0 前言
随着全球能源的日益匮乏，交通运输、航空航天等领域的结构轻量化成为发展方向[1]。在强度较高而质量较轻的铝合金等逐渐取代传统材料的同时，能够降低结构重量的新型工艺技术也得到普遍重视。铝合金目前主要以焊接或铆接的方式进行连接[2-3]。在车体生产过程中，铝合金的连接广泛采用电阻点焊的方法，但电阻点焊在焊接铝合金时易出现缺陷，存在质量不稳定、焊接成本高、工作坏境差等局限性。而铆接既使生产工艺复杂，成本较高，又会增加结构件的重量[4]。
搅拌摩擦点焊因其焊接接头质量高、环保节能等优点，受到广泛关注。在汽车制造、航空航天等领域，有希望取代传统的电阻点焊和铆接技术[6-9]。然而常规的搅拌摩擦点焊因为搅拌针的存在，焊接接头在焊后会留下匙孔。匙孔的存在影响焊接接头外观及力学性能。因而，人们研发了分步回填搅拌摩擦点焊的工艺方法，来避免产生匙孔[10-13]。
通过对1060铝合金的分步回填搅拌摩擦点焊工艺试验，文中分析了在不同的搅拌头转速下点焊接头的显微组织与力学性能。
1 焊接试验与工艺参数
试验焊接试件为1060铝合金，尺寸为长100 mm，宽30 mm，厚度2 mm的试板，化学成分见表1。在进行焊接试验之前，首先去除铝合金试件表面的氧化膜，而后用丙酮试剂擦除油污等，最后进行焊接试验。
表1 1060铝合金化学成分(质量分数，%)
CuSiFeMnMgZnTiAl0.050.250.350.030.030.10.03余量
分步回填搅拌摩擦点焊试验中，采用搭接接头形式，搭接面积为40 mm×30 mm，焊点位于搭接区域中心，如图1所示。焊接工艺试验分为下压阶段与回填阶段，其焊接过程如图2所示。在下压阶段，试验采用的是带有搅拌针的搅拌头，搅拌头所用材料为SKD61热作模具钢，其主要尺寸见表2。在回填阶段，试验采用不带搅拌针的搅拌头，搅拌头所用材料为SKD61热作模具钢，轴肩直径与下压阶段所用搅拌头相同，为18 mm。试验在回填阶段的主要焊接工艺参数见表3。
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表2 搅拌头几何尺寸
轴肩直径D/mm搅拌针形状搅拌针直径d/mm搅拌针长度l/mm18圆柱5.302.35
图1 分步回填搅拌摩擦点焊搭接示意图
图2 分步回填搅拌摩擦点焊示意图
表3 焊接试验主要工艺参数
搅拌头转速w/(r·min-1)搅拌针停留时间t/s轴肩下压量h/mm下压速度v/(mm·min-1)1 00050.221 25050.221 50050.221 75050.222 00050.22
2 焊接接头成形及显微组织
不同搅拌头转速下的分步回填无匙孔搅拌摩擦点焊接头成形如图3所示，其中，左侧为下压面(在下压阶段轴肩接触的一面)，右侧为回填面(在回填阶段轴肩接触的一面)。从图3可以看出，搅拌头转速在1 000 r/min时，搅拌头转速较低，在此转速下焊接过程摩擦产热低，搅拌头容易发生粘铝，因而回填面表面粗糙，匙孔难以完全填满。随后将搅拌头转速增加，成形逐渐变好，当搅拌头转速达到1 500 r/min时，焊接接头匙孔能够填满，达到了预期要求，且表面光滑美观，成形良好，无明显飞边、毛刺等缺欠。此后，将搅拌头转速继续增加，焊接接头表面成形良好，无毛刺飞边等缺欠，但当搅拌头转速达到2 000 r/min时，由于搅拌头转速过高，摩擦产生的热输入过大，表面金属材料达到热塑性流动状态，金属材料很大一部分挤到回填面周围，形成一圈较高的外缘，金属材料并不能充分向匙孔填充，导致匙孔未能填满。
图4是当搅拌头转速为1 500 r/min时的横截面宏观形貌及其显微组织图。如图4可知，焊接接头可分为混合区(MZ)、热机影响区(TMAZ)、热影响区(HAZ)和母材(BM)四个区域。
