转速及偏置量对6061铝合金搅拌摩擦焊接头组织和性能的影响

文章编号：1002－025X(2019)05-0005-05

May2019·试验与研究·5

转速及偏置量对6061铝合金搅拌摩擦焊接头

组织和性能的影响

罗飞翔，杜学铭，姚振华

（武汉理工大学材料科学与工程学院，湖北武汉430070）

摘要：对6mm厚AA6061－T6铝合金进行搅拌摩擦焊，主要研究了搅拌头转速以及搅拌针偏置量对接头显微组织及力学性能的影响。研究表明：当焊接速度一定时，接头的抗拉强度随转速的提高，先提高后降低，并在转速为1100r/min，焊速为50mm/min时，接头强度达到最大值190MPa，为母材抗拉强度的63％；相比0偏置量时接头的抗拉强度，当偏置量小于1mm时，接头抗拉强度下降不

明显；当偏置量大于1mm时，焊缝区出现明显孔洞形缺陷，接头抗拉强度显著降低。金相试验和显微硬度测试结果表明，焊核区在热和力的作用下发生了动态再结晶。拉伸断口的SEM表明接头拉伸断裂模式主要为韧性断裂。

关键词：搅拌摩擦焊；6061铝合金；搅拌头转速；偏置量；显微组织；抗拉强度中图分类号：TG453.9；TG407

文献标志码：B

DOI:10.13846/j.cnki.cn12-1070/tg.2019.05.002

接速度、搅拌头转速、轴肩压入量以及轴肩直径对

0引言2．1mm厚AA6061－T6铝合金FSW接头缺陷形成的

影响，研究表明，在较高的焊接速度、较高转速以及较大压入量条件下更容易得到没有缺陷的接头，同时所有的轴肩直径（12，15，18mm）都可以得到没有缺陷的接头。MNourani等人［5］通过对6．5mm厚

6061铝合金凭借其较高的比强度、质量轻以及

良好的耐腐蚀性被广泛应用于车辆、轮船及航空航天等领域［1］。但是用传统的熔焊来焊接铝合金时，就会由于热输入过大而导致铝合金熔化，从而在凝固时候产生气孔以及裂纹等缺陷，而且传统的熔焊还会产生弧光和焊接烟尘，这也严重影响焊接工人的身体健康［2］。

搅拌摩擦焊接（FSW）是英国焊接研究所于20世纪90年代发明的一种新型的固相焊接方法，它颠

AA6061－T6铝合金FSW，发现当转速1400r/min，焊

速60mm/min得到的FSW接头抗拉强度最高。钮旭

晶等人［6］研究了搅拌针的偏置量对5mm厚6082－T6铝合金FSW接头疲劳极限强度的影响，分别将搅拌

针向前进侧和后退侧偏置1，2mm，发现搅拌针的偏置量对接头疲劳性能影响很大，这是因为随着偏置量的增大，对接面处材料受到搅动作用减弱，材料流动性变差，就会在焊缝处出现未焊透及孔洞缺陷，进而影响接头质量。

为了进一步研究搅拌摩擦焊工艺参数对接头组织和性能的影响，本文主要通过金相试验、显微硬度试验、拉伸试验和断口的SEM来研究搅拌头转速及偏置量对6061铝合金搅拌摩擦焊接头显微组织和力学性能的影响。

覆了人们对于焊接的认知。FSW相比传统的焊接方法具有以下优点：①热输入小，变形小，获得的接头质量高；②焊接过程绿色无污染，耗材少；③操作简单便于实现自动化。但是它对设备以及夹具的要求特别高，一次性投资大。由于FSW这些特点，因此其被广泛应用于铝、镁等轻质金属的焊接［3］。

