6063铝合金搅拌摩擦焊接头性能及组织分析

《高强铝合金搅拌摩擦焊接机理及接头性能调控》篇一一、引言高强铝合金因具有优异的力学性能、抗腐蚀性以及轻质等特点，广泛应用于航空航天、汽车制造、轨道交通等关键领域。

随着制造业的飞速发展，对高强铝合金连接技术的要求也越来越高。

其中，搅拌摩擦焊接作为一种新型的固相连接技术，因其工艺简单、接头质量高、对环境友好等优点而备受关注。

本文旨在深入探讨高强铝合金搅拌摩擦焊接的机理及其接头性能的调控方法。

二、搅拌摩擦焊接的机理搅拌摩擦焊接是通过摩擦热和塑性流动实现焊接的。

具体来说，焊接过程中，搅拌头的高速旋转产生的摩擦热和塑性流动使焊接区域达到热塑性状态，从而实现焊接。

其具体过程包括四个阶段：预压阶段、摩擦阶段、焊接阶段和冷却阶段。

1. 预压阶段：搅拌头下压至预设深度，与待焊工件表面接触并施加一定的压力。

2. 摩擦阶段：搅拌头继续旋转，产生强烈的摩擦热，使局部材料温度升高并发生塑性流动。

3. 焊接阶段：随着搅拌头的继续旋转和前进，焊接区域的材料在高温和压力的作用下逐渐融合在一起。

4. 冷却阶段：焊接完成后，搅拌头停止旋转和前进，焊接区域逐渐冷却凝固。

三、接头性能的调控为了获得高质量的搅拌摩擦焊接接头，需要对焊接过程中的各种参数进行优化和控制，以实现接头性能的调控。

这些参数包括搅拌头的形状和材质、焊接速度、下压力等。

1. 搅拌头的形状和材质：搅拌头的形状和材质对焊接过程和接头性能具有重要影响。

合理的搅拌头形状可以有效地控制材料的流动和热输入，从而获得良好的焊缝成形和力学性能。

此外，搅拌头的材质也应具有良好的耐磨性和耐热性。

2. 焊接速度：焊接速度是影响接头性能的关键参数之一。

过快的焊接速度可能导致热输入不足，使焊缝成形不良；而过慢的焊接速度则可能导致热输入过大，使接头产生过大的残余应力和热影响区。

因此，需要选择合适的焊接速度以获得高质量的焊缝。

3. 下压力：下压力是搅拌摩擦焊接过程中的另一个重要参数。

适当的下压力可以保证搅拌头与工件之间的良好接触，并使材料在焊接过程中发生充分的塑性流动。

搅拌头转速对铝合金双轴肩搅拌摩擦焊接头组织性能影响的研究邓军;赵运强;谭锦红;董春林【摘要】在不同搅拌头转速下对3 mm厚的6063-T4铝合金进行双轴肩搅拌摩擦焊接.结果表明:当焊接速度为200 mm/min时,搅拌头转速在400～700 r/min的范围内,均可获得成形美观、无内部缺陷的接头;随着转速的增加,接头搅拌区范围有所降低,晶粒尺寸有所增大,沉淀相粗化更为明显;同时,热机影响区范围有所增加,晶粒变形更为剧烈,与搅拌区组织的差异更为明显;各区域硬度值均有所降低,热影响区范围也有所增大.当转速为400 r/min时,接头强度达到最高为173MPa,接头强度系数为85％,伸长率18.3％.【期刊名称】《材料研究与应用》【年(卷),期】2017(011)002【总页数】5页(P84-88)【关键词】6063铝合金;双轴肩搅拌摩擦焊;微观组织;力学性能【作者】邓军;赵运强;谭锦红;董春林【作者单位】广东省焊接技术研究所(广东省中乌研究院),广东广州510650;广东省焊接技术研究所(广东省中乌研究院),广东广州510650;广东省焊接技术研究所(广东省中乌研究院),广东广州510650;广东省焊接技术研究所(广东省中乌研究院),广东广州510650【正文语种】中文【中图分类】TG453.9搅拌摩擦焊(Friction stir welding，FSW)是近年来发展起来的新型固相连接技术，与传统熔化焊相比，具有焊接热软化作用小、接头的力学性能高及焊接变形小等诸多优点，现已被广泛应用于铝合金等低熔点金属的焊接．