仇一卿，姚徐伟，李宝华，邬剑虹，崔国平，瞿磊

1.上海航天精密机械研究所 上海 201600

2.湖北三江航天红阳机电有限公司 湖北孝感 432100

3.先进焊接技术湖北省重点实验室 湖北孝感 432100

1 序言

搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding，FSW）是英国焊接研究所（TWI）于1991年发明的一项固相摩擦焊技术[1]，开发初期主要用于铝合金的连接。目前，已拓宽到镁、铜、铅、钛及不锈钢等材料。搅拌摩擦焊作为一种固相连接技术，具有传统熔焊方法无法相比的许多优势，如焊接过程不需要坡口准备、填充金属及保护气体；焊接接头质量及力学性能得到明显改善；焊接变形小、缺陷水平低、容易实现自动化及生产效率高等。搅拌摩擦焊可以成功地实现各种铝合金、镁合金等轻合金的连接。尤其是能够可靠连接熔焊方法很难焊接的A1-Cu（2000系列）和A1-Zn（7000系列）等高强铝合金[2-5]。国内直到1998年才开始进行搅拌摩擦焊技术的研究，且对搅拌摩擦焊的T形接头研究较少。柯黎明采用旋转速度为1180r/min、焊接速度为118mm/min的工艺参数，成功焊接了铝合金与纯铜的T形接头，同时发现部分纯铜卷入了铝合金[6]。

由于T形接头焊接界面不同于对接或搭接接头，其界面与搅拌头呈垂直状态，所以焊接缺陷形成机理和分布状态与对接接头不尽相同，并且针对搅拌摩擦焊T形接头的研究在国内外都相对较少。因此，本文针对铝合金的T形接头开展了研究，分析了搅拌头外形对焊缝成形的影响。

2 试验方法

试验材料选用2A70-T6铝合金，其化学成分见表1。

表1 2A70-T6铝合金化学成分（质量分数） （%）

T形焊接试板由蒙皮板和搭接板组成，蒙皮板的厚度为6mm，外形尺寸为500mm×200mm；搭接板的厚度为12mm，外形尺寸为500mm×40mm，T形接头搅拌摩擦焊示意如图1所示。使用型号为FSW-3LM-006的设备进行焊接试验，搅拌头材料为H13热作模具钢，焊接速度为150mm/min，搅拌头旋转速度为300r/min，焊接倾角为2.5°，旋转方向为逆时针。

图1 T形接头搅拌摩擦焊示意

焊接时选用了6种不同规格带左旋螺纹的搅拌头，将其依据规格不同分别标记为1～6号，其中1～5号的搅拌头轴肩直径为24m m，搅拌针的直径为10mm，其对应的搅拌针长度分别为6.3mm、6.8mm、7.4mm、7.8mm、11.7mm； 6号搅拌头的轴肩直径为28mm，搅拌针的直径为12mm，搅拌针长度为6.8mm。焊接完成后沿焊缝垂直方向截取焊缝金相试样，打磨抛光后，采用Keller试剂（1mL HF、1.5mL HCl、2.5mL HNO3、95mL H2O）将试样腐蚀后采用金相显微镜进行观察；同时，对剩余试板作减薄处理，通过铣加工去除搭接板后，再去除蒙皮板上表面1.5mm余量，同时下表面加工1mm余量，保证试板厚度为3.5mm，试样尺寸按照GB/T 228.1—2010《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》规定加工，以焊缝为中心垂直焊接方向截取拉伸试样，拉伸试样标距为100mm，采用ZWICJ150型电子拉伸试验机进行室温拉伸试验，加载速率为0.5mm/min。

3 试验结果与分析

3.1 T形接头的焊缝流动形貌

采用4号搅拌头焊接后的焊缝横截面形貌如图2所示，从图2中可发现，前进侧及返回侧界面压接线均向蒙皮板厚度方向发生了迁移，但两者迁移高度及迁移方向差异较大，靠近前进侧的界面压接线沿焊核边缘垂直向上向焊缝延伸，位置在焊核区与热力影响区界面处，即搅拌区边缘；靠返回侧的界面线从返回侧热力影响区边缘向焊核中心延伸，在热力影响区中心位置形成一个向上凸起的波峰后沿焊核区边缘向下流动，迁移至搭接板，沿厚度方向迁移高度较前进侧低，但沿焊缝长度方向迁移较长。形成该现象的原因是焊缝两侧受搅拌针的作用方式不同，前进侧焊核金属主要受到剪切作用，而返回侧的金属主要受到挤压作用，在搅拌针行进过程中，靠近前进侧位置会形成一个瞬时空腔，当焊缝金属填充瞬时空腔时，返回侧界面处的金属受挤压，导致此处的金属微微向上隆起，形成一个小小的波峰；而前进侧界面处的金属开始受到剪切作用，当焊缝金属填充瞬时空腔时又受到挤压作用，两者的综合作用使得前进侧界面处的金属向焊缝中延伸。