影响FSW接头组织和性能的因素有很多，但大

体上可以分为两大类，即工艺参数（搅拌头转速、焊接速度、搅拌头倾角等）和工程参数（焊接间隙、板厚差、搅拌针偏置量等）。Ramulu等人［4］研究了焊

收稿日期：2018-09-03

基金项目：国家自然科学基金青年项目（51801140）

1试验材料及方法

试验材料为6061－T6铝合金，是Al－Mg－Si合

6·试验与研究·金，T6表示其供货状态为固溶处理＋人工时效，其化学成分见表1。试板尺寸为150mm×60mm×6mm。

表1

6061铝合金化学成分（质量分数）（％）

SiFeCuMnMgCrZnAl

0．537

0．28

0．12

0．16

0．56

0．17

0．11

余量

本试验所用设备型号为X6323A的摇臂铣床。搅

拌针为锥形带螺纹，端部直径4mm，根部直径6

mm，搅拌针长度5．6mm，轴肩内凹，轴肩直径16mm，搅拌头材质H13，搅拌头通过R8夹头与铣床

主轴相连。焊接试验前对母材对接面及上表面用砂纸打磨，然后用丙酮清洗。试板装夹首先通过4个螺纹孔用螺栓与垫板固定，然后把垫板装夹在铣床

工作台的台前夹。

研究搅拌头转速对接头性能影响所用参数为，搅拌头倾角3°，轴肩下压量0．3mm，搅拌针偏置量

0mm，焊接速度50mm/min，转速550r/min，1100

r/min，1460r/min，1860r/min（依次编号R1，R2，R3，R4）；研究搅拌针偏置量对接头性能影响所用参

数为，搅拌头倾角3°，轴肩下压量0．3mm，焊接速度50mm/min，转速1100r/min，搅拌针向前进侧（As）偏置0．3，0．6，1．0，1．5mm（依次编号A1，

A2，A3，A4）。

焊接完成后，取焊缝成形较好的样板，沿焊缝截面方向用线切割机截取40mm×15mm的金相试样，经打磨抛光，然后用w（NaOH）20％水溶液腐蚀，腐蚀完毕用φ（HNO3）25％水溶液擦拭浸蚀表面，以除去污物，最后用清水冲洗，吹干。显微硬度试验

是在型号为MICRO－586的显微硬度计上进行，试验力为2N，持续时间10s，硬度点对称对接面，间隔

1mm，如图1所示。

对接面

610

20

10

图1

显微硬度点分布示意图

拉伸试样垂直于焊缝方向用线切割机截取，每种参数下的试样和母材各截取2块拉伸试样，拉伸试样的尺寸及加工要求按照ASTME8－M中的小尺寸

焊接技术第48卷第5期2019年5月

试样，具体尺寸如图2所示。拉伸试验是在电子万能材料试验机上进行，型号为Instron5967，拉伸速率2．5mm/min。观察拉伸试样断口的宏观形貌，并在

型号为JSM－IT300的扫描电镜上观察断口微观形貌。

100

30

3230

60125

6R图2

拉伸试样具体尺寸

2试验结果与讨论2．1

接头显微组织分析

不同搅拌头转速下焊核区显微组织如图3所示。

R1试样焊核区出现孔洞形缺陷，这是由于转速较低

时，由摩擦产生的摩擦热减小，塑性材料的流动性较差，前进侧金属不能被后退侧金属及时补充造成的；转速继续提高到1100r/min和1460r/min时如图3b，c所示，由于转速提高，材料的流动性增强，焊核区的孔洞形缺陷消失；当转速继续提高到1860

r/min时如图3d所示，焊核区虽然没有形成明显的

缺陷，但是焊核区的晶粒大小相对图3b，c有明显的增大，这是由于当转速过高时，热输入过大，焊核区晶粒发生了长大，接头发生局部软化［7-8］。

Defect50μm

50μm

（a）550r/min

（b）1100r/min

50μm

50μm

（c）1460r/min

（d）1860r/min

图3

不同搅拌头转速下焊核区显微组织

不同搅拌针偏置量下焊核区显微组织如图4所示。A1试样焊核区晶粒大小相比0偏置量时晶粒的

WeldingTechnologyVol．48No．5May2019

大小变化不大，这是因为当搅拌针偏置量非常小时，

搅拌针仍处于对接面的中心，对对接面处材料的搅拌作用较强，材料的流动性较好；当偏置量增大到

0．6mm和1．0mm时如图4b，c所示，焊核区的晶粒

大小略有长大，这是因为随着偏置量增大，对接面处材料受的搅拌作用减弱，对接面处的晶粒有明显的被拉长现象；当偏置量继续增大到1．5mm时，如图4d所示，焊核区出现了明显孔洞形缺陷，这是由

