分享：旋转速度对6061-T6铝合金高速搅拌摩擦焊接头 组织与性能的影响

摘 要:在高焊接速度(3000mm·min-1)下分别对3mm 和4mm 厚6061-T6铝合 金板进行搅拌摩擦焊,研究了高旋转速度(4000~6000r·min-1)对接头组织与拉伸性 能的影响。结果表明:旋转速度越小越容易产生孔洞缺陷,旋转速度越大越容易出现 过热氧化现象,增大旋转速度有利于接头区域再结晶形成致密组织,4mm 厚铝合金板 焊接接头的焊接缺陷较3mm 厚铝合金板焊接接头严重;3mm 厚铝合金板在5000r· min-1旋转速度下的焊接接头质量最好,拉伸性能最佳,抗拉强度和断后伸长率分别为 265.82MPa,4.58%;4mm 厚铝合金板在6000r·min-1旋转速度下的焊接接头质量最 好,拉伸性能最佳,抗拉强度和断后伸长率分别为212.14 MPa,4.03%。

关键词:搅拌摩擦焊;铝合金;旋转速度;拉伸性能 

中图分类号:TG453.9 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2022)05-0053-05

0 引 言

6061- 有密度低、T强6度铝高合和金耐属腐于蚀6性系好变等形优铝点合,常金用,具于 航空航 天、汽 车、轨 道 交 通 和 海 洋 工 程 等 领 域[1]。 搅 拌 摩 擦 焊 (Friction Stir Welding, FSW)是由英国焊接研究所在 一种新型固态焊接技术,具有变19形91小年、裂发纹明少的、 力学性能高等优势,常用于铝合金的对接焊[2]。 然而,研究发现,不合理的工艺参数会导致焊接 热输入过大或过小,使得铝合金 FSW 焊接接 头存在不同程度的隧道缺陷、孔洞缺陷和氧化 现象,最终导致焊接接头性能降低[3]。焊接速 度和旋转速度是 FSW 技术的两个重要焊接参 数,两个参数选择不同会对搅拌头的摩擦生热、 热输入和材料流动产生影响[3-7]。魏宝华等[8] 比较了不同 FSW 焊接速 度 和 旋 转 速 度 对 11 mm 厚2A70-T6铝合金板焊接接头组织及性 能的影响,发现随着焊接速度的增大,焊核区的 晶 粒 尺 寸 逐 渐 减 小,当 旋 转 速 度 为 300r· min-1、焊接速度为200mm·min-1时可获得优 质的焊接接头。赵亚东等[9]研究了 4 mm 厚 6061-T6铝合金板 FSW 焊接接头的显微组织 和力学性能,发现焊核区形成了细小的等轴晶, 热影响 区 晶 粒 发 生 粗 化,当 焊 接 速 度 为 160 mm·min-1 时接头抗拉强度最 高。韦 旭 等[10] 分析了5mm 厚5052铝合金板在不同FSW 工 艺参数下焊接后焊接区域的显微组织和性能, 发现焊接区域显微组织左右不对称,前进侧的 热机影响区与热影响区的分界线较为明显。梁 汉优等[11]对6mm 厚6063铝合金进行了FSW 对接试验,发现前进侧的热机影响区与焊核区 的分界线较为明显,当旋转速度为880r·min-1 和焊接速度为80mm·min-1时,接头的抗拉强 度最高。目前,有关 FSW 工艺参数对铝合金 板焊接接头组织和性能的研究主要集中在低速 和较厚板的情况。铝合金在焊接速度不高于3 000mm·min-1 下可以获得无缺陷 FSW 焊接接头[12-15]。目前,对高速搅拌条件下铝合金薄 板 FSW 焊接接头组织与性能的研究较少;而 高速焊接可以提高 FSW 设备的生产效率,降 低生产成本。为此,作者选用3 mm 和4 mm 厚6061-T6 铝 合 金 薄 板 进 行 了 FSW 对 接 试 验,研究了在高焊接速度(3000 mm·min-1) 下,不同 高 旋 转 速 度 (4000,5000,6000r· min-1)对 FSW 接头的显微组织、焊接缺陷和 力学性能的影响,为优化铝合金 FSW 工艺参 数及高速 FSW 的应用提供参考。

1 试样制备与试验方法 

试验材料选用6061-T6铝合金轧制板材, 尺寸分别为400mm×150mm×3mm 和400 mm×150mm×4mm,其化学成分见表1。采 用航天工程设备(苏州)有限公司研发的搅拌摩 擦焊设备对不同厚度规格的铝合金板分别进行 焊接试验,选用带螺纹的搅拌头,其搅拌针长度 为3.55 mm,轴肩直径为12 mm,焊接倾角为 2.5°。焊接方法为单道对接焊,焊接方向沿板 材的轧制方向,焊接速度为3000mm·min-1, 下压量 为 0.2 mm,旋 转 速 度 分 别 为 4000,5 000,6000r·min-1。焊接前使用丙酮擦拭试 样,并将其固定在专用夹具上。

