薄板铝合金回填式搅拌摩擦点焊接头的组织及性能

刘效云 ，王宝华 ，张俊粉 ，张春雷 ，贾云海 ，王 军 ，张 亮

（1.河钢股份有限公司 承德分公司，河北 承德 067102；2.河北科技大学 材料科学与工程学院，河北 石家庄 050001）

0 前言

铝合金材料具有高的比强度、比刚度、断裂韧度、耐腐蚀稳定性以及良好的抗冲击性能和加工成型性，采用铝合金焊接成搭接接头的焊前准备工作要比对接接头简单，因此被广泛地应用于航空航天、汽车制造等领域[1]。目前，传统的铝合金焊接方法主要是铆接、钎焊和电阻焊[2]，存在浪费材料、增加连接构件质量、加重接触腐蚀、焊件变形大等问题[3-5]。

回填式搅拌摩擦点焊是在搅拌摩擦焊的基础上发展起来的一种新型固相连接技术[6]。焊接过程中高速旋转的搅拌工具压入工件，在摩擦热、材料塑性变形和搅拌工具轴向压力的作用下形成点焊接头，通过工件之间的相对运动来实现材料的回填。这项工艺最大的特点在于焊接过程中热输入少，接头热变形很小，而且能量消耗少。因此可以避免各种熔焊缺陷，此外还具有无飞溅、环保等优点，焊接过程中不会产生匙孔，焊点外观平整，焊点强度高[7-9]。

1 试验材料和方法

选用0.6mm厚的LY12-T4铝合金，化学成分如表1所示。采用的搅拌头用高温合金制成，运用KUKA机器人对其焊接，控制轴肩压入工件深度为0.1 mm、搅拌针直径5.2 mm。扎入深度0.8 mm，焊接转速分别为 1 500 r/min、2 000 r/min、2 500 r/min，焊接时间分别为3 s、3.5 s、4 s。焊接完成后，沿焊点中心截取制备金相试样，用10%NaOH溶液腐蚀，用LEICA图像分析仪观察焊点的横截面形貌，用Keller试剂腐蚀试件，用蔡司金相显微镜观察显微组织，用TMVS-1型显微硬度计测量焊点横截面的显微硬度分布。按JIS Z 3136标准加工点焊的剪切试样如图1所示[10]，在液压式万能材料实验机上进行剪切拉伸试验，并在扫描电镜下观察点焊的断口组织。

图1 剪切拉伸试样Fig.1 Shear tensile specimen

2 试验结果及分析

2.1 焊接工艺参数对焊接成形的影响

焊点表面形貌如图2所示，焊点表面无明显的变形，在焊点边缘产生较小的毛刺。这是因为焊接过程中热输入量过大，使焊接时回填金属增多从而导致焊后的搅拌针底端有部分材料粘连，在离开焊点表面时粘在焊点上，使焊点表面的粗糙度相对增加，可以通过后期打磨消除表面的粘连。焊点表面整体光滑完整，没有凹陷、飞边等缺陷。切开焊点中心，观察焊缝接头宏观，搅拌中心充分搅拌，两个板充分结合，但是存在着粘连韧这种缺陷，主要原因是在回填的过程中，材料的流动性较低使包铝层无法充分混合，导致上下板之间存在分界的现象。焊接接头缺陷如图3所示，通过体式显微镜和金相显微镜的观察发现由于金属中未能充分回填导致出现钩状缺陷和孔洞。钩状缺陷是一种常见的点焊缺陷，它是由于材料流动性较弱以及结合区没有足够压力而造成的。通过改变焊接参数能够减小缺陷产生的可能性。在焊接时间为3 s、焊接转速为2 000 r/min时产生了孔洞缺陷，孔洞的产生主要是因为材料的流动性较低，可以通过调节焊接参数之间的匹配来增强材料的流动性从而消除试件焊接过程中的孔洞缺陷[11]。

