鋁合金靜止軸肩攪拌摩擦焊技術研究.pdf

1、靜止軸肩攪拌摩擦焊（Stationary Shoulder Friction Stir Welding, SSFSW）是英國焊接研究所基于傳統(tǒng)攪拌摩擦焊開發(fā)的一種新型固相連接技術，具有焊接載荷低、焊縫表面光滑、基本無飛邊與減薄、摩擦熱沿板厚較均勻及適應性強等優(yōu)勢，在鈦合金、不同厚度鋁合金及角焊縫攪拌摩擦焊復雜形式接頭方面的制造中有廣闊應用前景。但截至目前，僅有屈指可數(shù)的文獻對SSFSW接頭的組織及力學性能進行了公開報道。有關SSFSW攪

2、拌工具、接頭形式、焊接工藝、組織缺陷及接頭性能等基本問題仍未得到系統(tǒng)深入的研究與闡述。
　　本文開發(fā)了適用于對接接頭和不同形式T形接頭的SSFSW焊接工具及工裝，采用6061-T6/T4、7075-T651和5A03-H112四種鋁合金為試驗材料，在對接頭焊接工藝優(yōu)化與材料焊接性進行深入系統(tǒng)試驗研究基礎上，對SSFSW接頭中材料冶金特征、組織與缺陷、力學性能、非均質性、撕裂韌性和疲勞性能進行了深入系統(tǒng)的研究。主要結論如下：

3、　　1.設計研制了SSFSW焊接工具及工裝夾具，對攪拌工具形狀、尺寸范圍及靜止軸肩與攪拌針配合間隙等關鍵問題進行了詳細試驗探討，成功實現(xiàn)了板厚度為5 mm的三種鋁合金無缺陷SSFSW對接接頭和6061-T4鋁合金無填充材料及有填充材料無缺陷SSFSW-T形接頭的焊接過程，為后續(xù)SSFSW技術的焊接工藝優(yōu)化、組織及性能的研究提供重要基礎。
　　2.對SSFSW對接接頭及T形接頭焊接工藝、焊縫成型及缺陷進行了詳細研究。試驗結果表明：無

4、缺陷的SSFSW對接接頭表面平整光滑，焊縫基本無減薄現(xiàn)象，有填充材料T形接頭可明顯改善焊縫過渡圓角。SSFSW接頭焊接應力及變形低，基本無殘余變形。在不恰當參數(shù)下，SSFSW接頭主要缺陷為材料流動性不足導致的焊縫表面溝狀缺陷，由于靜止軸肩對焊縫的擠壓作用，表面成型光滑的對接接頭不易產生內部缺陷。不同鋁合金材料焊接性差別明顯，5 mm厚度6061-T6、7075-T651和5A03-H112對接接頭的優(yōu)化焊接工藝窗口分別為：750~200

5、0 rpm&50~400 mm/min、750~1500 rpm&100~200 mm/min和1500 rpm&30~50 mm/min；5 mm厚度6061-T4鋁合金無填充材料T形接頭優(yōu)化工藝為1500 rpm&100/300 mm/min；有填充材料T形接頭優(yōu)化工藝為1500 rpm&100 mm/min。
　　3.對SSFSW對接及T形接頭焊縫宏觀與微觀組織特征進行了詳細分析。試驗表明：對接接頭分為焊核區(qū)（NZ）、熱力影

6、響區(qū)（TMAZ）和熱影響區(qū)（HAZ）。其中6061-T6和5A03-H112接頭NZ形狀與攪拌針輪廓類似，為錐臺形，7075-T651接頭NZ形狀為鼓形；TMAZ對稱的分布在NZ兩側很窄的范圍內，HAZ分布于TMAZ外側，且兩者寬度明顯小于傳統(tǒng)FSW接頭。6061-T4不同形式T形接頭分區(qū)與對接接頭相同，但形狀有所不同。其中NZ形狀對稱為傘狀，TMAZ分布在NZ外側， HAZ分布于TMAZ外側。
　　4.對不同類型鋁合金 SSFS

7、W接頭，攪拌工具、焊接速度與轉速是影響接頭力學性能的關鍵因素。試驗表明，在較優(yōu)的焊接參數(shù)下，6061-T6和7075-T651對接接頭強度系數(shù)分別為母材的78％和69%，最薄弱區(qū)在HAZ區(qū)，最低硬度處硬度最大值分別為母材的68%和69%，在給定主軸轉速下焊接速度的影響更為顯著；而對非熱處理強化鋁合金5A03-H112，對接接頭硬度與抗拉強度受焊接參數(shù)影響不大，NZ硬度水平與母材相當，抗拉強度最高為母材的99.6%。對于無填充材料T型接頭

8、，螺紋攪拌針可以增加材料的流動性，有效避免內部缺陷的產生。在優(yōu)化工藝下無填充和有填充材料 T形接頭底板強度系數(shù)最高分別可達母材的68%和78%，筋板強度系數(shù)最高分別可達母材的83%和96%。
　　5. SSFSW焊接接頭存在顯著顯微組織與力學性能非均質性，不同種類鋁合金材料接頭非均質特性明顯不同。試驗表明：非熱處理強化的5A03-H112鋁合金對接接頭力學性能非均質性很小，其硬度和抗拉強度與母材相當；組織非均質性主要體現(xiàn)在NZ為細

9、小等軸晶，而母材和HAZ為軋制晶粒結構。熱處理強化的6061-T6和7075-T651鋁合金對接接頭焊接區(qū)組織存在明顯的非均質性并導致了力學性能的非均質性。6061-T6和7075-T651組織非均質性主要體現(xiàn)在 NZ中晶粒細化、結晶相被破碎并重新分布且沉淀相完全溶解以及 HAZ中沉淀相發(fā)生轉變或溶解。在不同焊接參數(shù)下兩種材料對接接頭最低硬度區(qū)硬度分別為母材的50~68%和64~69%；6061-T6對接接頭不同位置屈服和抗拉強度分別為

10、61.9~113.3 MPa和34.8~86.2 MPa。
　　6.試驗表明鋁合金材料種類不同是影響 SSFSW接頭撕裂韌性的關鍵因素。對熱處理強化6061-T6和7075-T651對接接頭，焊核區(qū)最高啟裂韌性可達母材的91-92%，最低位于HAZ，可達母材62-68%，表明HAZ抗裂紋開裂能力明顯低于母材；但對非熱處理強化5A03-H112對接接頭，NZ與HAZ啟裂韌性均超過母材131%以上，表明焊縫區(qū)抗開裂能力明顯高于母材。這

11、為選擇 SSFSW技術進行不同鋁合金結構制造提供重要試驗依據(jù)。
　　7.詳細研究了SSFSW-T形接頭彎曲疲勞性能。試驗表明無填充材料T形接頭疲勞性能低于有填充材料T形接頭的疲勞性能，但明顯高于大部分文獻中傳統(tǒng)FSW對接接頭的疲勞性能，且明顯高于 TIG焊 T形接頭的疲勞性能。采用優(yōu)化的參數(shù)，在90%置信度97.5%存活率下無填充和有填充材料接頭在2×106疲勞壽命時的特征疲勞強度分別為101.0 MPa和101.4 MPa，分別