根据 GB/T2651—2008,采用电火花线切 割方法垂直于焊缝截取横向拉伸试样,标距为 50mm。根据 GB/T228.1—2010,采用 DNS- 300KN 型万能试验机进行拉伸试验,拉伸速度 为5mm·min-1,从每种焊接接头上取3个试 样进行 测 试,结 果 取 平 均 值。在 焊 缝 末 端 前 60mm 处沿焊缝截取截面尺寸为30mm×30 mm 的 金 相 试 样,经 砂 纸 打 磨、机 械 抛 光,用 200g·L-1氢氧化钠溶液腐蚀后,采用 BX53M型光学显微镜观察焊接接头的显微组织。

2.1 焊接缺陷

由图1和图2可以看出:不同旋转速度下, 3mm 厚和4mm 厚铝合金板焊接接头的宏观 形貌 差 别 不 大,均 可 分 为 4 个 区 域,即 母 材 (BM )、热 影 响 区 (HAZ)、热 机 影 响 区 (TMAZ)、焊核区(NZ);焊缝(焊核区和热机影 响区)呈上大下小的“盆状”形貌,其左边为后退 侧(RS),右边为前进侧(AS)。 

由图1可以看出:不同旋转速度下,接头组 织左右不对称,焊接区域的分界线较为明显,前 进侧均出现了“S”形曲线;当旋转速度为4000 r·min-1时,前进侧的热影响区和热机影响区面 积较小,未能使搅拌区域足够受热,前进侧呈现 出受热不均匀现象,导致在前进侧存在较多微 小的孔 洞 缺 陷;当 旋 转 速 度 提 升 至 5000r· min-1时,搅拌区域受热明显充分,前进侧的热 影响区和热机影响区面积明显增大,孔洞缺陷 减少,搅 拌 区 域 致 密 性 较 好;当 旋 转 速 度 为 6000r·min-1时,前进侧热影响区的面积小于 后退侧,前进侧仍存在受热不均匀现象,且由于 局部过热效应出现了氧化现象。在高焊接速度 (3000mm·min-1)条件下,旋转速度主要影响 焊接过程中接头区域的搅拌作用和摩擦生热情 况,旋转速度越大越有利于摩擦生热,旋转速度 的高低决定着焊接热输入的大小[7]。过高的旋 转速度会导致产生过多的摩擦热,使材料塑化 较为严重,容易产生过热现象。在焊接速度为 3000mm·min-1、旋转速度为5000r·min-1 的条件下,3 mm 厚铝合金板可以获得较致密 的焊缝,铝合金板材之间能形成稳固的焊接。 

由图2可以看出:在不同旋转速度条件下, 4mm 厚铝合金板焊接接头均出现不同程度的 孔洞缺陷或氧化现象,前进侧均出现了“S”形 曲线;当旋转速度为4000r·min-1 时,前进侧 存在多个大小不同的孔洞缺陷;当旋转速度为 5000r·min-1 时,前 进 侧 存 在 严 重 的 孔 洞 缺 陷,且由于局部过热效应出现部分氧化现象;当旋转速度提高至6000r·min-1时,较高的材料 塑化程度使材料流动得更加充分,孔洞缺陷消 失,而前进侧的氧化面积则进一步增大,但焊核 区中形成了较为致密的组织结构。4mm 厚铝 合金板在焊接速度为3000 mm·min-1、旋转 速度为6000r·min-1 的条件下焊接后没有出 现较为严重的孔洞缺陷,接头宏观组织表现较 好。

综上可 知:在 高 焊 接 速 度 下 (3000 mm· min-1),旋转速度较小时,铝合金板焊接接头因 受热不均匀和材料流动不充分而更易产生孔洞 缺陷,随着旋转速度增大,材料塑化程度增加, 使得孔洞缺陷减少,而过高的旋转速度会产生 过多的摩擦热,使得接头前进侧出现氧化现象; 铝合金板厚度越大越不容易实现高速焊接,4 mm 厚铝合金板焊接接头的焊接缺陷明显较3 mm 厚铝合金板焊接接头严重。