双轴肩搅拌摩擦焊是从常规单轴肩搅拌摩擦焊衍生而来，用上下两个轴肩的搅拌头对工件进行焊接，焊接时搅拌针穿透被焊工件的同时，下轴肩代替常规搅拌摩擦焊的垫板对工件进行背部支撑．该技术不仅可以实现有中空结构部件的搅拌摩擦焊接，而且还可改善接头厚度方向组织的不对称性，消除根部未焊合等常规搅拌摩擦焊的不足，进而改善接头的力学性能[1]．铝合金储量大，其具有比强度高、易于加工等诸多优点，被广泛应用于航空航天、轨道客车及汽车制造等领域中[2-3]．具有中空结构的铝合金型材被大量应用于高铁行业中，而铝合金型材的焊接技术成为高铁车身生产技术的关键．传统的熔化焊存在焊接变形大、接头软化严重的问题，严重降低了产品的可靠性和安全性[4-5]．针对上述问题，本文开展针对铝合金的双轴肩搅拌摩擦研究，通过揭示搅拌头转速这一关键工艺参数对材料接头组织性能影响，从而优化焊接工艺，为双轴肩搅拌摩擦焊的应用推广提供理论基础及技术指导．1.1 试样选用尺寸为3 mm × 50 mm × 300 mm的6063-T4铝合金板材作为被焊材料，其化学成分和力学性能列于表1．1.2 方法所用双轴肩搅拌头为平轴肩配合柱状搅拌针，上下轴肩直径为16 mm、轴肩间隙为2.9 mm、搅拌针直径为8 mm，焊接试验在FSW-3LM-003型龙门式搅拌摩擦焊机上进行．焊前工件经机械打磨后用丙酮擦拭，以去除表面氧化膜及油污．焊接时固定焊接速度为v=200 mm/min，变化搅拌头转速ω=400～800 r/min，在不同的搅拌头转速下对工件进行焊接，以研究不同的搅拌头转速对接头组织及力学性能的影响．焊后沿垂直于焊接方向截取接头的横截面，经打磨和抛光处理后，用混合酸溶液(1 mL氢氟酸+1.5 mL盐酸+2.5 mL硝酸+95 mL水)对试样进行腐蚀，用光学显微镜(OM)对接头微观组织进行分析．在抛光试样的横截面上，沿厚度中线进行显微硬度测试．按照国标GB/T2651-2008焊接接头拉伸测试方法，用数控电火花切割机将接头加工成标准拉伸试样．在不同工艺参数下所获得的接头选取三个拉伸试样，在INSTRON-1186型力学性能测试机上进行拉伸试验，试验结果的平均值作为拉伸性能评价标准，同时用扫描电镜(SEM)对拉伸试验样的断口特征进行分析．2.1 焊缝成形图1为不同搅拌头转速下焊缝表面成形．从图1可见：当转速较低时，焊缝表面成形良好，鱼鳞纹细密均匀(图1(a)和图1(b))；随着转速的增加，鱼鳞纹更加细密，但是在较大的焊接热输入下材料的粘度有所降低，跟随搅拌头的旋转流动的能力有所降低，因此在焊缝后退侧的飞边有所增加(图1(c)和图1(d))；进一步增加焊接转速，较大的焊接热输入造成焊缝金属粘度进一步降低，从而无法很好地跟随旋转搅拌头进行流动，此时前进侧所产生的瞬时空腔无法获得很好的回填，最终滞留在焊缝后退侧的塑性金属形成了较大飞边，在焊缝前进侧形成了明显的沟槽缺陷(图1(e)和图1(f))．2.2 接头的微观组织不同搅拌头转速下接头横截面宏观形貌如图2所示．从图2可见：与单轴肩搅拌摩擦焊相类似，可将双轴肩搅拌摩擦焊接头分为搅拌区(SZ)、热机影响区(TMAZ)和热影响区(HAZ)；由于双轴肩搅拌摩擦焊上下两个轴肩对称的热机作用，最终形成上下表面宽而中间窄的特征，与常规单轴肩搅拌摩擦焊碗装的接头特征相比，这将显著提高接头厚度方向组织的对称性；随着搅拌头转速的增加，搅拌区的范围有所减小，这是由于当搅拌头转速较高时，较高的焊接热输入造成塑性金属粘度较小，能够跟随旋转搅拌头发生塑性流动的塑性金属也较少，因此搅拌区的范围较窄．