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由图4a可以看出，当搅拌头转速为1 500 r/min时，达到热塑性状态的焊接区的金属材料有足够的时间向匙孔填充，所以搅拌头转速为1 500 r/min的试样匙孔被完全填满。匙孔被完全填满，在匙孔部分的金属材料与垫板接触充分，能够提供搅拌摩擦点焊所需的顶锻力。但在匙孔的内壁边缘处贴近于下压面的地方仍有少许未焊合的部分，这是由于在回填阶段所用的搅拌头为不带搅拌针的搅拌头，与垫板紧挨的下压面所受的热作用来自于搅拌头与回填面接触摩擦产生的热量，从回填面通过热传递的作用传到下压面的过程中，大部分热量向四周散掉，并不能提供足够的热量使填充到匙孔内的金属材料与周围的匙孔内壁达到焊合。在搅拌头搅拌作用下，处于点焊接头中心处的混合区，迅速升温并产生较大的塑性变形，进行动态再结晶，组织向细小的等轴晶转变，如图4c所示。与接头中的其他区域相比较，热机影响区组织变化最为剧烈，该区经历了高温和变形的共同作用，发生较大的变形，而且在热循环作用下，发生回复再结晶，形成了回复再结晶晶粒，如图4e所示。热影响区的晶粒较母材出现了晶粒长大的现象。
图3 不同转速下点焊接头外观成形
图4 焊接接头各区域显微组织
3 力学性能
将搅拌头转速为1 500 r/min时得到的焊接接头试样，在自动转塔显微硬度计(MICRO-586)上进行硬度测试，采用0.2 kg的试验力，保持10 s。图5为焊接接头横截面上平行于下压面处测得的显微硬度值分布图，测量点间隔0.5 mm，下压面在上，回填面在下。从图中可以看出，焊接接头水平方向硬度值分布呈“W”形。从母材开始，硬度值随着与焊核中心距离的减小而降低，热影响区的硬度值最低，最终到焊核区时，硬度有所提升。这是由于在热影响区内温度的作用下，组织发生软化，强度降低。因为发生动态再结晶，焊核区晶粒较为细小，因此硬度比热影响区有所提高[14]。由此可知，接头的薄弱环节应在热影响区附近。
焊接接头为搭接形式，在常温条件下，将5组不同搅拌头转速下得到的焊接接头试样，使用INSTRON1186力学性能试验机进行拉伸测试，以拉伸试样的抗剪切载荷表征焊接接头的拉剪性能。抗剪切载荷即为三个拉伸试样从开始拉伸到断裂所受到的最大剪切力的平均值。图6为搅拌头转速与接头抗剪切载荷的关系。如图6所示，随搅拌头转速的升高，焊接接头的抗剪切载荷先升高后降低。搅拌头转速为1 500 r/min时焊接接头的抗剪切载荷最高，达到5.25 kN。而转速过高或过低时抗剪切载荷均比转速为1 500 r/min时低，且搅拌头转速为1 500 r/min时，不同试样之间的误差较小，试验结果比较稳定，而转速过高或过低时试样的试验结果离散度较大，试验结果不如转速为1 500 r/min的试样稳定。分析认为，当搅拌头转速过低时，较低热输入下达到热塑性流动状态的金属材料，粘度较高，流动性较差，难以填满整个匙孔，存在未熔合的缺陷，因而抗剪切载荷较低；而搅拌头转速过高时，热输入过大导致金属材料流动性太好，使得金属材料向回填面的四周蔓延形成一圈较高的外缘，金属材料造成很大浪费，并非有效的向匙孔填充，导致匙孔不能填满，且回填面有明显的减薄现象，承载能力下降，所以抗剪切载荷较低[15]。
图5 接头显微硬度分布
图6 搅拌头转速与接头载荷的关系
图7为搅拌头转速为1 500 r/min的拉伸试样的断裂特征。由图7可以看出，试样在拉断之前发生了明显的宏观塑性变形，断裂形式为韧性断裂，且均断裂在回填面的热影响区，与硬度测试中热影响区强度偏低的结论相吻合。
图7 拉伸试样断裂特征
4 结论
通过选择合适的搅拌头及工艺参数，可以实现1060铝合金分步回填搅拌摩擦点焊连接。通过对不同焊接工艺参数下的接头性能与组织等进行分析，得到以下结论：
(1)采用分步回填的方法，在合适的焊接工艺参数下，可以获得无匙孔搅拌摩擦点焊接头，且焊接接头无毛刺、飞边等缺欠，表面成形良好。
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(2)通过显微组织分析可知，分步回填搅拌摩擦点焊焊接接头可分成四个区域：混合区(MZ)、热机影响区(TMAZ)、热影响区(HAZ)以及母材(BM)。其中热机影响区组织变化剧烈，晶粒粗大且发生不规则变形，混合区上下两端较宽中间较窄，呈哑铃状，热影响区晶粒发生长大现象。
(3)在焊接接头横截面水平方向的显微硬度曲线呈现“W”形分布，热影响区的硬度最低，组织发生软化，强度最低，为接头薄弱区域；混合区硬度较高，与母材相近。当搅拌头转速为1 500 r/min时，接头抗剪切载荷为5.25 kN，此时抗剪性能最佳。在拉伸试验中，拉伸试样均断在回填面热影响区附近应力集中部位，且均为韧性断裂。
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