摘 要:采用超高轉速攪拌摩擦焊設備對３００３鋁合金薄板進行了焊接,研究了焊接接頭的微觀 組織和力學性能.結果表明:在旋轉速度為１１０００r??min－１、焊接速度為１０００mm??min－１的工 藝參數下,可獲得焊接變形小、熱影響區窄、焊縫表面成型良好的焊接接頭;焊核區的顯微硬度達到 了３５HV,且焊接接頭的抗拉強度達到了９４．７MPa,焊接接頭的微觀形貌顯示其內部不存在隧道、 裂紋、孔洞等缺陷. 

關鍵詞:3003鋁合金;薄板;超高轉速攪拌摩擦焊;焊接接頭;微觀組織;抗拉強度 

中圖分類號:TG４０７ 文獻標志碼:A 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１８)０７Ｇ０４７９Ｇ０４

３００３鋁合金是鋁Ｇ錳系合金中最常用的一種防 銹鋁合金,其強度較低,是不能熱處理強化的鋁合 金,通常采用冷作硬化[１]的強化方式提高其力學性 能.該鋁合金密度低、耐腐蝕性好、導電和導熱性能 優異,且具有很好的反射性、非磁性、焊接工藝性和 可加工性,被廣泛應用于裝飾、熱交換、感光、包裝等 低負荷場合.

采用傳統的熔化極惰性氣體保護焊(MIG)、非 熔化 極 惰 性 氣 體 保 護 焊 (TIG)、冷 金 屬 過 渡 焊 (CMT)和激光焊等方法焊接中厚板 的 ３００３ 鋁 合 金,常出現熱裂紋、氣孔、表面成形差以及對工件清 理要求高等問題[２Ｇ５].對厚度小于３mm 的３００３鋁 合金薄板仍采用這些焊接方法時,除以上問題外還 會出現變形嚴重、穿孔等問題[６Ｇ１１],這是因為在高溫 下薄板相對于厚板抗變形能力差,所以不宜采用傳 統的熔化焊方法焊接鋁合金薄板.

選用攪拌摩擦焊的方法可以有效地避免熔焊方 法中經常出現的問題.攪拌摩擦焊接技術是一種固 相連接技術[１２Ｇ１３],其原理是一種特殊的攪拌頭包含 軸肩和攪拌針,在快速旋轉的狀態下將其插入被焊 板材的接線處或者搭接處,隨后利用攪拌頭與工件之間接觸部位產生的摩擦熱,使周圍的金屬材料被 加熱發生嚴重的塑化[１４],塑化軟化層金屬在攪拌頭 旋轉作用下填充攪拌頭后方的空腔,并在攪拌頭的 軸肩與攪拌針攪拌共同擠壓的作用下,來實現材料 的連接[１５].因為鋁合金具有熔點低、易變形、高溫 下塑性好的特點,所以這種焊接方法能提高其焊接 效率和工藝穩定性,然而對于小于３mm 的鋁合金 薄板焊接,由于其過大的軸向力和摩擦力易導致薄 板變形、減薄嚴重等問題.

采用超高轉速攪拌摩擦焊方法可以有效地減少 甚至避免缺陷的產生[１６Ｇ１７],超高轉速攪拌摩擦焊接 過程中,其攪拌頭的旋轉速度是傳統的攪拌摩擦焊 攪拌頭的１０倍左右,同時大幅度減小攪拌頭軸肩和 攪拌針的直徑,這種結構使得焊接對剛度的要求降 低并且相比于傳統的攪拌摩擦焊,具有更高的焊接 效率.這是因為超高轉速攪拌摩擦焊接對剛度要求 的降低,可以實現攪拌摩擦焊接設備的輕量化.除 此之外,使用軸肩和攪拌針直徑更小的攪拌頭有利 于減小焊縫金屬的攪拌區域,大幅度減少焊接對母 材影響的區域,減少焊接變形[１８Ｇ１９].