于对接面距离搅拌针太远，对接面材料受到的搅拌作用大大减弱，材料流动性太差造成的。

50μm

50μm

（a）0．3mm

（b）0．6mm

Defect50μm

50μm

（c）1．0mm

（d）1．5mm

图4

不同搅拌针偏置量下焊核区显微组织

2．2显微硬度分析

图5，图6分别为不同搅拌头转速以及搅拌针偏置量下接头的显微硬度分布，其中横坐标的正值表示前进侧，负值表示后退侧。从图5可以看出，焊核区由于发生了动态再结晶，形成了细小的等轴晶，所以硬度值较高；热机影响区和热影响区受到的搅拌作用较弱，在热循环的作用下，晶粒发生长大，所以硬度值较低；搅拌头的转速对接头显微硬度值影响规律并不明显，但大体和接头的抗拉强度的变化一致，即接头抗拉强度越高，其硬度也越高。从图6可以看出，随着搅拌针偏置量的增大，接头的显微硬度值也在升高，这是因为搅拌针偏置量增大，搅拌针对对接面的搅拌作用逐渐减小，热输入减小，而且随着搅拌针向前进侧的偏置量增大，高硬度的焊核区也在向前进侧偏移。

·试验与研究·

7

80R175

R2R3R4

V70H度硬65微显605550

-10

-50510

距焊缝中心的距离/mm图5

不同转速下接头的显微硬度分布

80R175R2R370R4

VH度65硬微60显5550

45

-10-50510

距焊缝中心的距离/mm

图6

不同搅拌针偏置量下接头的显微硬度分布

2．3拉伸试验结果及分析

6061铝合金母材及不同试验参数下接头的抗拉

强度取平均值绘制的折线图如图7，图8所示，试验值见表2。

190180

aPM/度170强拉抗160150140400

600

800100012001400160018002000

搅拌头转速/（r·min-1）

图7

不同搅拌头转速下接头的抗拉强度

200180

aP160M/度140强拉抗120100800

0.20.40.60.81.01.21.41.6

搅拌针偏置量/mm

图8

不同搅拌针偏置量下接头的抗拉强度

8·试验与研究·

表2

不同试验参数下接头的抗拉强度/MPa

试样母材R1R2R3R4A1A2A3A4130114811162188158170952

30114619118317018516916882平均值

301

147

190

186

166

187

163

169

88

从图7可看出，接头抗拉强度随着搅拌头转速

的提高，先提高后降低，并在转速为1100r/min时达到最大值190MPa，这是因为转速较低时焊缝区出现了孔洞形缺陷，在拉伸时会产生应力集中，使

得接头抗拉强度较低；当转速提高时，产生的摩擦热逐渐增多，材料的流动性较好，孔洞形缺陷消失，接头强度提高；当转速继续提高时，接头晶粒严重长大，接头软化，导致接头强度降低［9］。

从图8可以看出，当搅拌针向前进侧偏置量小

于1mm时，接头的抗拉强度下降不明显；当搅拌针的偏置量大于1mm时，接头抗拉强度急剧降低，在偏置量为1．5mm时，接头抗拉强度只有88MPa，仅为母材的29％。FSW原理是搅拌头在工件中高速

旋转，通过轴肩和搅拌针与工件的摩擦产生的摩擦热，使材料处于塑性状态，并在搅拌针的搅拌以及轴肩挤压作用下实现材料的连接。当搅拌针发生偏置时，轴肩产生的摩擦热和挤压作用基本不变，但是搅拌针对对接面处材料的搅拌作用发生变化。当偏置量比较小时，搅拌针中心仍然靠近对接面，材料受到的搅拌作用较强，材料流动性较好；当偏置量较大时，对接面处材料受到搅拌针的搅拌作用较弱，材料的流动性较差，并在焊缝区形成孔洞形缺陷，严重影响接头的抗拉强度。