图2 焊点的表面形貌和宏观Fig.2 Shaping and macroscopic of welding spot

图3 焊接接头缺陷Fig.3 Defects in welding joint

2.2 金相组织

焊缝截面宏观及微观组织如图4所示，将焊点分为4个区域，即受搅拌针和轴肩的共同作用的搅拌区A、经历焊接产热和塑性变形的热机影响区B、母材与搅拌区的过渡区域热影响区C、母材区D。搅拌区的铝合金因受到搅拌针和轴肩共同作用，搅拌针和轴肩产生相对运动，使得塑性变形引起的加工硬化和动态回复再结晶同时进行，形成细小的等轴晶粒组织。随着主轴转速的增加，焊点的热输入量增大，搅拌区晶粒尺寸随之增大。热机影响区紧邻搅拌区，同时受焊接产热和力的作用，产生明显的塑性变形，在焊点厚度方向上呈带状分布，宽度较窄，由于动态再结晶，形成了细小的晶粒组织，但仍然没有搅拌区的晶粒细小。热影响区没有受到搅拌头的作用，只受到了磨擦热的作用，使其晶粒长大。母材没有受到热力的作用，所以其金相组织没有变化，沿轧制方向延伸。

图4 焊缝接头的组织形态Fig.4 Microstructure of welding joint

2.3 工艺参数对力学性能的影响

剪切拉伸试验结果如图5、图6所示。当其他参数固定、焊接转速发生变化时，随着转速的增加其剪切力值也增加。但当转速过大时，热输入量增加过大，导致金属材料发生动态再结晶，且金属发生时效引起软化，从而导致焊接接头的抗剪力降低；但是旋转速度也不能过小，否则热输入量不足以使焊缝金属达到热塑性状态，母材无法形成充分的塑性流动，接头的抗剪力也会降低。当其他参数固定、改变焊接时间时，增加焊接时间使金属流动更加充分，金属回填的性能增加，焊缝结合更为充分，其剪切力增大；但若焊接时间过长，由于摩擦产生的热量更大，促进了金属材料的动态再结晶发生时效从而引起了接头的软化，剪切力减小。

接头硬度测试结果如图7所示，焊接接头的显微硬度呈“W”型分布。LY12铝合金为热处理强化铝合金，由于搅拌区受到搅拌针强烈机械搅拌作用，材料的应变速率增高，CuAl2（θ相）、Al2CuMg（S相）等强化相生成，从而使其硬度值增大，甚至高于母材的硬度值；热影响区受到热循环的作用，使得晶粒粗化，发生过时效，硬度值最低；热机影响区受到轴肩和搅拌针的共同作用，随着距焊缝中心距离的逐渐减小，变形程度和热输入量逐渐增大，从而硬度值不断增大。

图5 不同转速下的剪切力Fig.5 Shear stress at different speeds

2.4 拉伸断口分析

图6 不同焊接时间下的剪切力Fig.6 Shear stress under different welding time

剪切拉伸后的断裂形貌及扫描到的韧窝组织如图8所示。焊点整体从上板脱离，焊核完整未发生破坏，为典型的塞型断裂；断口位于焊核与母材的交界处，断裂处硬度值变化较大易产生应力集中，断口较为光滑、产生较小程度的变形，断裂方式为塑性断裂。分别在断裂处取3个点观察其韧窝组织，断口外侧的韧窝组织如图8b所示，清楚地看到断口处存在条纹状的图案，可知裂纹的扩展方向垂直于载荷方向，其裂纹沿着板厚方向扩展；如图8c和图8d所示，韧窝组织由无到有、韧窝尺寸由小到大，其塑性逐渐增大，其结合性能越来越好，韧窝组织在断裂中心处大小分布均匀，可知裂纹的起始点位于板材的边界，沿着板厚方向扩展。

图7 不同参数下的硬度值Fig.7 Hardness distribution under different parameters

图8 剪切拉伸断口及韧窝组织Fig.8 Shear fracture and dimple structure

3 结论

（1）针对0.6 mm厚的LY12铝合金进行回填式搅拌摩擦点焊，焊点无明显的变形，焊点表面整体光滑完整，焊点没有凹陷、飞边等缺陷，孔洞、未熔合可以通过改变焊接参数、增加材料的流动性来消除。

（2）搅拌区在加工硬化和动态回复再结晶作用下形成细小的等轴晶粒组织。热机影响区同时受焊接产热和力的作用，产生明显的塑性变形，在焊点厚度方向上呈带状分布，宽度较窄，由于动态再结晶，形成了细小的晶粒组织。热影响区受到摩擦热的作用，其晶粒长大。

（3）焊点硬度呈现“W”型分布，剪切力随着转速增大先增大后减小，最大的剪切力为2.64 kN，断裂方式为塑性断裂，裂纹起始于边界，沿板厚方向扩展。最佳焊接参数为：转速2 000 r/min、下压量0.2 mm、焊接时间3.5 s、下扎深度0.8 mm。