Synergistic Double-sided Friction Stir Welding of 6061 Aluminum Alloy

协同双面搅拌摩擦焊接6061铝合金工艺 Synergistic Double-sided Friction Stir Welding of 6061 Aluminum Alloy 1 first-author 唐益爽（2000—），女，硕士研究生，主要从事搅拌摩擦焊的研究。 唐益爽（2000—），女，硕士研究生，主要从事搅拌摩擦焊的研究。 1 1 corresp 李文亚（1976—），男，博士，教授，主要从事固相连接与表面工程技术的研究。E-mail：Liwy@nwpu.edu.cn。 李文亚（1976—），男，博士，教授，主要从事固相连接与表面工程技术的研究。E-mail：Liwy@nwpu.edu.cn。 Liwy@nwpu.edu.cn 2 3 4 4 西北工业大学 凝固技术国家重点实验室 陕西省摩擦焊接工程技术重点实验室,陕西 西安 710072 西北工业大学 凝固技术国家重点实验室 陕西省摩擦焊接工程技术重点实验室,陕西 西安 710072 State Key Laboratory of Solidification Processing, Shaanxi Key Laboratory of Friction Welding Technologies, Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710072, China State Key Laboratory of Solidification Processing, Shaanxi Key Laboratory of Friction Welding Technologies, Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710072, China 北京索德瀚智能科技有限公司,北京 100089 北京索德瀚智能科技有限公司,北京 100089 Beijing Solidwel Intelligent Technology Co., Ltd., Beijing 100089, China Beijing Solidwel Intelligent Technology Co., Ltd., Beijing 100089, China 西安航天发动机有限公司,陕西 西安 710100 西安航天发动机有限公司,陕西 西安 710100 Xi'an Aerospace Engine Co., Ltd., Xi'an 710100, China Xi'an Aerospace Engine Co., Ltd., Xi'an 710100, China 南京晨光集团有限责任公司,江苏 南京 210006 南京晨光集团有限责任公司,江苏 南京 210006 Nanjing Chenguang Group Co., Ltd., Nanjing 210006, China Nanjing Chenguang Group Co., Ltd., Nanjing 210006, China 针对常规顺序双面搅拌摩擦焊接（DS-FSW）的变形大、耗时长等问题，提出了一种协同双面搅拌摩擦焊接（SDS-FSW）技术，并通过研制的设备研究了SDS-FSW 6061铝合金接头的微观组织和力学性能。结果表明，当主轴转速为1 800 r/min，焊接速度为1 200 mm/min时，SDS-FSW焊接接头缺陷较相同焊接参数下DS-FSW接头的有所改善；在该焊接参数下，SDS-FSW接头的变形量（0.15 mm）远小于DS-FSW接头的变形量（1 mm），且接头的拉伸性能更好，SDS-FSW和DS-FSW接头的最大拉力分别为36.8 kN和34.9 kN。 In this study, aiming at solving the problems of large deformation and time-consuming of conventional double-sided friction stir welding (DS-FSW), synergetic double-sided FSW (SDS-FSW) was proposed. The microstructure and mechanical properties of the SDS-FSW 6061 aluminum alloy joints were studied by the developed special equipment. The results show that when the rotational speed is 1 800 r/min and the traverse speed is 1 200 mm/min, compared with the DS-FSW joint, the defects of