig. 1 Macro cross sections and microstructures of the joint

搅拌摩擦焊搭接接头存在特有的勾状缺陷和冷搭接缺陷，两者在形态上有较大区别. 缺陷高度和弯曲角度是表征缺陷形态的重要参量，缺陷高度是指从原始搭接界面到缺陷末端的垂直距离，弯曲角度则为界面水平线与缺陷形成的最大锐角.图2为转速950 r/min，焊接速度200 mm/min下接头界面缺陷，可以看出AS的勾状缺陷沿NZ/TMAZ界线向上弯曲，但并未进入NZ.RS的冷搭接缺陷先向上弯曲然后越过TMAZ向NZ延伸，尾部与原始搭接界面基本保持平行，弯曲的角度小于勾状缺陷.

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图 2 搭接接头界面缺陷

Fig. 2 Interface defects of the lap joint

搭接接头中，由于搅拌头轴线与接合面几乎垂直，界面氧化物破碎、弥散变得相对比较困难. 界面缺陷的形成与塑化金属流动行为有关，图3为界面缺陷形成过程. 搅拌摩擦焊过程中搅拌头后方的塑化金属在搅拌头的旋转摩擦和轴肩顶锻压力作用下，进行由RS向AS同时沿厚度方向向下的螺旋流动[7]. 沿厚度方向向下流动的塑化金属挤压搅拌针周围金属，在搅拌针端部形成挤压区，而在根部形成抽吸区. 搅拌针端部塑化金属受下方冷壁金属的阻碍，同时在“ 抽吸–挤压” 作用产生的压力差下向温度较高、阻力较小的上方流动[8]. 邻近NZ的原始搭接界面也随塑性金属的流动而向上迁移变形，从而在 AS形成勾状缺陷. 塑化金属由 RS向AS的周向流动，在焊缝横截面上表现为由RS向NZ的水平运动.RS搭接界面在这种水平运动影响下除向上变形外还向NZ延伸，从而形成冷搭接缺陷.

在保证各项安全交底工作的基础上，项目部还需要加强对安全技术管理，做好相关技术安全措施。并且在此过程当中，项目部需要严格执行安全生产管理制度进行开展相关作业。基于河道整治工程的特点，以及其存在的危险点而言，加强对风险较大的分项目工程进行管理，同时制定出专项的安全生产方案。并组织相关人员针对工程的实际情况，对其所制定的方案进行审核，对专项方案进行可行性研究。此外，项目部还需要做好安全管理过程控制，实现动态化管理的目标。

图 3 界面缺陷形成示意图

Fig. 3 Schematic of interface defects formation

2.2 焊接参数对缺陷形态的影响

焊接参数对缺陷形态有着重要影响，图4为不同焊接参数下缺陷高度的变化. 可以看出冷搭接缺陷高度小于勾状缺陷高度，最大缺陷高度约为190 μm.随焊接速度增大，缺陷高度减小(图4a). 这是因为随焊接速度增大，单位长度焊缝上的热输入(线能量)减小，塑化金属流动应力和粘度增大，厚度方向流动性降低，从而导致原始搭接界面在热–力作用下向上迁移距离降低. 当焊接速度超过500 mm/min后，缺陷高度基本不再随焊接速度变化. 然而，转速对缺陷高度的影响比较复杂. 从图4b可以看出，随转速增加，勾状缺陷高度增大，当转速超过700 r/min后，随转速增加，勾状缺陷高度减小；冷搭接缺陷高度随转速的变化呈现出“V”形特征，在转速为950 r/min时存在极小值.

(2)内外筒设计细化了污水在气浮罐体内的流动，形成不同的气浮区域，避免出水夹带油滴，降低气浮效果，同时空间利用率更高，结构更为紧凑。

图 4 不同焊接参数下缺陷高度

Fig. 4 Defects height at different welding parameters

结合图3进一步分析可以知道，塑化金属向下、向上流动，构成厚度方向环流. 由RS向AS的周向流动，在焊缝横截面上表现为由RS向NZ的水平运动. 在后退侧，环流为逆时针方向，上部环流方向与水平运动方向相同，TMAZ材料受到的向上驱动力较小[9]，而沿水平方向迁移得到加强. 表现为冷搭接缺陷向NZ延伸，且高度和弯曲角度较小.在前进侧，上部环流方向与水平运动方向相反，TMAZ材料受到的水平驱动力较小，因而搭接界面主要是沿厚度方向弯曲变形. 此外，搅拌摩擦焊具有强烈热力耦合特征，塑化金属流动应力与温度和应变速率有关，其流动性随转速的变化不是简单线性关系. 一定范围内，随转速增加，产热增加，温度升高，塑性金属流动增强，界面迁移距离增加. 转速达到一定值后，塑化金属被挤出形成较大飞边[4]，流动性反而减弱，表现为缺陷高度降低.

