梁明陽 彭小洋 韓世偉 馬瀟天 謝聿銘 黃永憲 孟祥晨

（1.重慶鐵馬工業(yè)集團(tuán)有限公司，重慶 400050；2.先進(jìn)焊接與連接國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱 150001；3.鄭州研究院，哈爾濱工業(yè)大學(xué)，鄭州 450046）

1 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域中對結(jié)構(gòu)輕量化的需求越來越高，螺柱焊接方法被廣泛使用[1]。該方法起源于二十世紀(jì)初期，具有焊接效率高、焊后變形小、焊接成本低、成品率高等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于汽車、輪船、軌道交通、橋梁建筑等領(lǐng)域[2，3]。在較為惡劣的工作環(huán)境下長期服役的螺柱焊接頭，對于連接強(qiáng)度與可靠性要求較高，因此實(shí)現(xiàn)螺柱高質(zhì)量連接面臨著較大挑戰(zhàn)。

現(xiàn)階段，螺柱安裝方式可分為三類：a.采用鋼質(zhì)螺柱上攻絲的方式以螺紋進(jìn)行連接，但由于鋁合金易蠕變特性，連接可靠性差；b.通過在鋁合金螺柱內(nèi)部過盈配合一鋼質(zhì)螺套，通過轉(zhuǎn)接方式進(jìn)行螺柱安裝；c.采用鎢極惰性氣體保護(hù)焊（Tungsten inert gas,TIG）的方式圍繞螺柱周圍焊接一圈。雖然TIG 能夠?qū)崿F(xiàn)焊接，但存在鋅元素?zé)龘p、氣孔/裂紋傾向性高、界面氧化膜難去除等問題，使得螺柱熔化焊接的發(fā)展受到限制。與熔化焊相比，摩擦螺柱焊是一種固相焊接方式，能夠?qū)崿F(xiàn)同種或異種材料的連接，是一種新型焊接工藝方法[4，5]，具有接頭組織晶粒小，熱影響區(qū)窄，不會(huì)產(chǎn)生氣孔、裂紋、未熔合、頸縮缺陷的優(yōu)勢[6，7]。Kimura等人[8]對5083 鋁合金進(jìn)行摩擦螺柱焊接，采用1.6s 摩擦?xí)r間，80MPa 摩擦壓力，焊后拉伸發(fā)現(xiàn)斷裂在接頭中心處而不是基體，說明該焊接過程仍存在潛在的界面弱連接問題。雖然針對工藝優(yōu)化、組織演變和性能調(diào)控已開展了大量的研究，但是，摩擦螺柱焊自身存在的表面成形差和內(nèi)部質(zhì)量低的問題仍未得到有效解決。

基于此，本文提出軸肩輔助式摩擦螺柱焊，達(dá)到控制成形和質(zhì)量的目的。以5A06鋁合金螺柱和7A52鋁合金基板為研究對象，開展了成形、組織與性能的研究，以期對未來鋁合金螺柱焊的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供幫助和指導(dǎo)。

2 試驗(yàn)材料及方法

2.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)所采用的材料為18mm直徑5A06鋁合金螺柱與15mm 厚7A52-T6鋁合金板材。試驗(yàn)用5A06鋁合金與7A52 鋁合金母材的化學(xué)成分如表1 和表2所示。

表1 5A06鋁合金化學(xué)成分表 wt.%

表2 7A52 鋁合金化學(xué)成分表 wt.%

2.2 試驗(yàn)方法

軸肩輔助式摩擦螺柱焊示意圖如圖1所示，輔助軸肩與螺柱裝配采用在螺柱表面加工銑平面并螺栓限位的方式。針對本研究采用的螺柱為空心螺柱這一問題，為了防止焊接過程中接頭材料向螺柱空心處流動(dòng)以及焊接過程中向界面提供足夠支撐力，采用在螺柱空心處放置合適背部墊塊的方法。在本研究中，控制摩擦?xí)r間為20s，摩擦螺柱焊旋轉(zhuǎn)速度為1000r/min、1500r/min 和2000r/min；摩擦壓力為80MPa、160MPa和240MPa。

圖1 摩擦螺柱焊焊接過程示意圖

在AG-X Plus 型萬能試驗(yàn)機(jī)上利用專用剪切夾具對螺柱接頭進(jìn)行剪切，剪切速度為1mm/min，取三個(gè)剪切試樣平均值進(jìn)行分析，專用夾具及剪切示意圖如圖2所示。

圖2 剪切測試試驗(yàn)示意圖

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖3 為不同摩擦壓力與摩擦轉(zhuǎn)速下螺柱焊接表面成形。在摩擦轉(zhuǎn)速為2000r/min 下，摩擦壓力為160MPa與 240MPa 時(shí)輔助軸肩壓入到基板中，尤其是在240MPa 壓力下飛邊較大，基板減薄嚴(yán)重，造成承載厚度突變而產(chǎn)生應(yīng)力集中問題。摩擦?xí)r間20s 下，其它參數(shù)均沒有輔助軸肩壓入基板的問題，而是呈現(xiàn)出不同形態(tài)的焊縫增厚。隨著摩擦壓力的提升，摩擦產(chǎn)熱量增大，焊縫增厚區(qū)域邊緣逐漸變得光滑。在1000r/min 下，摩擦壓力80MPa 時(shí)增厚區(qū)域邊緣不規(guī)則且增厚寬度較小，而摩擦壓力240MPa 時(shí)材料塑性流動(dòng)能力強(qiáng)，增厚邊緣規(guī)則，增厚區(qū)域?qū)挾葹檩o助軸肩寬度。摩擦轉(zhuǎn)速同樣影響產(chǎn)熱速率。在80MPa 壓力下，隨著摩擦轉(zhuǎn)速的上升，材料的塑性流動(dòng)能力增強(qiáng)，焊縫增厚區(qū)域邊緣由1000r/min 時(shí)的不規(guī)則轉(zhuǎn)變?yōu)?000r/min 下的光滑規(guī)則增厚。綜合接頭成形質(zhì)量并考慮實(shí)際生產(chǎn)減少處理的角度，認(rèn)為1000r/min 和240MPa 為優(yōu)化工藝窗口。