the SDS-FSW joints are improved under the same welding parameters. The deformation of the SDS-FSW joint (0.15 mm) is much smaller than that of DS-FSW joint (1 mm) at this welding parameter. And the tensile performance of the SDS-FSW joints is better. The maximum tensile forces of SDS-FSW and DS-FSW joints are 36.8 kN and 34.9 kN, respectively. 双面搅拌摩擦焊接 协同双面搅拌摩擦焊接 6061铝合金 微观组织 力学性能 conventional double-sided friction stir welding synergistic double-sided friction stir welding 6061 aluminum alloy microstructure mechanical properties 前言 1 铝合金的大量使用是实现汽车轻量化与节能减排的有效手段之一，其中铝合金的连接是其关键工艺 ［ 1 1 ］ 。目前汽车用铝合金的连接方式主要有点焊、弧焊、激光焊、自冲铆接等 ［ 2 2 - 3 3 2-3 ］ 。但电阻点焊等传统熔化焊接的接头内部易产生孔洞及热裂纹等缺陷，而自冲铆接主要是用于汽车车身的连接 ［ 4 4 ］ 。 搅拌摩擦焊接（Friction stir welding，FSW）作为一种新型的固相连接技术，有效地解决了铝合金传统熔化焊中存在的冶金问题，已被广泛应用于铝合金构件焊接 ［ 5 5 - 8 8 5-8 ］ 。协同双面搅拌摩擦焊接（Synergistic double-sided friction stir welding，SDS-FSW）技术2009年由日本三菱日立制铁机械株式会社申请了相关专利 ［ 9 9 ］ ，该专利采用双搅拌头在工件两面同时焊接，实现上搅拌头和下搅拌头对工件上、下面的同步搅拌。应用SDS-FSW方法可以在很大程度上解决中厚板焊接时存在的变形和易产生组织缺陷问题，且SDS-FSW焊接设备受力对称，可以延长其使用寿命。但目前国内的研究主要是常规顺序双面搅拌摩擦焊（Conventional double-sided friction stir welding，DS-FSW），XU等 ［ 10 10 ］ 采用DS-FSW焊接7085－T7452铝合金，发现DS-FSW工艺可以显著细化晶粒。陈红等 ［ 11 11 ］ 采用DS-FSW焊接了20 mm厚的6A02铝合金，当针长与压入量匹配合适时，获得了拉伸、弯曲与疲劳性能良好的接头。然而， DS-FSW方法需要先完成一面的焊接，然后翻转工件焊接另一面，对夹具要求很高，在焊接另一面时还需要磨削第一次焊接表面；并且DS-FSW工艺经历了两次热循环，变形较大，不利于在工业生产中大量应用。 本文采用SDS-FSW协同双面搅拌摩擦焊接技术并研发相应设备，将其应用于6061铝合金的焊接，并与DS-FSW进行对比，以期解决DS-FSW存在的相关问题。 试验材料与方法 1 试验材料及设备 2 由于文中被焊接的新能源汽车用铝合金型材（含加强筋结构）焊缝处厚度约为8 mm，同时考虑到结构需要（不需焊透），本研究采用8 mm厚的6061铝合金板代替铝合金型材开展基础工艺研究，工件尺寸为300 mm×100 mm，两面焊接深度各约3 mm。焊接设备由本课题组和北京索德瀚智能科技有限公司合作开发，如 图1 图1 a所示，搅拌头采用H13钢加工，轴肩直径12 mm，搅拌针长度3 mm，搅拌针直径4 mm，M4螺纹，搅拌头外观如 图1 图1 b所示。 （a）设备　　　　　　　　　（b）搅拌头 试验方法 2 焊接工艺参数如 表1 表1 所示。初步研究了焊接速度变化时SDS-FSW接头的组织与性能，并选择较优的工艺参数与DS-FSW的接头进行对比。两种工艺的焊接过程示意如 图2 图2 所示，SDS-FSW的两个搅拌头沿同一方向旋转并同时移动，而DS-FSW在完成一面的焊接以后将板材翻转，再进行另一面的焊接。两种焊接工艺中所使用的搅拌头相同，焊接匙孔均位于同一侧。 编号 焊接速度/（mm·min -1 ） 主轴转速/（r·min -1 ） 焊接方法 1# 1 000 1 800 3 SDS-FSW 2# 1 200 1 800 3# 1 500 1 800 4# 1 200 1 800 DS-FSW 1,2; 焊接结束后，采用塞尺法测量工件的变形量。然后根据 图3 图3 所示位置进行取样。在光学显微镜（OM）下观察焊缝不同区域的组织特征。采用材料试验机INSTRON 3382进行拉伸试验，并采用扫描电子显微镜（SEM）观察拉伸断口形貌特征。 试验结果与分析 1 宏微观组织 2 不同焊接工艺参数下6061铝合金接头的截面组织如 图4 图4 所示。