图2 T形接头焊缝横截面形貌

3.2 搅拌针长度对焊缝成形的影响

为了探究T形接头界面压接线延伸到蒙皮板焊缝高度与搅拌针长度之间的关系，选用1～5号搅拌头进行焊接试验，即搅拌针长度分别为6.3mm、6.8mm、7.4mm、7.8mm、11.7mm，试板焊接后截取焊缝横截面进行金相观察，并测量前进侧和后退侧界面压接线延伸至焊缝中的高度。

T形接头界面压接线延伸高度统计见表2。从表2可发现，随着搅拌针长度的改变，界面压接线延伸高度亦发生变化，随着搅拌针长度的增加，压接线延伸高度也不断增加，当搅拌针长度为6.3mm时，压接线延伸高度前进侧为0.2m m，返回侧为0.15mm；当搅拌针长度为7.4mm、7.8mm时，压接线延伸高度达到1.2m m；当搅拌针长度增加到11.7mm时，压接线延伸高度达到2.5mm。

表2 界面压接线延伸高度统计

界面压接线的延伸高度对焊缝的抗拉强度影响显著，焊缝断裂位置均在前进侧，其中1号、2号搅拌头焊接的试板，由于蒙皮板焊缝背面沿厚度方向铣加工去除1mm，将焊缝的界面压接线完全去除后，焊缝抗拉强度较为稳定，均达到了365MPa以上，达到母材抗拉强度（425MPa）的85%以上。但随着界面压接线延伸高度的增大，焊缝的抗拉强度逐渐下降，而当搅拌针长度为11.7mm时，焊缝的抗拉强度最低，仅为107.7MPa，断裂方式为脆性断裂，如图3所示。另外，从断口边缘可见，起裂位置断裂于前进侧界面压接线处，形成了明显的类似于未熔合缺陷，呈明显的开口缺陷，并从该位置扩展，形成了瞬时脆断。

图3 拉伸试样断裂残骸

对5号搅拌头焊缝前进侧界面压接线进行观察，前进侧压接线延伸金相组织如图4所示。由图4可知，压接线向焊缝中延伸明显，形成裂纹源。综合压接线高度及焊接强度可看出，随着界面压接线高度的提高，焊缝抗拉强度降低，一方面压接线高度相当于减薄了焊缝厚度，导致焊缝实际承载能力减弱；另一方面，该位置形成开口缺陷，并形成了开裂源。

图4 前进侧压接线延伸金相组织

3.3 搅拌针直径对焊缝成形的影响

为了分析搅拌针直径对焊缝的影响，选择搅拌针长度均为6.8mm的2号和6号搅拌头，在旋转速度为300r/min、焊接速度为150mm/min下进行焊接试验。同时为了探究T形接头界面处塑性金属的流动情况，用铜箔作为标识材料，将铜箔置于蒙皮板与搭接板之间，以跟踪焊缝中塑性金属的流动情况，然后观察界面处焊缝塑性金属的流动状态。

不同直径搅拌针作用下的焊缝形貌如图5所示。由图5a可知，搅拌针直径10mm界面处焊核宽度约为12.2mm，且由于铜箔的加入，界面压接线更加清晰明显，其前进侧界面压接线更多的向焊缝中延伸，约为0.9mm，返回侧的波峰约为0.5mm。相对图5a而言，图5b在界面处焊核较小，宽度约为10.3mm，其前进侧和返回侧界面压接线向焊缝中延伸的高度分别为0.4mm和0.2mm。说明在同一焊接参数条件下，搅拌针直径更大时，搅拌针相对于焊缝宽度方向作用力更大，上方蒙皮板金属对于下方搭接板金属界面向上抑制作用增强，且返回侧后方金属向前进侧迁移过程更为剧烈，返回侧界面线向焊核方向迁移增加，导致界面处焊核尺寸减少。将焊接试板制成拉伸试样，其抗拉强度分别为320MPa和360MPa。由此可见，在去除搭接板的基础上，适当增大搅拌针的直径在一定程度上能减小界面压接线向焊缝中延伸的高度，降低界面压接线对于焊缝强度的影响。

图5 不同直径搅拌针作用下的焊缝形貌

4 结束语

1）T形接头靠近前进侧的界面线沿着焊核边缘向焊缝中延伸，靠近返回侧的界面线在焊核边缘形成一个向上突起的波峰，并且前进侧向焊缝中延伸的高度高于返回侧。

2）界面压接线的延伸高度对焊缝的抗拉强度影响显著，随着界面压接线延伸高度的增大，焊缝的抗拉强度降低，这也意味着T形接头的抗拉强度随着搅拌针长度的增大而减小。

3）适当增加搅拌针直径，压接线向上板厚度延伸作用下降，但焊核处宽度降低，同时，在去除搭接板后，抗拉强度随之增大。