6061-T4铝合金无倾角搅拌摩擦焊接头组织与性能研究

      搅拌摩擦焊是一种固相焊接新技术，具有绿色、优质等特点，在轨道交通、航天制造和船舶制造等领域应用广泛。搅拌摩擦焊搅拌头的轴中线与工件接触面法线会呈现一定角度，且这一角度一般为2°～5°。这有利于改善焊接时材料的流动方式，增加热量流动，减小残余应力。随着搅拌摩擦焊技术的发展，机器人搅拌摩擦焊在工程上有着重要的应用。但是，因为有倾角的存在，在机器人焊接曲线和曲面的焊缝时，搅拌头的倾角要实时调节，这会使焊接工序更加繁琐，焊接设备更加复杂，提升了焊接的难度。采用无倾角的焊接方法对机器人搅拌摩擦焊的发展具有重要的作用。

     6061铝合金主要含Mg和Si两种合金元素，并以Mg₂Si为主要的强化相，同时其具有低密度、耐蚀性、易成形等特性。本研究采用5mm厚6061-T4铝合金板进行无倾角的搅拌摩擦焊焊接，研究不同焊接参数对接头性能和组织的影响，以期为机器人搅拌摩擦焊的应用提供参考。

      试验材料为6061-T4铝合金板，其化学成分见表1,板材尺寸为150mm×60mm×5mm。根据以往的经验设计了无倾角的搅拌头，其中搅拌头的轴肩向内呈现一部分的倾角，为外高内低的形式，同时搅拌头也设计增加了阿基米德螺线型花纹，并且在搅拌针上面加上左旋螺纹。搅拌头尺寸示意图见图1。将两块铝板打磨去除毛刺以及氧化膜，置于工装上，使其对接整齐严密。使用FSW1609K型搅拌摩擦焊机上进行焊接试验。进给速度固定为300mm/min, 主轴转速分别为600、800、1000、1200、1400和1600r/min具体的焊接参数见表2。

                                                                                                                                                   表1 6061铝合金主要的化学成分（%）

图1 搅拌头尺寸示意图

表2 6061 FSW工艺试验参数

图2 拉伸试样尺寸

图3为不同工艺下焊缝的表面形貌。可以看出，当焊接转速较低时(600、800r/min),搅拌摩擦焊焊缝表面成形粗糙，局部位置出现了金属颗粒、毛刺与飞边，这是由于焊接过程中搅拌头产热较少，金属的塑性流动不足，造成轴肩与金属板材之间发生粘连，导致金属颗粒和毛刺产生。当主轴转速提高到1000r/min后，焊缝的表面成形明显改善，但是仍然存在细小的毛刺。继续将焊接转速增大至1200r/min及以上时，发现焊缝表面成形光滑，纹理清晰均匀且无毛刺产生。

不同焊接工艺下焊缝截面的宏观形貌见图4。可以看出，当焊接转速较低(600、800r/min)时，焊缝底部存在隧道型缺陷；随着转速增加，当转速达到1000r/min及以上时，焊缝隧道型缺陷消除。在FSW焊接过程中，焊接热输入量对焊缝成形起着至关重要的作用。而在搅拌摩擦焊过程中的能量和温度可由焊接工艺参数表述，具体如下：

(a)600r/min (b)800r/min (c)1000r/min (d)1200r/min (e)1400r/min (f)1600r/min

图3 焊缝的表面成形图样

a)600r/min (b)800r/min (c)1000r/min (d)1200r/min (e)1400r/min (f)1600r/min

图4 焊缝横截面宏观形貌

(a)第二相分布 (b)粗大相成分

图5 6061-T4 铝合金母材第二相分析

图6 焊核区第二相分布及EDS分析

图7 焊缝显微硬度分布

可以发现，与焊缝中心的距离不同，硬度也不同：母材区>焊核区>热机影响区>热影响区。母材的平均硬度(HV)最高，达到72。同时可以观察焊核区由等轴晶细粒组成，因为受到细晶强化的影响，所以焊核区的平均硬度会高于热影响区和热机影响区的平均硬度。热机影响区在焊接过程中受到的动态再结晶程度不如焊核区，其内部晶粒被拉长，使其硬度降低。同时热影响区在搅拌摩擦焊焊接热循环的作用下，内部微观组织发生动态回复，晶粒粗化，导致其平均硬度最低。

图8 各个工艺参数焊缝的力学性能

a)600r/min  (b)1200r/min (c)1600r/min

图9 不同转速下焊缝断口形貌

研究结论