图3为不同搅拌头转速下接头搅拌区的微观组织．在所选工艺参数内，搅拌区金属经历较大的塑性变形和热输入，发生动态再结晶而形成细小的等轴晶，第二相质点分布在晶界处及基体内．从图3可见，随着转速的增加，冷却时第二相质点析出有所增多，晶界更为明显，而晶粒尺寸变化不大．这是由于转速高时，塑性金属位错密度大，再结晶时形核率高，但较大的热输入使晶粒长大作用更明显，在两种因素的作用下晶粒尺寸变化不大．图4为不同转速下热机影响区的微观组织．从图4可见，随着转速的增加，热机影响区的范围变大，晶粒变形更为剧烈．这主要是由于转速较高时，较大的热输入导致热机影响区的材料软化更为严重，同时搅拌头的搅拌作用也更强烈，因此该区域材料发生更为剧烈的塑性变形．同时热机影响区与搅拌区的组织差异也更为明显，分界线更为清晰．2.3 接头的力学性能2.3.1 显微硬度分布不同转速下接头硬度分布如图5所示．从图5可以看出，硬度曲线大体呈W形，搅拌区硬度值高于热影响区，但低于母材．这是由于搅拌区域内金属组织发生动态再结晶且晶粒细小，因此该区的硬度值高于热影响区的；但由于焊核温度较高，弥散强化相发生粗化，使沉淀强化作用减弱，导致该区的硬度值低于母材的．热影响区受到焊接热作用影响，沉淀相同样粗化并转变为与基体非共格的β相，使沉淀强化作用减弱且晶粒尺寸大于搅拌区的，因此最低硬度值出现在热影响区，成为接头的薄弱环节．与常规搅拌摩擦焊相比，双轴肩搅拌摩擦焊接头热影响区范围更大，达到15～20 mm，随着与焊缝中心距离的增大，材料受热减小，硬度值逐渐增高至与母材等强．从图5还可见，随着搅拌头转速的提高，硬度值有所降低，这是由于搅拌区在较大热输入作用下沉淀相更为粗化，晶粒尺寸有所增加造成的；同样随着搅拌头转速的提高，热影响区范围也有所增大，最低硬度值也略有降低．2.3.2 拉伸性能图6为不同搅拌头转速下接头的抗拉强度及断后伸长率．从图6可见：随着焊接转速的增加，在转速400～700 r/min范围内接头的抗拉强度略有下降，断裂位置均处于前进侧热影响区；伸长率呈现先增大后减小的趋势．当ω=400 r/min时，接头强度达到最高为173 MPa，接头强度系数为85%，伸长率为18.3%；当转速提高到800 r/min时，由于热输入过大，焊缝产生严重沟槽缺陷，接头的力学性能显著下降．(1)当焊接速度为200 mm/min时，搅拌头转速在400～700 r/min的范围内，均可获得成形美观且无内部缺陷的接头．(2)随着转速的增加，接头搅拌区的面积有所降低，晶粒尺寸有所增大，沉淀相粗化更为明显．同时，热机影响区范围有所增加，晶粒变形更为剧烈，与搅拌区组织的差异更为明显．(3)随着转速的增加，搅拌区的硬度值有所降低，热影响区范围也有所增大，最低硬度值略有降低，断裂位置为接头的热影响区．(4)当ω=400 r/min时，接头强度达到最高为173 MPa，接头强度系数为85%，伸长率18.3%．【相关文献】[1] 刘会杰，赵运强，侯军才．自持式搅拌摩擦焊研究[J]．焊接，2010(11)：7-10．[2] 董春林，栾国红，关桥．搅拌摩擦焊在航空航天工业的应用发展现状与前景[J]．焊接，2008 (11)：25-31．[3] 周利，刘朝磊，王计，等．双轴肩搅拌摩擦焊技术研究现状[J]．焊接，2015 (16)：14-18．[4] 张健，李光，李从卿，等．2219-T4铝合金双轴肩FSW与常规FSW接头性能对比研究[J]．焊接，2008 (11)：50-52．[5] 赵衍华，李延民，郝云飞，等．2219铝合金双轴肩搅拌摩擦焊接头组织与性能分析[J]．宇航材料工艺，2012，42(6)：70-75．。