目前鮮有關于３００３鋁合金超高轉速攪拌摩擦 焊接的報道,因此筆者對３００３鋁合金薄板的超高轉 速攪拌摩擦焊進行了深入研究,通過對焊接接頭組 織與性能的分析,探討了３００３鋁合金薄板超高轉速 攪拌摩擦焊的可行性,揭示了焊接接頭的組織特征 和軟化機理. 

１ 試驗材料與試驗方法 

１．１ 試驗材料 

試驗材料為尺寸１００mm×８０mm×１mm 的 ３００３鋁合金薄板.攪拌頭軸肩直徑為６mm,攪拌 針的端部直徑為１．２mm、根部直徑為１．５mm,攪拌 針長度為 ０．８ mm,攪拌頭材 料 為 ３５Cr３Mo３W２V 鋼,經過調質處理后強韌性良好可滿足超高轉速攪 拌摩擦焊的要求.

１．２ 試驗方法 

采用超高轉速摩擦焊方法焊接３００３鋁合金薄 板,取焊接接頭試樣,將其進行冷鑲嵌、水磨、拋光 后,用５％(體積分數)的氟硼酸水溶液進行陽極覆 膜,陽極覆膜時間為９０s,然后采用偏光顯微鏡進行 顯微組織觀察.采用萬能拉伸試驗機測試試樣的拉 伸性能,拉伸速率為０．５mm??min－１.采用顯微硬 度計測試焊接接頭的顯微硬度,加載載荷為０．９８N(０．１kgf),加載時間為１５s,再根據不同位置硬度分 布的情況繪制出焊接接頭顯微硬度分布云圖.

２ 試驗結果與討論 

２．１ 焊接工藝評定 

表１為３００３鋁合金薄板在不同工藝下焊接后 的表面成形情況.由表１可知,最佳的焊接工藝參 數 為 焊 接 速 度 １ ０００ mm ?? min－１、旋 轉 速 度 １１０００r??min－１.當旋轉速度為１００００r??min－１ 時,攪拌頭軸肩邊緣攪拌的速度為３．１４ m??s－１,攪 拌針邊緣攪拌的速度為０．６３m??s－１;當旋轉速度為 １１０００r??min－１時,攪拌頭軸肩邊緣攪拌的速度為 ３．４５m??s－１,攪拌針邊緣攪拌的速度為０．６９m??s－１, 由此可見焊接過程中攪拌頭軸肩邊緣的攪拌速度約 是攪拌針邊緣攪拌速度的５倍,這導致焊縫成型時 形成一 條 一 條 細 致 的 條 紋,條 紋 之 間 的 間 距 為 ０．０９mm,而常規攪拌摩擦焊焊縫中條紋之間的距 離約為０．２５mm,所以超高轉速攪拌摩擦焊焊縫形 貌更加細膩.

２．２ 接頭力學性能 

表２為不同焊接工藝下３００３鋁合金超高轉速攪 拌摩擦焊接頭的抗拉強度測試結果.由表２可知,旋 轉速度１１０００r??min－１、焊接速度１０００mm??min－１ 時接頭的抗拉強度最高,這與表１的結果相吻合;另 外,旋轉速度在１００００~１１０００r??min－１、焊接速度 ８００~１２００mm??min－１的條件下焊接,接頭的抗拉 強度只達到母材的６０％左右.

拉伸試樣斷裂位置如圖１所示,拉伸斷口形貌 如圖２所示,可見焊接接頭的斷裂處位于焊縫的攪 拌區域,并且斷裂處會出現一定程度的頸縮,斷裂形 式為剪 切 斷 裂.根 據 焊 接 接 頭 的 斷 裂 位 置、斷 口 形 式以及斷裂強度可以初步認定,焊接接頭拉伸斷裂的主導因素為焊接過程中焊接接頭出現軟化現 象,導致抗拉強度降低. 

為了進一步證實３００３鋁合金超高轉速攪拌摩擦 焊接接頭出現軟化,同時測量其軟化區域,采用顯微 維氏硬度計分區測試.其中測試區域為焊接接頭截 面的上、中、下三排,每一排的長度須確保經過焊接攪 拌區、熱機影響區、熱影響區以及母材.上層距離薄 板上表面０．３mm,下層距離薄板下表面０．３mm,相 鄰測試點之間的距離為０．２mm,如圖３所示.

