Effect of welding parameters on friction stir process of A356/6061
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摘要:目的
旨在探究焊接工艺参数对A356/6061异种铝合金搅拌摩擦焊接工艺的影响。
方法文中通过对5 mm厚的A356/6061异种铝合金板搅拌摩擦焊工艺试验研究，分析了转速、焊接速度对接头组织和性能的影响。
结果研究结果表明，当转速在1 000～1 150 r/min范围内时，接头横截面均出现未焊透缺陷；随着转速的增大，缺陷程度先减小后增大，而抗拉强度、屈服强度、断后伸长率先增大后减小。当焊接速度在150～200 mm/min范围内时，接头横截面也均出现未焊透缺陷；随着焊接速度的增大，缺陷程度逐渐增大；抗拉强度先减小后增大，但总体呈下降状态；屈服强度先略微减小后增大；断后伸长率逐渐减小。金相组织中观察到的Mg2Si强化相会受到转速和焊接速度的影响而会分布不均。
结论焊接工艺参数会对焊缝组织的强化相、焊缝根部缺陷和焊接接头的力学性能等产生影响。
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关键词:
- 搅拌摩擦工艺 /
- A356/6061异种铝合金 /
- 焊接工艺参数 /
- 焊接缺陷 /
- 力学性能
Abstract:[Objective] The purpose was to study effect of welding parameters on friction stir process of A356/6061 dissimilar aluminum alloy. [Methods] In the paper, experimental research on friction stir welding process of 5 mm thick A356/6061 dissimilar aluminum alloy was conducted to analyze effect of rotational speed and welding speed on microstructure and properties of welded joints. [Results] The research results showed that when rotational speed was within the range of 1 000～1 150 r/min, incomplete penetration defects appeared on the cross sections of welded joints. As rotational speed increased, degree of defects first decreased and then increased, while tensile strength, yield strength and elongation first increased and then decreased. When welding speed was within the range of 150～200 mm/min, incomplete penetration defects also appeared on the cross sections of welded joints. As welding speed increased, degree of defects gradually increased, tensile strength first decreased and then increased, but overall showing a decreasing state, yield strength first slightly decreased and then increased, elongation gradually decreased. Rotational speed and welding speed affected Mg2Si reinforcement phase observed in the metallographic microstructure, resulting in its uneven distribution. [Conclusion] Welding parameters would have effect on reinforcement phase of weld’s microstructure, weld’s root defects and mechanical properties of welded joints.
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0. 前言
搅拌摩擦焊（Friction stir welding, FSW）是英国焊接所于1991年发明的一种固相连接技术[1]。作为一种新型的固相焊接方法，搅拌摩擦焊具有焊接接头中不产生热裂纹、气孔等焊接缺陷的优点[2]。A356铸造铝合金是一种具有优秀综合性能的铸造铝合金，具有优良的热处理性能、加工性能、良好的强度和韧性、良好的导热导电等性能[3]。6061变形铝合金具有优良的焊接性、耐腐蚀性和中等强度，广泛应用于各行的制造业中[4]。随着航空、汽车等制造业的迅速发展，单一铝合金的性能不能满足要求，而搅拌摩擦焊接可以进行不同性能的铝合金焊接。LEE等学者[5]发现：焊缝的材料主要由置于后退侧的材料组成。GHOSH等学者[6]发现低转速和低焊接速度会有更强的结合强度。孙甲尧等学者[7]通过对A356/6061的研究发现：母材的放置位置会对接头的性能产生影响。宋东福等学者[8]发现：当搅拌针在6061侧偏移时，有利于焊核区面积、接头强度及断后伸长率的增加。然而，国内少有人研究焊接工艺参数对A356/6061异种铝合金搅拌摩擦工艺的影响，刀具转速及焊接速度等是生产高强度接头所涉及的主要参数，所以该文将从这2个参数入手研究其工艺。