2．4拉伸断口分析

图9为试样R1拉伸断口的宏观形貌及位置，断裂位置位于焊缝区，拉伸断口呈V字形，并且有明

显的“颈缩”现象。

图9

试样R1拉伸断裂位置

图10为不同转速下接头拉伸断口的形貌，从图中可以观察到许多大小不一、深浅不一的韧窝，且有明显的延性棱，说明断口具有良好的塑性。

焊接技术第48卷第5期2019年5月

（a）550r/min（b）1100r/min

（c）1460r/min

（d）1860r/min

图10

不同转速下接头拉伸断口形貌

3结论

（1）当焊接速度一定时，接头的抗拉强度随搅拌头转速的提高，先提高后降低，并且在转速为1100

r/min，焊速为50mm/min时，接头抗拉强度达到最

大值190MPa，为母材抗拉强度的63％。

（2）相比0偏置量时接头的抗拉强度，当偏置

量小于1mm时，接头抗拉强度下降不明显；当偏置量大于1mm，焊缝区出现孔洞形缺陷，接头抗拉强度急剧降低；当偏置量为1．5mm时，接头强度只有

88MPa，仅为母材的29％。

（3）拉伸断口有明显的“颈缩”现象，且断口

有许多大小不一、深浅不一的韧窝以及明显的延性棱，说明接头拉伸断裂模式主要为韧性断裂。

参考文献：

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WeldingTechnologyVol．48No．5

文章编号：1002－025X(2019)05-0009-03

May2019·试验与研究·9

基于静力学仿真分析的活塞式挤压油箱

焊接结构优化设计

韦贯举，汪翔羚，马晓琛，李国强，韩新苗

（北京精密机电控制设备研究所，北京100076）

摘要：我国某运载火箭Ⅰ级伺服系统采用冷气挤压式伺服系统，该系统配套的活塞式挤压油箱是一种气液能源转换装置，将来自上游的高压气体转换为高压液压油，进而为下游伺服作动器提供能源动力。为了适应箭上紧凑安装空间及减重的要求，活塞式挤压油箱采用焊接结构。原理样机阶段，活塞式挤压油箱的焊接结构在强度试验中发生了破坏，针对该情况，文中利用ANSYS静力学分析模块

对活塞式挤压油箱的缸筒和端盖进行了仿真分析，根据仿真分析结果，对端盖进行了优化设计，消除了油箱缸筒与端盖焊接后应力集中的现象，保证了活塞式挤压油箱的整体强度。

关键词：活塞式挤压油箱；静力学分析；焊接结构；优化设计中图分类号：TG407

文献标志码：B

DOI:10.13846/j.cnki.cn12-1070/tg.2019.05.003

设计中的应用进行说明。

0序言围绕固体运载火箭“快速、低成本”的研制目标，针对采用大推力发动机新技术给伺服系统带来的影响，综合分析技术风险、研制周期、研制成本等因素，项目团队提出应急快速发射固体运载火箭I级伺服系统采用高压氦气挤压式液压能源的伺服系

随着计算机和有限元理论的发展，计算机数值分析已经逐渐从科学研究领域走进工业应用领域。作为一个大型的CAE分析软件，ANSYS自20世纪

70年代诞生以来，在各个领域都得到了高度的评价

和广泛的应用［1］。静力学仿真分析是有限元分析（FEM）中最基础、最基本的一个仿真单元，它对于处理复杂几何结构的受力分析非常方便，本文主要就静力学仿真分析在活塞式挤压油箱焊接结构优化

统方案。冷气挤压式伺服能源在国外有很多应用案例，如欧空局的阿里安5号运载火箭，日本的H－Ⅱ型运载火箭等［2］。我国在挤压式伺服系统发展方面，小功率的挤压式伺服系统也有应用，主要应用于战

术导弹导引头天线和位标器（红外头）伺服系统以

收稿日期：2018-08-31

及雷达天线伺服系统当中［3］。我国尚无大功率挤压伺

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作者简介：罗飞翔（1994—），男，在读硕士研究生，主要从事铝合金及镁合金的搅拌摩擦焊研究.