由图可知，试样中焊缝均呈“哑铃”型，所有接头的横截面根据热循环和塑性变形的程度，可分为四个典型区域：搅拌区（SZ）、热力影响区（TMAZ）、热影响区（HAZ）和母材（BM），如 图4 图4 b所示。接头中前进侧热力影响区与搅拌区的界线较后退侧明显，这是各区域材料塑性流动速度存在差异导致的。需要注意的是，由于结构需要，板厚中心出现一定未焊透。此外，接头内部出现了S线（图中蓝色虚线）。 （a）1# SDS-FSW接头；（b）2# SDS-FSW接头；（c）3# SDS-FSW接头；（d）4# DS-FSW接头；（e）图（b）红色方框内的局部放大图；（f）图（d）红色方框内的局部放大图 对比不同焊接速度下的宏观形貌，可知不同焊速下SDS-FSW接头焊缝形貌基本保持一致，适当增大焊速降低热输入对焊缝的影响较小。进一步观察分析发现，对比DS-FSW接头，在相同的焊接参数下，SDS-FSW接头的S线更短，板厚中心未焊合区长度减小，且未焊合部分与搅拌区的过渡更加平滑。这可能是由于SDS-FSW接头在单位时间内经历的温度更高，使得SDS-FSW接头的温度分布更均匀，材料流动更充分，从图 4 4 e、 4 4 f也可以看出这一点。 焊接变形 2 焊接变形是影响焊接质量的重要因素。焊接变形增大不仅会增加后续的矫正工作量，提高成本，严重时甚至会导致工件开裂，难以校正。如 图5 图5 所示，焊后使用塞尺测量工件匙孔附近的间隙值，当主轴转速1 800 r/min，焊接速度1 200 mm/min时，SDS-FSW接头和DS-FSW接头的变形量分别为0.15 mm和1 mm。可见SDS-FSW接头的变形量明显小于DS-FSW接头，产生这种现象的原因是DS-FSW接头经历了非对称的两次加热和冷却过程，而SDS-FSW接头对称的焊接过程抵消了部分变形，且接头只经历了一次加热和冷却过程。结果表明，SDS-FSW不仅可以缩短焊接时间，提高工作效率，还可以有效控制焊后变形。 拉伸性能 2 不同焊接参数下SDS-FSW接头的拉伸性能如 图6 图6 所示。当主轴转速为1 800 r/min时，随着焊接速度的增加，拉伸力呈先增大再减小的趋势。但总的来说，变化幅度不大，在10%以内，说明SDS-FSW具有较好的工艺稳定性。当焊速为1 200 mm/min时，SDS-FSW最大拉伸力为36.8 kN。在该焊接参数下，DS-FSW接头的拉伸力为34.9 kN，比SDS-FSW接头的拉伸性能差。出现该现象的原因可能是与SDS-FSW接头相比，DS-FSW接头的未焊合区域更大，导致拉伸过程中接头的有效承载面积减小，且由于单位时间内经历的温度更低，导致搅拌区底部材料塑性流动不够充分，出现了孔洞缺陷，进一步加速了拉伸过程中裂纹的扩展。 当主轴转速1 800 r/min、焊接速度1 200 mm/min时，DS-FSW和SDS-FSW接头的拉断试样如 图7 图7 所示，由图可知，断裂均从未焊合区开始，该截面的抗拉力最小。此外由于DS-FSW接头中搅拌区底部存在孔洞缺陷，因此随着拉伸力的增加，在裂纹沿着接头薄弱区延伸的同时，还在DS-FSW接头搅拌区底部出现了与外部载荷方向平行的次生裂纹。 1;2; 当主轴转速1 800 r/min、焊接速度1 200 mm/min时，DS-FSW和SDS-FSW接头的拉伸断口微观形貌如 图8 图8 、 图9 图9 所示。由图可知，拉伸断口中部较为平滑，塑性变形小，属于脆性断裂，上、下部分出现韧窝，表现出韧性断裂特征。且与SDS-FSW接头相比， DS-FSW接头的脆性断裂区更宽。对于面心立方结构的铝合金，由于塑性滑移系较多且易出现多系滑移，拉伸断裂时一般属于韧性断裂，而在本研究中，焊缝中部出现了明显的脆性断裂特征，是由于在焊接过程中，搅拌针没有穿透该区域（板厚为8 mm，搅拌针长度为3 mm）。 结论 1 本文对6061铝合金SDS-FSW工艺进行了初步研究，并与DS-FSW工艺进行了对比，得出以下主要结论： （1）在相同的焊接参数下，SDS-FSW接头的缺陷对较DS-FSW接头有所改善。 （2）SDS-FSW方法不仅可以缩短焊接时间，还可以有效控制焊后变形。当主轴转速1 800 r/min，焊接速度1 200 mm/min时，SDS-FSW接头和DS-FSW接头的变形量分别为0.15 mm和1 mm。 （3）当主轴转速为1 800 r/min、焊接速度为1 200 mm/min时，SDS-FSW和DS-FSW接头的最大拉伸力分别为36.8 kN和34.9 kN。 参考文献 刘贞山 ， 李英东 ， 赵经纬 ， 等 . 汽车轻量化用铝合金材料及应用技术的研究 ［J］. 中国材料进展 ， 2022 ， 41 （ 10 ）： 786 - 795，807 . 汽车轻量化用铝合金材料及应用技术的研究 LIU Z S ， LI Y D ， ZHAO J W ， et al . 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