1. 试验制备与方法
试验铝合金材料为A356和6061铝合金材料，其材料化学成分见表1。材料的尺寸为200 mm×150 mm×5 mm，搅拌加工深度4 mm。
表 1 材料的化学成分（质量分数，%）Table 1. Chemical composition of materials（wt.%）材料 Si Mg Fe Cu Mn Cr Zn Ti 其他 Al A356 7.22 0.39 0.23 0.004 3 0.008 6 0.016 0.025 0.030 ≤0.15 余量 6061 0.55 0.92 0.40 0.200 0 0.006 1 0.210 0.007 0.014 ≤0.15 余量 根据GB/T 5185—2005《焊接及相关工艺方法代号》标准，利用线切割对焊接板材沿垂直于焊缝方向切出金相组织和拉伸试样，如图1所示。拉伸试样尺寸如图2所示。金相组织首先按照顺序从400号、800号、
1500 号和3000 号砂纸进行机械打磨，使用金刚石抛光膏进行抛光，再使用0.5%HF酸溶液对试样进行腐蚀，最后使用DMM-490C金相显微镜观察组织。SEM将通过金相组织的试样利用JSM-7600F电子显微镜进行扫描。拉伸试验在C45.105EY力学性能测试机上进行。2. 试验结果与分析
2.1 金相组织及SEM组织
图3为母材及不同焊接工艺参数下焊缝金相组织。可知图中出现许多细小的黑点，这是A356和6061的主要强化相Mg2Si。由图3可知，母材的强化相的分布相比于焊缝，更加均匀和密集，根据铝合金材料搅拌摩擦焊接的工艺特性，取焊接速度为200 mm/min、转速为1 000～1 150 r/min。当搅拌头的焊接速度不变时，随着搅拌头转速的增大，焊缝强化相分布更加密集，但是过大的转速导致其均匀分布的现象出现减弱的趋势。增大搅拌头的转速可以有效地增加搅拌头对强化相的挤压、搅拌和剪切的概率，但是当搅拌头的转速过大时，加工区的温度因摩擦产热量过大而升高，这导致其温度大于强化沉淀相的熔解温度，强化相部分熔解于基体中，从而使强化相密集程度减小[9]。当转速恒定不变时，随着焊接速度的增大，其强化相的均匀分布程度减弱。搅拌头的行进速度增大也导致搅拌头对单位体积内第二相颗粒的挤压、搅拌和剪切的概率大大降低，从而不利于增强相的均匀弥散[10]。
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图 3 母材及不同焊接工艺参数下焊缝金相组织Figure 3. Metallographic microstructure of base metal and weld under different welding parameters. (a) A356; (b) 6061; (c) 1 150 r/min-200 mm/min; (d) 1 150 r/min-175 mm/min; (e) 1 150 r/min-150 mm/min; (f) 1 100 r/min-200 mm/min; (g) 1 000 r/min-200 mm/min由图3可以看到不同焊接工艺参数下焊缝的根部均出现裂纹，这是一种“吻接”的未焊透缺陷[11]。利用电子显微镜对焊缝根部进行扫描，结果如图4所示。周平等学者[12]通过对6062-T6铝合金的研究发现：随着焊接速度的增大，其根部缺陷越严重，进而影响抗拉强度。同样，根据铝合金材料搅拌摩擦焊接的工艺特性，取转速为1 150 r/min、焊接速度为150～200 mm/min。由图4可以看出，当转速保持不变的情况下，随着焊接速度的增大，其焊接缺陷越来越明显，且150 mm/min焊接速度下缺陷呈断续状。原因是当焊接速度较低时，其热输入高，温度高，搅拌头顶端到焊缝根部材料热塑性好，在搅拌头的作用下材料能较好的填充被带走的材料空隙，焊接速度增加，热输入减小，热塑性降低，材料不易流动，导致缺陷越明显。而在保持焊接速度不变的情况下，随着转速的增大，其焊接缺陷程度先降低再升高。原因是转速过低或过高对焊缝根部的抽吸挤压效应均减弱，根部塑性材料没有足够的驱动力在纵向上迁移，只有在转速适中时，焊缝根部塑性金属才能充分流动迁移[13]。
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图 4 不同焊接工艺参数下焊缝根部裂纹Figure 4. Cracks at the root of weld under different welding parameters. (a) 1 150 r/min-200 mm/min; (b) 1 150 r/min-175 mm/min; (c) 1 150 r/min-150 mm/min; (d) 1 100 r/min-200 mm/min; (e) 1 000 r/min-200 mm/min2.2 拉伸试验
图5为母材试样的应力−应变曲线图，其具体数值整理结果见表2。图6为焊接接头的应力−应变图，其数值同样整理结果见表3。
表 2 母材力学性能Table 2. Mechanical properties of base metal母材 屈服强度
ReH/MPa抗拉强度
Rm/MPa断后伸长率
A(%)A356 277.84 313.88 13.843 6061 273.55 307.52 12.923 表 3 焊接接头力学性能Table 3. Mechanical properties of welded joints编号 屈服强度