对3mm 厚铝合金板焊接接头的显微组织 进行进一步观察,如图3所示。由图3可以看 出:不同旋转速度下,焊接区域的晶粒均发生动 态再结晶并形成了细小的等轴晶;当旋转速度 为4000r·min-1 时,有明显的孔洞缺陷,这是 由焊接热输入较小使得焊接区域受热不均匀导 致的;当旋转速度提升至5000r·min-1 时,搅 拌区域的晶粒大小分布更加均匀,同时孔洞缺 陷减少,尺寸减小,组织致密性较好;当旋转速 度为6000r·min-1时,由于过热现象而在热影 响区和热机影响区之间形成了氧化组织,且热影响区由于仅受热循环作用,晶粒较大,焊接区 域的组织未完全达到致密。提高旋转速度可以 增加搅拌区域的受热面积,有利于接头区域发 生再结晶并形成致密组织,但是旋转速度过高 会使搅拌区域形成氧化组织,同时使搅拌区域 受热不均匀。 

2.2 拉伸性能

由图4 可 知:在 焊 接 速 度 为 3000 mm· min-1,旋转速度为4000,5000,6000r·min-1 条件下,3mm 厚铝合金板焊接接头的抗拉强 度分别为247.66,265.82,218.66 MPa,断后伸 长率分别为4.32%,4.58%,3.91%;4mm 厚铝 合金板焊 接 接 头 的 抗 拉 强 度 分 别 为 195.97, 176.49,212.14MPa,断 后 伸 长 率 分 别 为 3. 64%,4.58%,4.03%。在高焊接速度条件下,3 mm 厚铝合金板焊接接头的拉伸性能要优于4 mm 厚铝合金板焊接接头,这说明铝合金板厚 度越大,越难实现满足焊接质量要求的高速焊 接。当焊接速度一定时,随着旋转速度的增加, 3mm 厚铝合金板焊接接头抗拉强度和断后伸 长率均呈先提高后降低的趋势。当旋转速度为 4 000 r · min-1时,孔洞缺陷的存在降低了焊接接头的拉伸 性能。当旋转速度为5000r·min-1时,接头组 织更加致密,孔洞缺陷减少,接头拉伸性能提 高。而当 旋 转 速 度 进 一 步 增 加 至 6000r· min-1时,接头前进侧受热不均匀导致氧化,拉 伸性能下降。当焊接速度一定时,随着旋转速度的增加,4 mm 厚铝合金板焊接接头抗拉强 度和断后伸长率均呈先降低后提高的趋势。当 旋转速度为4000r·min-1时,接头存在较多孔 洞 缺 陷,拉 伸 性 能 较 差。 当 旋 转 速 度 为 5000r·min-1时,接头未能形成致密组织,在 焊接区域同时存在严重的孔洞缺陷和氧化现 象,使得焊接接头拉伸性能进一步下降。当旋 转速度进一步提高至6000r·min-1时,接头中 没有严重的孔洞缺陷,拉伸性能得到提高。 

3 结 论

(1)在3000mm·min-1高焊接速度下,不 同高旋转速度(4000~6000r·min-1)下3mm 厚和4mm 厚铝合金板搅拌摩擦焊接头均存在 “S”形曲线以及孔洞缺陷或氧化现象,4mm 厚 铝合金板焊接接头的焊接缺陷明显较3mm 厚 铝合金板焊接接头严重;旋转速度越小越容易 因受热不均匀和材料流动不充分而产生孔洞缺 陷,旋转速度越大越容易出现过热氧化现象,增 大旋转速度有利于接头区域再结晶形成致密组 织。

(2)在3000mm·min-1高焊接速度下,3 mm 厚铝合金板拉伸性能随旋转速度增大而先 提高后降低,当旋转速度为5000r·min-1时焊 接接头质量最好,拉伸性能最佳,抗拉强度和断 后伸长率分别为265.82MPa,4.58%;4mm 厚 铝合金板拉伸性能随旋转速度增大而先降低后 升高,当旋转速度为6000r·min-1时焊接接头 质量最好,拉伸性能最佳,抗拉强度和断后伸长 率分别为212.14MPa,4.03%。

参考文献:

