朱 海 孫 龍 彭春明 孫金睿 唐華坤 尹志遠(yuǎn)

(1.東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150040; 2.寶雞鋼管克拉瑪依有限公司,陜西 寶雞 834000)

6061鋁合金接頭成形質(zhì)量及性能與攪拌摩擦焊工藝參數(shù)關(guān)系的研究

朱 海1孫 龍1彭春明2孫金睿1唐華坤1尹志遠(yuǎn)2

(1.東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150040; 2.寶雞鋼管克拉瑪依有限公司,陜西 寶雞 834000)

針對(duì)3 mm厚6061鋁合金板，進(jìn)行攪拌摩擦焊工藝參數(shù)對(duì)接頭成形質(zhì)量與性能的方向研究。軸肩下壓量主要影響接頭成形，攪拌頭轉(zhuǎn)速和焊接速度主要影響接頭質(zhì)量，通過改變上述一次參數(shù)，觀察并分析接頭成形和抗拉強(qiáng)度的變化情況。結(jié)果表明，當(dāng)軸肩下壓量為0.2 mm時(shí)，焊縫表面成形好、缺陷少且抗拉強(qiáng)度高；攪拌頭轉(zhuǎn)速較高或焊接速度較低時(shí)，焊縫表面成形好、強(qiáng)度高且魚鱗狀紋路穩(wěn)定、明顯；當(dāng)攪拌頭轉(zhuǎn)數(shù)為950 r/min、焊接速度為37.5 mm/min時(shí)，焊接接頭成形好、抗拉強(qiáng)度最大，并且只有在攪拌頭轉(zhuǎn)速與焊接速度相匹配的條件下，才能獲得高抗拉強(qiáng)度的焊接接頭。

攪拌摩擦焊 6061鋁合金 接頭質(zhì)量 抗拉強(qiáng)度

0 序 言

攪拌摩擦焊自1991年發(fā)明以來，憑借成本低，無污染，接頭無氣孔、裂紋等缺陷，且焊后殘余應(yīng)力及變形小等諸多優(yōu)點(diǎn)[1]，如今得到長足發(fā)展和應(yīng)用。在焊接過程中，攪拌針周圍被焊材料的產(chǎn)熱、塑化及流動(dòng)行為是形成接頭的基礎(chǔ)[2]，如果焊接工藝參數(shù)選取不當(dāng)，焊接接頭會(huì)出現(xiàn)不同形式的缺陷，如飛邊、孔洞、溝槽等[3]。而攪拌摩擦焊對(duì)于不同材料、不同系列、不同規(guī)格的被焊件，有著不同且獨(dú)立的最佳工藝窗口，所以研究焊接工藝參數(shù)對(duì)3 mm厚6061鋁合金焊接接頭成形和抗拉強(qiáng)度的影響具有必要性和重要意義。

6061鋁合金具有良好的塑性和耐腐蝕性[4]，同時(shí)冷加工性和焊接性能優(yōu)異[5]，所以作為結(jié)構(gòu)材料被廣泛使用。而鋁合金由于熱導(dǎo)率高，熔焊時(shí)易形成氣孔和熱裂紋[6]，故焊后力學(xué)性能較差。特別是薄板鋁合金焊后變形大，但攪拌摩擦焊對(duì)薄板鋁合金來講，是一個(gè)很好地解決方案。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)所用材料為3 mm厚6061-T6鋁合金軋制板材，焊前用砂紙打磨鋁合金待焊表面，并將其用壓板及夾具固定在10 mm厚鋼質(zhì)墊板上。攪拌摩擦焊設(shè)備為安裝攪拌頭的X52K立式銑床。攪拌頭材料為熱作模具鋼H13，攪拌針為錐形結(jié)構(gòu)，直徑為3.4 mm，長2.7 mm，軸肩底面為平面，直徑為10.4 mm；攪拌頭傾斜角固定為2°。文中把能夠直接控制的工藝參數(shù)稱為一次參數(shù)，包括：攪拌頭形狀和尺寸、攪拌頭轉(zhuǎn)數(shù)、焊接速度、軸肩下壓量、攪拌頭傾角；把摩擦熱、溫度場、位移場等受一次參數(shù)影響，不宜直接控制和測量的參數(shù)，稱為二次參數(shù)。一次參數(shù)對(duì)焊接質(zhì)量的影響存在交互作用，單獨(dú)考慮一次參數(shù)的變化不能獲得良好的接頭質(zhì)量，還需分析試驗(yàn)參數(shù)的相互影響。該試驗(yàn)中主要變量為一次參數(shù)，包括：攪拌頭轉(zhuǎn)速、焊接速度和軸肩下壓量，其他條件不變。通過設(shè)置這三個(gè)參數(shù)，獲得不同的焊接接頭，觀察接頭成形情況并對(duì)其進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 一次焊接參數(shù)對(duì)焊縫的成形質(zhì)量的影響