第1步，寻找与生产设备采购量相关的各个影响因素。影响生产设备采购量的因素有很多，采购量不仅与历史需求有关，而且与其他多种影响因素有关，同时各影响因素相互之间的关系比较复杂。如生产设备运转时间、生产设备综合性能、生产设备的采购的难易程度等因素，都对生产设备采购量有不同程度的影响。

原始搭接界面沿厚度方向变形引起有效板厚(EST)减小，水平方向向焊核区延伸则引起有效搭接宽度(ELW)减小.EST是指两侧缺陷末端到焊缝表面垂直距离中的最小值，ELW是指两侧缺陷末端间的水平距离.图5a为接头EST和ELW随焊接速度的变化，可以看出EST大于ELW. 这是因为试验中使用的搅拌针不带螺纹，由于缺少螺纹的驱动力，塑化金属在厚度方向上流动性较小，导致原始搭接界面向上迁移变形的距离小，而沿水平方向向焊核区延伸距离较大. 随焊接速度增加，接头EST增大并逐步趋于稳定.ELW随焊接速度增大而迅速减小，这是由较高焊接速度下冷搭接缺陷向焊核区迁移距离更长所造成的.图5b给出了不同转速下的接头EST和ELW，随转速提高，接头EST减小. 转速超过700 r/min后，由于勾状缺陷高度减小， EST逐渐增大. 随转速增加，热输入增加，搅拌混合越充分，因此ELW增加；而当转速大于950 r/min时，热输入过高出现过热现象，ELW反而减小.

图 5 不同焊接参数下 EST 和 ELW

Fig. 5 EST and ELW under various welding parameters

2.3 接头力学性能

2.3.1 显微硬度

搭接接头显微硬度分布呈典型“W”形，最低硬度出现在热力影响区，上板出现接头软化，下板则表现为接头强化. 图6给出了在转速1 200 r/min，焊接速度500 mm/min下的接头横截面显微硬度分布. 上板母材硬度约135 HV，焊核区上部硬度约118 HV，焊核区下部硬度约135 HV并且高于母材硬度(130 HV). 焊核区经动态再结晶后晶粒细化，同时在较高峰值温度下部分沉淀强化相重新固溶至铝合金基体. 细晶强化效果不能弥补沉淀强化相重溶引起的弱化效应，这应该是接头出现软化的主要原因. 搅拌摩擦焊过程中，轴肩与工件间的摩擦热是主要的产热来源[10]. 轴肩接触具有更高的摩擦产热，而下板与背部垫板接触，热量更容易耗散，从而形成沿厚度方向向下的负的温度梯度. 焊核区下部晶粒更为细小，细晶强化效果因而也更为明显，硬度分布上表现为接头强化，并且焊核区下部硬度高于上部硬度.

图 6 搭接接头显微硬度分布

Fig. 6 Microhardness distribution of the lap joint

2.3.2 拉伸–抗剪强度

有研究表明缺陷高度存在一个临界值(板厚的30%)，低于该值时缺陷高度对接头强度影响不大[3].文中最大缺陷高度约为0.19 mm，仅为上板厚度的12.7%，因此冷搭接缺陷引起接头ELW减小是影响接头强度主要因素. 图7为不同焊接参数下接头破坏拉力，随焊接速度增大，接头有效承载面积减小，破坏拉力减小. 焊接速度低于350 mm/min时，随转速提高，接头破坏拉力先增大后减小，这与图5中ELW随转速的变化趋势相同. 而当焊接速度超过350 mm/min时，随转速增加，接头破坏拉力反而降低. 需要指出的是，接头强度不仅与EST，ELW有关，还取决于接头组织，如晶粒尺寸、强化相数量以及位错密度等. 因此，不同焊接参数下接头破坏拉力变化与EST，ELW随焊接参数变化规律并不完全一致. 在950 r/min，200 mm/min优化工艺参数下接头ELW最大，破坏拉力最高，接头系数为84%(母材对应破坏拉力8.4 kN). 拉伸–剪切试验过程中由于拉力轴线存在偏差，所有试样在断裂前出现局部弯曲和转动. 接头断裂形式均为剪切断裂，裂纹起始于冷搭接缺陷处，沿搭接界面扩展并穿过焊核区.

图 7 不同焊接参数下破坏拉力

Fig. 7 Fail load at different welding parameters

图8 为抗剪强度和抗拉强度计算示意图，其中b为拉伸–剪切试样平行部分的宽度，截面1为抗拉截面，截面2为抗剪截面. 文中，最小EST为1.1 mm，最大ELW为0.85 mm.ELW均小于EST，因而抗剪截面面积小，为接头的薄弱区域. 在外部载荷作用下，接头能承受的剪切应力小于正应力，裂纹更容易沿搭接面扩展，因而出现剪切断裂.

图 8 拉伸-剪切试验过程中强度计算

Fig. 8 Strength calculation during the tensile-shear testing

4 结 论

(1) 原始搭接界面厚度方向迁移引起EST减小，向焊核区延伸则引起ELW减小. 相比与冷搭接缺陷，勾状缺陷具有更大的高度和弯曲角度. 随焊接速度增大，缺陷高度减小. 最大缺陷高度为上板厚度的12.7%，对接头强度影响较小，后退侧冷搭接缺陷是影响接头性能的主要因素.

(2) 随焊接速度和转速增加，接头EST增大并且趋于稳定.ELW随焊接速度增大而迅速减小，导致破坏拉力减小，随转速增大ELW先增大后减小.在950 r/min，200 mm/min优化工艺参数下接头强度最高，接头强度为母材的84%.

她的声调冷酷无情。“我在杰弗生无税可纳。沙多里斯上校早就向我交代过了。或许你们有谁可以去查一查镇政府档案，就可以把事情弄清楚。”

(3) 接头硬度分布呈“W”形，TMAZ硬度最低，上板出现接头软化，焊核区下部硬度高于上部硬度. 接头断裂方式均为剪切断裂. 裂纹起始于冷搭接缺陷，沿搭接界面扩展并穿过焊核区.

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