[1] 邱宇,孟强,董继红,等.6061-T6铝合金搅拌摩擦焊工艺 及性能研究[J].塑性工程学报,2021,28(2):86-91. QIU Y,MENG Q,DONG J H,et al.Study on technologyand propertiesoffrictionstir weldingfor 6061-T6 aluminum alloy [J].Journal of Plasticity Engineering,2021,28(2):86-91. [2] 武凯,贾 贺 鹏,孙 宇,等.搅 拌 摩 擦 焊 技 术 的 研 究 进 展 [J].机械制造与自动化,2020,49(6):1-9. WU K,JIA H P,SUN Y,etal.Researchprogressoffrictionstirweldingtechnology[J].MachineBuilding & Automation,2020,49(6):1-9. [3] 彭俊,王巍.旋转速度对汽车用5052铝合金板材高速搅 拌摩擦焊接接头组织及性能的影响[J].轻合金加工技 术,2017,45(3):51-55. PENG J,WANG W.Effects of rotation rate on microstructureandpropertiesofhigh-speedfrictionstir welded joints of 5052 aluminum alloy plates for automobile[J].Light Alloy Fabrication Technology, 2017,45(3):51-55. [4] 郑小茂,张大童,张文,等.焊接参数对7A04铝合金搅拌 摩擦焊 接 头 组 织 与 力 学 性 能 的 影 响 [J].焊 接 学 报, 2016,37(1):76-80. ZHENGX M,ZHANGDT,ZHANG W,etal.Effectof processingparametersonmicrostructureandmechanical propertiesoffrictionstirwelded7A04aluminum alloy joints[J].TransactionsoftheChinaWeldingInstitution, 2016,37(1):76-80. [5] 李娜,南黄河,何冰,等.旋转速度对2024-T3铝合金板 搅拌摩擦焊接头成形及拉伸性能的影响[J].轻合金加 工技术,2017,45(10):49-52. LIN,NAN H H,HEB,etal.Effectofrotationspeedon theformationandtensilepropertiesofFSW jointsof 2024-T3 aluminum alloy plates [J].Light Alloy FabricationTechnology,2017,45(10):49-52. [6] 潘锐,王善林,李建萍,等.工艺参数对搅拌摩擦焊变形 铝合金接头性能的影响[J].焊接学报,2016,37(11):89- 92. PANR,WANGSL,LIJP,etal.Effectofprocessing parameterson mechanicalpropertiesofaluminumalloy jointsweldedbyfrictionstirwelding[J].Transactionsof theChinaWeldingInstitution,2016,37(11):89-92. [7] 张克梁,张文,张大童,等.焊接 速 度 对 6082-T6 铝 合 金 搅拌摩擦焊接头组织和力学性能的影响[J].热加工工 艺,2017,46(1):65-68. ZHANGKL,ZHANG W,ZHANGDT,etal.Influence of welding speed on microstructure and mechanical propertiesof6082-T6aluminum alloyFSWjoints[J]. HotWorkingTechnology,2017,46(1):65-68. [8] 魏宝华,李宝华,唐众民,等.焊接速度对搅拌摩擦焊缝 组织及性能的影响[J].兵器材料科学与工程,2013,36 (4):68-71. WEIBH,LIB H,TANGZ M,etal.Effectofwelding speedon microstructureand mechanicalpropertiesof weldbyfriction stir welding[J].Ordnance Material ScienceandEngineering,2013,36(4):68-71. [9] 赵亚东,张运真,何强.6061-T6铝合金搅拌摩擦焊接头 的组织和性能[J].机械工程材料,2014,38(8):93-96. ZHAO Y D,ZHANG YZ,HE Q.Microstructuresand properties of friction stir welded joint of 6061-T6 aluminum alloy [J ]. Materials for Mechanical Engineering,2014,38(8):93-96. [10] 韦旭,汪建利,汪洪峰.5052铝合金搅拌摩擦焊接的组 织和力学性能[J].兵器材料科学与工程,2020,43(4): 77-80. WEIX,WANGJL,WANG H F.Microstructureandmechanicalpropertiesof5052aluminum alloy welded jointby FSW [J].Ordnance Material Science and Engineering,2020,43(4):77-80. [11] 梁汉优,刘刚,耿家源.6063铝合金搅拌摩擦接头力学 性能及组织分析[J].热 加 工 工 艺,2017,46(13):214- 216. LIANG H Y,LIU G,GENGJY.Studyonmechanical propertiesand microstructureof6063aluminumalloy friction stir welding joint [J]. Hot Working Technology,2017,46(13):214-216. [12] BERNARDD,HATTINGH D G,GOOSEN W E,et al.Highspeedfrictionstirweldingof5182-H111alloy: Temperature and microstructural insights into deformation mechanisms[J].Metals and Materials International,2021,27(8):2821-2836. [13] LIU H J,LIU X Q,WANG X G,etal.Mechanical properties and their relations to microstructural characteristics of high-speed friction stir-welded AA6005A-T6aluminum hollow extrusions[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2017,88(9/10/11/12):3139-3149. [14] ZHANGJY,UPADHYAY P,HOVANSKIY,etal. High-speedfrictionstirweldingofAA7075-T6sheet: Microstructure,mechanicalproperties,micro-texture, andthermalhistory[J].Metallurgicaland Materials TransactionsA,2018,49(1):210-222. [15] HOVANSKIY,UPADHYAY P,CARSLEYJ,etal. High-speedfriction-stir weldingtoenablealuminum tailor-weldedblanks[J].JOM,2015,67(5):1045-1053.