焊接接頭的成形由多種因素決定。一般認(rèn)為焊縫表面魚鱗狀紋路清晰，無明顯缺陷的焊接接頭成形質(zhì)量良好。若攪拌頭形狀、軸肩下壓量、焊接速度、攪拌頭轉(zhuǎn)速等參數(shù)選取不當(dāng)，會(huì)產(chǎn)生飛邊、孔洞、溝槽、未焊透等缺陷，細(xì)微觀察后發(fā)現(xiàn)，工藝參數(shù)對(duì)焊縫表面魚鱗狀紋路的形成也有影響。下面主要分析不同主要工藝參數(shù)下焊接接頭的成形情況。

2.1.1 軸肩下壓量的影響

軸向下壓力是通過攪拌頭軸肩壓入量的大小加以控制。試驗(yàn)選擇三種軸肩下壓量，分別為0.1 mm,0.2 mm和0.4 mm。當(dāng)軸肩下壓量為0.1 mm時(shí)，焊接接頭成形較差，力學(xué)性能較低，出現(xiàn)溝槽和未焊合缺陷，如圖1a～1b所示。當(dāng)下壓量為0.1 mm時(shí)，焊接時(shí)軸向壓力過小，熱輸入嚴(yán)重不足且發(fā)生塑性形變的材料大量減少，進(jìn)一步造成了材料的流動(dòng)性降低，造成前進(jìn)側(cè)的塑性材料從后退側(cè)繞流以后不能回填到前進(jìn)側(cè)，在焊縫表面形成孔洞，在孔洞的范圍發(fā)生擴(kuò)展后，最終形成了貫通焊縫上表面的溝槽缺陷；同時(shí)，根部的金屬?zèng)]有發(fā)生充分?jǐn)嚢枧c塑性變形，導(dǎo)致未焊透。當(dāng)壓入量為0.2 mm時(shí)，焊縫無明顯缺陷且表面魚鱗狀紋路清晰，成形良好，如圖1c所示。當(dāng)壓入量為0.4 mm時(shí)，焊縫表面形成大量飛邊，如圖1d所示。焊接焊縫表面的飛邊主要受軸肩下壓量的影響，攪拌頭軸肩、攪拌針和未熔化的金屬形成一個(gè)“擠壓?！?，塑性變形的金屬材料在“擠壓模”中流動(dòng)，當(dāng)軸肩壓入量為0.4 mm時(shí)，焊接壓力過大，“擠壓模”的體積小于正常焊接時(shí)的體積，導(dǎo)致較多的塑性材料從軸肩兩側(cè)擠出，冷卻后沿焊縫一側(cè)或兩側(cè)形成飛邊，故力學(xué)性能較低。

圖1 軸肩下壓量對(duì)焊縫成形的影響

2.1.2 焊接速度的影響

當(dāng)金屬流動(dòng)不夠充分時(shí)，接頭會(huì)出現(xiàn)孔洞缺陷，孔洞缺陷主要受焊接速度的影響。文中試驗(yàn)在壓入量為0.2 mm、攪拌頭轉(zhuǎn)數(shù)為750 r/min、焊接速度為95 mm/min時(shí)，接頭成形雖好，但底部出現(xiàn)孔洞缺陷，如圖2所示。這是由于攪拌頭轉(zhuǎn)速較低、焊接速度較快時(shí)，攪拌針產(chǎn)熱及攪拌作用不足使焊接過程中熱輸入不足，金屬的流動(dòng)不充分，無法形成一個(gè)密閉的空腔，從而使接頭底部材料未完全閉合形成孔洞。