ReH/MPa抗拉强度
Rm/MPa断后伸长率
A(%)焊接系数
η(%)1 185.42 249.85 2.215 81.24 2 180.81 244.24 2.326 79.42 3 181.32 253.83 2.654 82.54 4 185.55 255.95 2.526 83.23 5 179.53 245.19 2.298 79.73 结合图5、图6和表2、表3可知，焊缝的力学性能均低于母材，主要原因是热影响区受热输入影响，平均晶粒尺寸随热输入增大而增大，且热力影响区存在较高的残余应力，这些都会造成接头力学性能下降[14]。其中焊缝的断后伸长率明显低于母材，LIM等学者[15]通过对比A356/6061异种铝合金和A356单种铝合金发现：异种铝合金异常低的延展性可能与其相中存在的针状Si颗粒有关。
在转速不变的情况下，在焊接速度为150～200 mm/min时，接头抗拉强度呈现出先减小后增大、但整体上随焊接速度的增大而降低的现象。接头断后伸长率随焊接速度的增大逐渐减小。由SEM图分析可知，当焊接速度增大时，焊接缺陷越明显，进而导致抗拉强度和断后伸长率越低；焊接速度越大，热输入越小，增强相熔解的越少，材料的软化程度越轻，导致接头的屈服强度和抗拉强度在焊接速度175～200 mm/min范围内会有所提升。
焊接速度保持不变，转速为1 000 r/min时，抗拉强度为245.19 MPa；转速为1 100 r/min时，抗拉强度为255.95 MPa；转速在1 150 r/min时，抗拉强度为249.85 MPa。屈服强度、断后伸长率随转速的增大先增大后减小。原因是转速增大，热输入变大，材料热塑性好，焊缝缺陷越小，而由上节分析可知，过大的转速又会使缺陷明显，戴启雷等学者[16]在对6062铝合金的研究中也同样出现此现象。可知转速在1 000～1 150 r/min范围内出现最优的焊接转速参数，其焊接系数达母材的83.23%。
3. 结论
（1）转速和焊接速度会对强化相的分布产生影响，转速增大会有利于其分布更加均匀，但转速过大却会使温度超过强化相的熔点，从而减少强化相。焊接速度增大却会减弱强化相的均匀分布程度。
（2）焊接缺陷程度随转速增大呈现先减小后增大的趋势，而随焊接速度的增大越来越明显。
（3）焊缝的抗拉强度、断后伸长率等力学性能在焊接速度不变的情况下，会出现最优的转速；在转速不变的情况下，随焊接速度增加，抗拉强度、断后伸长率总体呈下降状态。
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图 3 母材及不同焊接工艺参数下焊缝金相组织
Figure 3. Metallographic microstructure of base metal and weld under different welding parameters. (a) A356; (b) 6061; (c) 1 150 r/min-200 mm/min; (d) 1 150 r/min-175 mm/min; (e) 1 150 r/min-150 mm/min; (f) 1 100 r/min-200 mm/min; (g) 1 000 r/min-200 mm/min
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图 4 不同焊接工艺参数下焊缝根部裂纹
Figure 4. Cracks at the root of weld under different welding parameters. (a) 1 150 r/min-200 mm/min; (b) 1 150 r/min-175 mm/min; (c) 1 150 r/min-150 mm/min; (d) 1 100 r/min-200 mm/min; (e) 1 000 r/min-200 mm/min
表 1 材料的化学成分（质量分数，%）
Table 1 Chemical composition of materials（wt.%）
材料 Si Mg Fe Cu Mn Cr Zn Ti 其他 Al A356 7.22 0.39 0.23 0.004 3 0.008 6 0.016 0.025 0.030 ≤0.15 余量 6061 0.55 0.92 0.40 0.200 0 0.006 1 0.210 0.007 0.014 ≤0.15 余量 
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表 2 母材力学性能
Table 2 Mechanical properties of base metal
母材 屈服强度
ReH/MPa抗拉强度
Rm/MPa断后伸长率
A(%)A356 277.84 313.88 13.843 6061 273.55 307.52 12.923
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表 3 焊接接头力学性能
Table 3 Mechanical properties of welded joints
编号 屈服强度
ReH/MPa抗拉强度
Rm/MPa断后伸长率
A(%)焊接系数
η(%)1 185.42 249.85 2.215 81.24 2 180.81 244.24 2.326 79.42 3 181.32 253.83 2.654 82.54 4 185.55 255.95 2.526 83.23 5 179.53 245.19 2.298 79.73
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