铝合金搅拌接头研讨

铝合金与其他金属材料相比，具有密度小、易于成形以及优异的力学性能和工艺特性等，能适应现代科技及高新工程发展的需要，广泛应用于制造各类航空航天、交通运输等工业产品。但对于铝合金连

接，采取熔化焊方法，容易出现诸多问题：焊缝区易形成气孔和裂纹等［1］。搅拌摩擦焊（FrictionStirWelding，FSW）是英国焊接研究（TWI）开发的新型固相连接方法

，实现了其取代金属熔化结晶的熔焊过程，从而完全免除了焊缝气孔和焊接裂纹产生的条件，尤其适用于镁合金、铝合金等有色金属的焊接。LiuHJ等［2］发现2017－T351铝合金FSW

对接接头的拉伸性能可达到母材的82％；MahoneyMW等［3］认为7075的FSW对接接头最脆弱的区域为热影响区，而不是焊核区。目前FSW不仅能实现牢固的对接接头，而且也适用

于搭接、角接等其他接头形式。其中铝合金的搅拌摩擦焊对接已经应用于实际生产中，但搭接仍处于研究的初始阶段。本工作对5083铝合金搅拌摩擦焊搭接接头进行了性能和组织的研究，并研究了

搭接接头的断裂机理。这不仅为铝合金的FSW搭接逐渐取代电阻点焊和铆接奠定了理论基础，而且会加速推进FSW搭接焊的实际应用。

1实验材料及方法

实验材料为3mm厚的5083铝合金板材，试件尺寸为200mm×100mm×3mm，其力学性能列于表1。焊接时采用带螺纹的搅拌头，其尺寸为：轴肩直径16mm，搅拌针直径4．2mm

及针长2．8mm。焊前使用丙酮去除工件油污，并将其刚性固定在垫板上。焊接工艺参数为：焊接速率50mm／min，旋转速率800～2000r／min。接头的力学性能是在焊后没有经过

任何热处理及其他处理状态下进行的。5083搭接接头抗剪强度达最高220．75MPa，接头强度系数为母材的80％以上。但如果旋转速率过高，同时焊接速率不是很快，可能会造成母材局部

温度过高甚至出现熔化现象，也会使接头出现缺陷，将会影响其接头性能。接头拉剪断裂的过程中，接头易在上板的前进侧热影响区发生断裂［4－8］。按图1所示加工成剪切拉伸试样（单位：mm

），采用万能试验机对不同参数下的接头进行剪切拉伸实验。选择力学性能和外观成型最佳的焊件，沿垂直于焊接方向进行截取试样，用凯勒试剂对抛光后的试样进行腐蚀，利用OLYMPUS－BX

51M光学显微镜及JSM－6360LV扫描电镜（SEM）观察样品的微观组织及其接头断口形貌。并使用显微硬度仪，对横截面上下层两板分别进行硬度测试。

2结果和讨论

2．1抗剪实验当5083铝合金FSW搭接接头受剪切拉伸载荷时，接头发生了翘曲变形，断裂位置都是在上层铝板的热影响区处（如图2所示），而不是焊缝的中心位置。断裂后，上下两层板在搅

拌针作用的位置依然连接紧密，说明在焊接过程中，搅拌针作用的位置，连接较好，即使搅拌针没有接触到下层铝板，但在焊接过程中，在搅拌针的作用下，两板界面处的材料也发生了垂直方向的运动

，使得界面的有效连接宽度变大，结合强度增加。图3中所示的曲线，不考虑焊接速率的变化，随着旋转速率的增加，接头的断裂载荷逐渐提高。当旋转速率ω＝2000r／min，焊接速率υ＝5

0mm／min时.

2．2断口分析图4为ω＝2000r／min，υ＝50mm／min的断裂试样断口SEM，显示为韧性断裂。铝合金搅拌摩擦焊搭接接头在载荷作用下，在接头应力集中处，断口呈纤维状，色泽

灰暗，边缘有剪切唇，断口附近有宏观的塑性变形。断裂方向与母材的轧制方向成近45°。材料微区产生塑性变形，形成空洞聚集和长大，导致材料断裂留下圆形及椭圆形凹坑。断口微观扫描特征形

态为韧窝，在正应力作用下，应力在整个断口表面上均匀分布，使垂直于主应力的杯底中心部位形核的纤维空隙向各个方向均匀长大，最后形成等轴的韧窝［9，10］。

2．3显微组织图5为铝合金5083搅拌摩擦焊搭接接头的横截面宏观形貌。图6为接头各区域的显微组织，图6（a）～（d）分别为上层铝板焊核区、上层板过渡区、上下两板的界面区、母材区

。从图5可以看出在轴肩和搅拌针作用的区域，界面都得到了很好的结合。其中上层铝合金的焊核处（见图6（a））金属发生了强烈的热机械过程，发生了动态回复和动态再结晶，晶粒得到细化，形

成比母材（见图6（d））细小的等轴晶。热影响区与母材交界处（图6（b））晶粒逐渐发生变化。而过渡区的下层铝合金组织（见图6（c））也明显受到了搅拌针力的作用，在过渡区可以看出组

织由上层板焊核到下层板由小到大的变化。而且下层铝板在搅拌针作用的区域，组织也特别细小，与上层铝板的热机影响区位置的晶粒大小几乎相同［11，12］。

2．4显微硬度对接头（ω＝2000r／min，υ＝50mm／min）横截面的上下两层板进行显微硬度的测量，硬度分布结果如图7所示，分布趋势与搅拌摩擦焊对接时十分相似，曲线呈W形

。其中上层铝板焊核处（搅拌针作用区域）出现了细晶组织，硬度较高，甚至与母材相当。而下层铝板在搅拌针作用区域同时也受到了搅拌针热输入和力的作用，经历了一定的热机械过程，硬度也出现

了明显升高。随后，在轴肩作用区域上下层铝板的硬度向左右两侧开始逐渐下降，轴肩作用边界硬度达到最小值，

3结论

（1）即使搅拌针的长度小于上层铝板的厚度，下层铝板仍然受到了热机械作用，搅拌针作用区域的晶粒发生了一定的细化，与上层铝板的相近。（2）5083铝合金的搅拌摩擦焊搭接焊，随着旋转

速度的增加，接头的抗剪强度增加，接头强度系数最高可达80％。（3）5083搅拌摩擦焊搭接接头断裂于上板的前进侧热影响区，断口扫描显示，呈等轴韧窝形貌，断裂形式为韧性断裂。（4）

显微硬度测试表明，上下层铝板的硬度分布曲线均呈W形，上下层铝板在搅拌针作用区域都发生了硬度升高的现象，轴肩作用区域的硬度明显降低，与组织分析结果相符。