2.1.3 攪拌頭轉(zhuǎn)速、焊接速度的交互影響

其他條件不變的情況下，固定攪拌頭轉(zhuǎn)數(shù)或焊接速度其中之一，改變另一個(gè)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)不同工藝參數(shù)影響焊縫表面魚鱗狀紋路的形成。魚鱗狀紋路的出現(xiàn)表示焊接兩側(cè)材料流動(dòng)性好，接頭質(zhì)量高；同時(shí)，魚鱗狀紋路的間距越小，材料流動(dòng)更加均勻，可以得到更好的焊接接頭。文中通過多組試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在較高的攪拌頭轉(zhuǎn)速和適當(dāng)?shù)暮附铀俣认?，焊接接頭形成良好且穩(wěn)定的魚鱗狀紋路；相同轉(zhuǎn)速下，焊接速度減小會(huì)得到魚鱗狀紋路間距小的接頭。當(dāng)壓入量為0.2 mm、攪拌頭轉(zhuǎn)速為600 r/min、焊接速度為60 mm/min時(shí)，得到無明顯魚鱗狀紋路的直線型焊縫表面，如圖3a所示；當(dāng)壓入量為0.2 mm、攪拌頭轉(zhuǎn)速為1 180 r/min、焊接速度為60 mm/min時(shí)，表面可獲得穩(wěn)定的魚鱗狀紋路，如圖3b所示；當(dāng)壓入量為0.2 mm、攪拌頭轉(zhuǎn)速為1 180 r/min、焊接速度為37.5 mm/min時(shí)，表面可獲得間距更小的魚鱗狀紋路，如圖3c所示。這是由于在焊接速度一定時(shí)，攪拌頭轉(zhuǎn)速越高，熱輸入比較高，焊核區(qū)大且層狀結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，進(jìn)而塑性金屬流動(dòng)性較好，接頭成形好；當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，隨著焊接速度適當(dāng)減小，焊核區(qū)變形大，焊縫兩側(cè)材料流動(dòng)更加均勻，接頭質(zhì)量高。

圖2 焊接接頭孔洞缺陷

圖3 工藝參數(shù)對(duì)焊縫表面魚鱗狀紋路的影響

2.2 一次工藝參數(shù)對(duì)接頭力學(xué)性能的影響

2.2.1 焊接速度與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系

在其他條件不變的情況下，設(shè)置軸肩下壓量為0.2 mm、攪拌頭傾角為2°。固定攪拌頭轉(zhuǎn)速，改變不同焊接速度進(jìn)行焊接，得到的焊接焊縫表面成形較好，對(duì)其進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。焊接接頭抗拉強(qiáng)度與焊接速度的關(guān)系如圖4所示。

圖4 不同焊接速度時(shí)抗拉強(qiáng)度曲線圖

由圖4可知，4條曲線對(duì)應(yīng)攪拌頭轉(zhuǎn)速分別為600 r/min,750 r/min,950 r/min和1 180 r/min時(shí)焊接接頭的抗拉強(qiáng)度。分析圖4可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速為600 r/min時(shí)，無論焊接速度在23.5～60 mm/min內(nèi)如何變化，其抗拉強(qiáng)度都較低，并且隨著焊接速度的增加，接頭抗拉強(qiáng)度逐漸降低；當(dāng)轉(zhuǎn)速提高到750 r/min時(shí)，接頭抗拉強(qiáng)度得到一定提高，隨著焊接速度的增加，抗拉強(qiáng)度在37.5 mm/min時(shí)達(dá)到最大，然后又開始逐漸降低，但整體上強(qiáng)度仍處于較低水平；當(dāng)轉(zhuǎn)速提高到950 r/min時(shí)，出現(xiàn)抗拉強(qiáng)度明顯升高的區(qū)間，在焊接速度為37.5 mm/min時(shí)，抗拉強(qiáng)度達(dá)到峰值，為208 MPa，達(dá)到母材73.66%；當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到1 180 r/min時(shí)，具有與950 r/min相似的規(guī)律，不同的是在焊接速度為47.5 mm/min時(shí)，抗拉強(qiáng)度達(dá)到峰值，為203 MPa，達(dá)到母材72.09%。轉(zhuǎn)速較低的兩條曲線在焊接速度為23.5 mm/min時(shí)的抗拉強(qiáng)度均高于60 mm/min時(shí)的抗拉強(qiáng)度，這是因?yàn)榈娃D(zhuǎn)速時(shí)，焊接速度的增加會(huì)導(dǎo)致熱輸入降低，塑性化金屬流動(dòng)和回填能力降低，接頭抗拉強(qiáng)度減弱。

對(duì)比攪拌頭轉(zhuǎn)速為950 r/min和1 180 r/min這兩條曲線，可以看出：攪拌頭轉(zhuǎn)速為950 r/min時(shí)，焊接速度自23.5 mm/min到47.5 mm/min這段曲線與攪拌頭轉(zhuǎn)速為1 180 r/min時(shí)，焊接速度自37.5 mm/min到60 mm/min這段曲線趨勢非常相似，由此可大致認(rèn)為對(duì)于攪拌頭轉(zhuǎn)速為1 180 r/min的焊接參數(shù)來說，950 r/min的接頭抗拉強(qiáng)度較高的區(qū)域向較高的焊接速度方向有了一個(gè)平移，即攪拌頭轉(zhuǎn)速越高時(shí)，若要獲得抗拉強(qiáng)度較大的焊接接頭，焊接速度需要更大。只有在轉(zhuǎn)速與焊接速度相匹配的條件下，焊接過程中的熱輸入在一個(gè)適合的區(qū)間，才能得到高抗拉強(qiáng)度的接頭；焊接參數(shù)不匹配，會(huì)影響熱輸入和塑性化金屬的流動(dòng)與回填，使接頭抗拉強(qiáng)度有所下降。