根據每一個測試點測得的顯微硬度以及每個點 所處的位置,畫出焊接接頭截面上的顯微硬度云圖, 如圖４所示.可見焊接接頭軟化區域的硬度在３０~ ３５HV,而母材的硬度約為５０HV,可見軟化區域的硬度為母材的６０％左右,這與拉伸試驗結果相吻 合;另外,軟化區域的形狀及大小與攪拌區域的相當 接近.由此可知采用超高轉速攪拌摩擦焊方法焊接 ３００３鋁合金薄板并不是因為產生焊接缺陷造成焊 接接頭抗拉強度的下降,而是因為焊接接頭金屬軟 化導致抗拉強度的降低.軟化區域上表面寬度為 ４．３mm,下表面寬度為２．８mm,該區域是由于攪拌 引起的軟化還是由于溫度引起的軟化,需通過金相 顯微鏡觀察其微觀組織來進一步確認.

２．３ 焊縫顯微組織 

３００３鋁合金薄板焊縫宏觀形貌如圖５所示,為 最佳焊接工藝參數條件下焊縫表面宏觀形貌,可見 超高轉速攪拌摩擦焊的焊接過程平穩,焊縫表面成 型很好,沒有飛邊、裂紋等缺陷.３００３鋁合金焊縫 橫斷面微觀形貌如圖６所示,可見焊縫不存在根部 缺陷和減薄現象,且焊縫內部有清晰的流向線,流線 致密,無疏松、孔洞等缺陷.

３００３鋁合金薄板焊縫的顯微組織形貌如圖 ７ 所示.由圖７a)可知,３００３鋁合金薄板母材的顯微 組織呈現帶狀變形結構,這是３００３鋁合金未焊接前 在其沖壓過程中形成的組織結構;由圖７b)可知,焊核區的晶粒變化明顯,為細小的等軸晶,這是由于攪 拌頭對材料產生了強烈的攪拌作用,并且在較高溫 度的熱循環作用下發生了強烈的塑性變形,導致母 材帶狀軋制變形結構和拉長的再結晶晶粒轉變為細 小 的等軸再結晶晶粒.由圖７c)和圖７d)可知,前進側熱影響區和焊縫區的分界線比較明顯,說明前進 側熱影響區范圍較大,而后退側分界線比較模糊,熱 影響區范圍相對較小.出現這種情況是因為焊接過 程中熱影響區兩側金屬的塑性流動有較大差異,在 前進側,塑性體之間的速度梯度比較大,攪拌頭靠近 外側的塑性體變形程度及流動性遠遠小于焊核區塑 性金屬的,造成它們之間形成比較明顯的分界線. 由此,焊縫中心區域的金屬在劇烈的熱及攪拌的作 用下晶粒的排布發生了巨大的轉變,沖壓過程產生 的晶粒位錯關系完全喪失或者部分喪失,所以攪拌 摩擦焊接過程中消除了焊縫中心區域金屬的冷作強 化,導致接頭的硬度及抗拉強度不及母材的.

３ 結論 

(１)采用超高轉速攪拌摩擦焊方法焊接 ３００３ 鋁合金薄板,在焊接參數合理的條件下可以保證焊 接接頭無缺陷、工件無減薄、變形量小,但接頭軟化 現象不可避免. 

(２)在旋轉速度為１１０００r??min－１、焊接速度 為１０００mm??min－１的工藝參數下,可獲得表面質 量最好 的 焊 接 接 頭,焊 核 區 的 顯 微 硬 度 達 到 了 ３５HV,且焊接接頭的抗拉強度達到９４．７MPa. 

(３)３００３鋁合金薄板焊接接頭熱影響區軟化 的主要原因是在熱及攪拌的作用下,焊接接頭經過 了類似退火的過程,從而使得局部區域的冷作硬化 出現了不同程度的削弱,距離焊縫中心越近的熱影 響區金屬軟化得越嚴重.

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文章來源——材料與測試網