鋁合金靜止軸肩攪拌摩擦焊技術(shù)研究.pdf

1、靜止軸肩攪拌摩擦焊（Stationary Shoulder Friction Stir Welding, SSFSW）是英國(guó)焊接研究所基于傳統(tǒng)攪拌摩擦焊開(kāi)發(fā)的一種新型固相連接技術(shù)，具有焊接載荷低、焊縫表面光滑、基本無(wú)飛邊與減薄、摩擦熱沿板厚較均勻及適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，在鈦合金、不同厚度鋁合金及角焊縫攪拌摩擦焊復(fù)雜形式接頭方面的制造中有廣闊應(yīng)用前景。但截至目前，僅有屈指可數(shù)的文獻(xiàn)對(duì)SSFSW接頭的組織及力學(xué)性能進(jìn)行了公開(kāi)報(bào)道。有關(guān)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(wèn)題仍未得到系統(tǒng)深入的研究與闡述。
　　本文開(kāi)發(fā)了適用于對(duì)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(yàn)材料，在對(duì)接頭焊接工藝優(yōu)化與材料焊接性進(jìn)行深入系統(tǒng)試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，對(duì)SSFSW接頭中材料冶金特征、組織與缺陷、力學(xué)性能、非均質(zhì)性、撕裂韌性和疲勞性能進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究。主要結(jié)論如下：

3、　　1.設(shè)計(jì)研制了SSFSW焊接工具及工裝夾具，對(duì)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(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)試驗(yàn)探討，成功實(shí)現(xiàn)了板厚度為5 mm的三種鋁合金無(wú)缺陷SSFSW對(duì)接接頭和6061-T4鋁合金無(wú)填充材料及有填充材料無(wú)缺陷SSFSW-T形接頭的焊接過(guò)程，為后續(xù)SSFSW技術(shù)的焊接工藝優(yōu)化、組織及性能的研究提供重要基礎(chǔ)。
　　2.對(duì)SSFSW對(duì)接接頭及T形接頭焊接工藝、焊縫成型及缺陷進(jìn)行了詳細(xì)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：無(wú)

4、缺陷的SSFSW對(duì)接接頭表面平整光滑，焊縫基本無(wú)減薄現(xiàn)象，有填充材料T形接頭可明顯改善焊縫過(guò)渡圓角。SSFSW接頭焊接應(yīng)力及變形低，基本無(wú)殘余變形。在不恰當(dāng)參數(shù)下，SSFSW接頭主要缺陷為材料流動(dòng)性不足導(dǎo)致的焊縫表面溝狀缺陷，由于靜止軸肩對(duì)焊縫的擠壓作用，表面成型光滑的對(duì)接接頭不易產(chǎn)生內(nèi)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(duì)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(wú)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(duì)SSFSW對(duì)接及T形接頭焊縫宏觀與微觀組織特征進(jìn)行了詳細(xì)分析。試驗(yàn)表明：對(duì)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(tái)形，7075-T651接頭NZ形狀為鼓形；TMAZ對(duì)稱的分布在NZ兩側(cè)很窄的范圍內(nèi)，HAZ分布于TMAZ外側(cè)，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(duì)接接頭相同，但形狀有所不同。其中NZ形狀對(duì)稱為傘狀，TMAZ分布在NZ外側(cè)， HAZ分布于TMAZ外側(cè)。
　　4.對(duì)不同類型鋁合金 SSFS

7、W接頭，攪拌工具、焊接速度與轉(zhuǎn)速是影響接頭力學(xué)性能的關(guān)鍵因素。試驗(yàn)表明，在較優(yōu)的焊接參數(shù)下，6061-T6和7075-T651對(duì)接接頭強(qiáng)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(zhuǎn)速下焊接速度的影響更為顯著；而對(duì)非熱處理強(qiáng)化鋁合金5A03-H112，對(duì)接接頭硬度與抗拉強(qiáng)度受焊接參數(shù)影響不大，NZ硬度水平與母材相當(dāng)，抗拉強(qiáng)度最高為母材的99.6%。對(duì)于無(wú)填充材料T型接頭

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

9、小等軸晶，而母材和HAZ為軋制晶粒結(jié)構(gòu)。熱處理強(qiáng)化的6061-T6和7075-T651鋁合金對(duì)接接頭焊接區(qū)組織存在明顯的非均質(zhì)性并導(dǎo)致了力學(xué)性能的非均質(zhì)性。6061-T6和7075-T651組織非均質(zhì)性主要體現(xiàn)在 NZ中晶粒細(xì)化、結(jié)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(zhuǎn)變或溶解。在不同焊接參數(shù)下兩種材料對(duì)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(duì)接接頭不同位置屈服和抗拉強(qiáng)度分別為

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

11、為選擇 SSFSW技術(shù)進(jìn)行不同鋁合金結(jié)構(gòu)制造提供重要試驗(yàn)依據(jù)。
　　7.詳細(xì)研究了SSFSW-T形接頭彎曲疲勞性能。試驗(yàn)表明無(wú)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(xiàn)中傳統(tǒng)FSW對(duì)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(wú)填充和有填充材料接頭在2×106疲勞壽命時(shí)的特征疲勞強(qiáng)度分別為101.0 MPa和101.4 MPa，分別