由以上分析可知：用攪拌摩擦焊焊接3 mm厚6061鋁合金板時(shí)，當(dāng)攪拌頭轉(zhuǎn)速較高時(shí)，接頭抗拉強(qiáng)度較高，但是在轉(zhuǎn)速不變時(shí)，過低和過高的焊接速度都得不到高強(qiáng)度的焊接接頭。對(duì)應(yīng)每個(gè)轉(zhuǎn)速，都存在一個(gè)焊接速度的合適區(qū)間，在此區(qū)間中，能得到高強(qiáng)度的焊接接頭。

2.2.2 攪拌頭轉(zhuǎn)速與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系

在其他條件不變的情況下，設(shè)置軸肩下壓量為0.2 mm、攪拌頭傾角為2°。固定焊接速度，改變攪拌頭轉(zhuǎn)速進(jìn)行焊接，得到的焊接焊縫表面成形較好，對(duì)其進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。焊接接頭抗拉強(qiáng)度與攪拌頭轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖5所示。

圖5 不同攪拌頭轉(zhuǎn)速下抗拉強(qiáng)度曲線圖

圖5中，4條曲線分別對(duì)應(yīng)著焊接速度為23.5 mm/min,37.5 mm/min,47.5 mm/min和60 mm/min時(shí)焊接接頭的抗拉強(qiáng)度。當(dāng)焊接速度為23.5 mm/min時(shí)，無論攪拌頭轉(zhuǎn)速如何變化，接頭抗拉強(qiáng)度均處于較低水平，最大值出現(xiàn)在轉(zhuǎn)速為600 r/min時(shí)，為194 MPa，并且隨著轉(zhuǎn)速的提高，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度不斷降低；當(dāng)焊接速度為37.5 mm/min時(shí)，接頭強(qiáng)度得到較高，呈現(xiàn)升高后降低的趨勢，在950 r/min時(shí)達(dá)到峰值208 MPa，但是當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到1 180 r/min時(shí)，接頭抗拉強(qiáng)度明顯下降；而對(duì)于高焊接速度47.5 mm/min和60 mm/min這兩條曲線來說，低轉(zhuǎn)速時(shí)接頭抗拉強(qiáng)度都比較低，隨著轉(zhuǎn)速的升高，接頭的抗拉強(qiáng)度逐漸升高。焊接速度為47.5 mm/min時(shí)，曲線上各點(diǎn)的抗拉強(qiáng)度均大于焊接速度為60 mm/min時(shí)對(duì)應(yīng)各點(diǎn)的抗拉強(qiáng)度，而且在轉(zhuǎn)速大于950 r/min時(shí)，抗拉強(qiáng)度均有明顯的升高，兩條曲線的斜率也相似，均有保持高抗拉強(qiáng)度的趨勢。

從圖5可以得出，當(dāng)焊接速度不斷增大，必須提高攪拌頭轉(zhuǎn)速才能得到抗拉強(qiáng)度較高的接頭；當(dāng)焊接速度一定時(shí)，存在一個(gè)合適的攪拌頭轉(zhuǎn)速區(qū)間，在此區(qū)間內(nèi)接頭抗拉強(qiáng)度才能達(dá)到較高值，如果超過這個(gè)范圍，焊接工藝參數(shù)不匹配，則造成抗拉強(qiáng)度降低。

3 結(jié) 論

(1)對(duì)于3 mm厚6061鋁合金，軸肩壓入量為0.2 mm時(shí)，焊接接頭成形較好；各參數(shù)選取不當(dāng)，焊縫表面成形會(huì)出現(xiàn)不同的缺陷。

(2)若要得到高強(qiáng)度的接頭，當(dāng)轉(zhuǎn)速或焊接速度一定時(shí)，另一參數(shù)需要在相應(yīng)的范圍內(nèi)變化，二者匹配，才能得到高抗拉強(qiáng)度的焊接接頭。

(3)在該試驗(yàn)的參數(shù)范圍內(nèi)，當(dāng)攪拌頭轉(zhuǎn)數(shù)為950 r/min、焊接速度為37.5 mm/min時(shí)，接頭抗拉強(qiáng)度最高，為208 MPa，達(dá)到母材73.66%。

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2017-04-21

TG445

朱 海，1967年出生，博士，教授。主要研究方向?yàn)閿嚢枘Σ梁冈O(shè)備及其工藝。