圖3 不同摩擦壓力與摩擦轉(zhuǎn)速下螺柱焊接頭表面成形

圖4 為18mm 直徑螺柱采用輔助軸肩及內(nèi)部墊塊時(shí)摩擦螺柱焊典型接頭宏觀形貌。在合適參數(shù)下摩擦螺柱焊能夠獲得成形良好且內(nèi)部無缺陷的接頭。采用內(nèi)部墊塊時(shí)，柱的中空特性保持良好，有效地阻止了焊接過程中熱塑性材料向螺柱中央流動(dòng)，同時(shí)給予中部足夠的內(nèi)部支撐力，在“保形”的同時(shí)有著“控性”的作用。摩擦螺柱焊接頭分為母材區(qū)（Base material,BM）、焊核區(qū)（Nugget zone,NZ）、熱機(jī)影響區(qū)（Thermo-mechanically affected zone,TMAZ）、熱影響區(qū)（Heat affected zone,HAZ）。在光學(xué)顯微鏡下可以看到螺柱一側(cè)TMAZ 的內(nèi)部有兩個(gè)組織相差較大的區(qū)域，稱為：TMAZ-Ⅰ、TMAZ-Ⅱ。TMAZ-Ⅰ靠近HAZ，由于在摩擦螺柱焊過程中受到拉應(yīng)力的作用從而呈現(xiàn)出拉長變形的流線形組織；TMAZ-Ⅱ靠近NZ，在摩擦螺柱焊接過程中晶粒被破碎后發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶從而形成了晶粒平均尺寸更小的流變組織。

圖4 典型接頭宏觀形貌

圖5 為摩擦螺柱焊接頭硬度分布圖。可見，5A06鋁合金側(cè)硬度值較低，而7A52 鋁合金側(cè)由于MgZn2、CuAl2等沉淀相作用使得硬度值較高，呈傾斜分布的“W”形。5A06 側(cè)與7A52 側(cè)硬度最大值均出現(xiàn)在鋁合金B(yǎng)M，在未進(jìn)入NZ 時(shí)，硬度已出現(xiàn)較大程度降低，這是因?yàn)槟Σ谅葜甘撬苄宰冃魏湍Σ磷园l(fā)熱耦合影響的過程。在NZ 外，組織主要受到熱輸入的影響，焊接過程中熱量輸入使得BM 中原有的沉淀相回溶，且晶粒組織亦發(fā)生明顯的粗化，導(dǎo)致局部區(qū)域材料的硬度顯著減小。NZ 在焊接過程中雖然由于熱量輸入使得原有沉淀相發(fā)生部分溶解，但再結(jié)晶使得NZ 形成了極其細(xì)小的等軸晶，顯微硬度值由于細(xì)晶強(qiáng)化作用顯著大于晶粒尺寸較大的TMAZ-Ⅱ。TMAZ-Ⅰ組織具有部分動(dòng)態(tài)再結(jié)晶和高密度的位錯(cuò)，其顯微硬度大于僅受到熱量影響的HAZ。5A06鋁合金側(cè)HAZ 由于僅受熱作用，組織發(fā)生粗化，為接頭性能最低區(qū)域。

圖5 顯微硬度分布

螺柱摩擦焊接接頭實(shí)際服役過程中主要受到剪切載荷作用，因此通過設(shè)計(jì)的專用剪切夾具對接頭進(jìn)行剪切測試，分析其不同焊接工藝參數(shù)下接頭剪切強(qiáng)度，探究參數(shù)對接頭剪切強(qiáng)度影響。圖6 為摩擦?xí)r間20s下不同摩擦壓力和摩擦轉(zhuǎn)速對接頭剪切強(qiáng)度影響。壓力與轉(zhuǎn)速對于剪切強(qiáng)度影響顯著，在較高的摩擦壓力與轉(zhuǎn)速下，接頭內(nèi)部界面結(jié)合質(zhì)量良好，剪切強(qiáng)度高；在較低的轉(zhuǎn)速和壓力配合下，由于熱輸入不足出現(xiàn)了孔洞缺陷導(dǎo)致強(qiáng)度降低。在本研究中，優(yōu)化參數(shù)下摩擦螺柱焊接頭剪切強(qiáng)度達(dá)245MPa，滿足使用要求。

圖6 摩擦?xí)r間20s 下不同摩擦壓力和摩擦轉(zhuǎn)速對接頭剪切強(qiáng)度影響

4 結(jié)束語

a.提出了軸肩約束式摩擦螺柱焊接方法，輔助軸肩抑制飛邊產(chǎn)生，控制了焊縫的表面成形，無需焊后的機(jī)械加工去除飛邊，焊接完成后即能滿足外觀條件與使用需求；

b.合適參數(shù)下摩擦螺柱焊能夠獲得成形良好的、內(nèi)部無缺陷的接頭。由于所受熱影響與機(jī)械作用不同，接頭可以分為母材區(qū)、焊核區(qū)、熱機(jī)影響區(qū)、熱影響區(qū)；在熱機(jī)耦合的作用下，中心區(qū)域界面材料混合充分，有利于提升界面結(jié)合性能；

c.在優(yōu)化的焊接工藝下，軸肩輔助式摩擦螺柱焊優(yōu)化參數(shù)下剪切強(qiáng)度達(dá)245MPa，滿足使用要求。