第26卷　第9期2005年9月焊接学报TRANS ACTI O NS OF THE CH I N A W ELD I N G I N STI T UTI O NVol .26 No .9Sep te mber 20056063铝合金搅拌摩擦焊接头冲击断裂分析 柴　鹏,　简　波,　季亚娟,　栾国红 (北京航空制造工程研究所中国搅拌摩擦焊中心,北京　100024)摘　要:以6063铝合金为主要研究对象,简要介绍了铝合金型材的搅拌摩擦焊接工艺及设备,研究了6063-T651铝合金的冲击断裂性能、塑性变形能力及其搅拌摩擦焊接头的微观组织。

研究表明,搅拌摩擦焊接头中为较细的再结晶组织,且强化相呈弥散分布,其冲击断裂性能和塑性变形能力与母材相近。

关键词:6063铝合金型材;搅拌摩擦焊接;冲击韧度中图分类号:TG453 文献标识码:A 文章编号:0253-360X (2005)09-27-04柴　鹏0　序 言6000系列铝合金的高温屈服强度低,挤压成形性能优良,所以轨道车辆中使用的中空挤压型材主要采用6000系铝合金[1]。

其中,6063铝合金强度中等、塑性较好、可挤压成形,故在型材制造中得到了广泛使用。

由于型材挤压设备所限,所以大型铝合金挤压型材一般采用焊接等方法拼接。

但是,采用熔焊方法焊接铝合金材料存在许多问题,如对零件表面氧化膜敏感、裂纹倾向大、易产生气孔等。

对于高速列车用铝合金型材,采用熔焊方法最大的缺点是接头冲击韧度低。

对1999年发生在英国Lad 2br oke Gr ove 的列车相撞事故进行详细调查后,专家建议,在铝型材的焊接中采用搅拌摩擦焊接技术替代熔焊[2]。

搅拌摩擦焊技术(fricti on stir welding,FS W )是由英国焊接研究所于1991年发明的一项固相连接新技术[3]。

搅拌摩擦焊接过程中的主要热量来源是摩擦热与塑性变形能。

焊接起始阶段,由于搅拌头与接头金属之间属于"冷"接触,因而摩擦热起主要作用。

《高强铝合金搅拌摩擦焊接机理及接头性能调控》篇一一、引言随着现代工业的快速发展，高强铝合金因其优异的力学性能、良好的耐腐蚀性以及较低的密度，在航空、汽车、轨道交通等领域得到了广泛应用。

然而，高强铝合金的加工和连接问题一直是制约其进一步应用的难题。

搅拌摩擦焊接作为一种新型的固相连接技术，因其具有焊接过程无污染、接头性能良好等优点，被广泛应用于高强铝合金的连接。

本文旨在探究高强铝合金搅拌摩擦焊接的机理以及接头性能的调控方法。

二、高强铝合金搅拌摩擦焊接机理高强铝合金搅拌摩擦焊接是一种通过摩擦热和塑性变形实现连接的技术。

其基本原理是通过旋转的搅拌针与被焊工件之间的摩擦热，使被焊工件局部达到塑性状态，再通过搅拌针的旋转和移动，使材料发生流动和混合，最终实现焊接。

具体来说，搅拌摩擦焊接过程中，搅拌针的旋转和移动会产生大量的摩擦热，使被焊工件局部温度升高。

当温度达到一定值时，材料开始发生塑性变形。

在搅拌针的旋转和移动作用下，材料发生流动和混合，形成焊缝。

同时，由于搅拌针的旋转和移动，焊缝周围的材料会受到强烈的剪切作用，使焊缝更加致密。

三、接头性能调控为了获得具有良好性能的焊接接头，需要对焊接过程中的参数进行优化和调控。

这些参数包括焊接速度、搅拌针转速、搅拌针形状等。

这些参数的调整将直接影响焊接接头的力学性能、微观结构和耐腐蚀性等。

（一）焊接速度的影响焊接速度是影响焊接接头性能的重要因素之一。

当焊接速度过快时，由于热量输入不足，焊缝可能无法完全熔合，导致接头强度降低。

而当焊接速度过慢时，由于热量输入过多，可能导致材料过热、晶粒粗大等问题，也会降低接头的性能。

因此，需要在合适的范围内调整焊接速度，以获得具有良好性能的焊接接头。

（二）搅拌针转速的影响搅拌针转速是另一个重要的工艺参数。

转速过高或过低都会对接头性能产生不利影响。

当转速过高时，由于热量输入过大，可能导致材料过热、晶粒粗大等问题；而转速过低时，由于摩擦热不足，可能导致焊缝无法完全熔合或混合不均匀。

在当今工业领域，铝合金作为一种重要的结构材料，其焊接技术一直备受关注。

其中，搅拌摩擦焊接是一种先进的焊接方法，能够在不融化材料的情况下实现高强度的焊接接头。

本文将深入探讨铝合金搅拌摩擦焊接接头组织特征，以帮助读者全面理解这一焊接方法的特点。

二、铝合金搅拌摩擦焊接接头组织特征的表现1. 微观组织分析铝合金搅拌摩擦焊接接头的微观组织特征是研究的重点之一。

在接头区域，可以观察到晶粒细化、晶粒再结晶等现象。

还会出现强化相分布不均匀、晶粒取向偏移等情况。

这些微观组织的变化直接影响着接头的性能和稳定性。

2. 组织相分析铝合金搅拌摩擦焊接接头中的组织相也是需要重点关注的对象。

通过金相显微镜等手段，可以发现接头中出现了多种组织相，如固溶相、析出相等。

这些组织相的形成对接头的强度、硬度等性能指标具有重要影响。

3. 动态组织特征在搅拌摩擦焊接的过程中，焊接接头的组织特征还会随着时间和温度的变化而发生相应的动态变化。

这些动态组织特征包括晶粒的再排列、组织相的数量和尺寸的变化等，对于接头的稳定性和可靠性产生着重三、铝合金搅拌摩擦焊接接头组织特征的影响因素1. 工艺参数搅拌摩擦焊接的工艺参数是直接影响焊接接头组织特征的重要因素。

包括搅拌头形状、转速、下压力等参数的变化，都会对接头的组织特征产生显著影响。

2. 材料属性铝合金的成分和性能对于搅拌摩擦焊接接头组织特征也具有重要影响。

不同种类的铝合金，其组织特征会有所差异，需要针对不同材料进行研究和分析。

3. 环境条件焊接过程中的环境条件，如温度、气氛等，也会对接头的组织特征产生一定的影响。

特别是在特殊环境下进行焊接时，需要对组织特征进行更加深入的研究。

四、总结与展望通过对铝合金搅拌摩擦焊接接头组织特征的深入探究，我们能够更全面地了解这一焊接方法的特点。

未来，随着材料科学和焊接技术的不断发展，我们可以预见，对接头组织特征的研究将会更加深入，为铝合金搅拌摩擦焊接技术的进一步改进和应用提供更多的理论支持和实个人观点：铝合金搅拌摩擦焊接作为一种新型的焊接方法，其接头组织特征的研究对于提高焊接接头的质量和性能具有重要意义。

铝合金搅拌摩擦焊接头微观组织及缺陷的金相表征郭海霞【摘要】The metallographic characterization of aluminum alloy friction stir welding joints was introduced and summarized from three aspects:joint low magnification morphology,microstructure characteristics of various regions,and defect characteristics.The results show that there were three kinds of macro morphology,including riverbed style,drum style and kettle mouth style.The microscopic characteristics of the joints could be analyzed from two aspects of recrystallization and second phase distribution.The essence of onion-ring defect was the alternate distribution of unequal size recrystallized grains or different number of disperse phase particles.The Z-shaped line defect was formed by the diffuse distribution of the oxide film on the original interface.The kissing-bond defect and the hook-shaped defect were pseudo connection defects.The hole defect and tunnel-shaped defect were mainly caused by the insufficient heat input during the welding process.%从接头低倍形貌、各区域微观组织特征以及缺陷特征3个方面对铝合金搅拌摩擦焊接头的金相表征进行了介绍和总结.结果表明:接头低倍形貌有河床型、鼓型以及壶嘴型等3种;接头各区域微观特征可从再结晶和第二相分布两个方面进行分析;洋葱环缺陷实质是大小不等的再结晶晶粒或数量不同的弥散析出相质点交替分布而形成的;Z型线缺陷是原始界面上氧化膜弥散分布而形成的;吻接缺陷和钩状缺陷是一种假性连接缺陷;孔洞和隧道型缺陷主要是由焊接过程中热输入量不够而导致的.【期刊名称】《理化检验-物理分册》【年(卷),期】2018(054)006【总页数】7页(P431-437)【关键词】搅拌摩擦焊;铝合金;金相表征;低倍形貌;微观组织;缺陷【作者】郭海霞【作者单位】洛阳船舶材料研究所,洛阳 471023【正文语种】中文【中图分类】TG44搅拌摩擦焊是英国焊接研究所于1991年发明的一种新型固相连接技术，焊接最高温度不超过材料熔点，材料只达到塑性化状态，可避免传统熔化焊容易出现的气孔和热裂纹等缺陷，非常适用于低熔点有色金属如铝合金、镁合金等的焊接。

6063铝合金双轴肩搅拌摩擦焊接头组织性能研究? 6063铝合金双轴肩搅拌摩擦焊接头组织性能研究6063铝合金双轴肩搅拌摩擦焊接头组织性能研究赵运强邓军王春桂董春林(广东省焊接技术研究所(广东省中乌研究院),广州510651) 摘要：进行了3 mm厚6063-T4铝合金双轴肩搅拌摩擦焊接。

结果表明，当搅拌头转速为600 r/min，焊速在100～300 mm/min的范围内，可获得表面成形美观、内部无缺陷的优质接头。

在接头搅拌区内，上、中、下各层硬度分布较为均匀，在热机影响区及热影响区内，上、下层硬度值高于中间层。

热机影响区靠近搅拌区的位置以及热机影响区与热影响区的交界处为接头的两个薄弱位置。

随着焊接速度的增加，接头各区域硬度值以及抗拉强度有着先增大后减小的趋势，所得最优接头抗拉强度为174 MPa，达到母材的87%，断裂位置位于热影响区。

关键词：6063铝合金双轴肩搅拌摩擦焊微观组织力学性能0 序言搅拌摩擦焊(Friction stir welding, FSW)作为一种固相连接技术，与熔化焊相比，具有焊接质量高、焊接变形小、无环境污染等诸多优点，特别适用于铝合金等低熔点金属的焊接[1-2]。

常规搅拌摩擦焊也称为单轴肩搅拌摩擦焊，所采用的搅拌头由单一轴肩和搅拌针组成。

焊接过程中需要对工件背部进行刚性支撑，因此无法实现中空部件的焊接。

双轴肩搅拌摩擦焊所采用的搅拌头具有上、下两个轴肩，下轴肩代替背部垫板对工件进行随焊支撑。

因此，该技术可较好的实现中空部件的焊接[3-4]。

铝合金由于其较高的比强度，被广泛应用于航空航天、轨道客车及汽车制造等领域，其中，大量的铝合金中空型材需要进行焊接。

目前，国内外针对铝合金双轴肩搅拌摩擦焊已进行了一定的研究，主要集中在2000，6000及7000系铝合金[3-6]。

6063铝合金具有较好的塑性和导热性，被大量用于型材的制造。

然而，针对于6063铝合金仅有常规单轴肩搅拌摩擦焊的相关研究，而适用于中空型材焊接的双轴肩搅拌摩擦焊研究仍未见报道。