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精 密 成 形 工 程 第 15 卷 第 9 期 28 JOURNAL OF NETSHAPE FORMING ENGINEERING 2023 年 9 月 收稿日期：2023-07-05 Received：2023-07-05 基金项目：山东省重点研发计划（2019GGX102023）Fund：Key R&D Projects of Shandong Province(2019GGX102023)引文格式：曹高威,王进,孙守義.转速对6061铝合金搅拌摩擦搭接焊接头组织和力学性能的影响J.精密成形工程,2023,15(9):28-36.CAO Gao-wei,WANG Jin,SUN Shou-yi.Effect of Rotational Speed on Joint Microstructure and Mechanical Properties of 6061 Aluminum Alloy Friction Stir Lap Weld JointJ.Journal of Netshape Forming Engineering,2023,15(9):28-36.转速对 6061 铝合金搅拌摩擦搭接焊接头组织和 力学性能的影响 曹高威，王进*，孙守義（青岛理工大学 机械与汽车工程学院，山东 青岛 266520）摘要：目的目的 研究不同转速条件下 6061 铝合金搅拌摩擦搭接焊接头组织和力学性能的变化规律，为工程实践应用提供参考。方法方法 在不同旋转速度（800、1 200、1 500 r/min）下对 4 mm 厚的 6061 铝合金进行搅拌摩擦搭接焊实验，固定进给速度和轴肩下压量，研究搅拌头转速对接头宏观组织、微观组织和力学性能的影响。结果结果 所有接头均没有出现明显缺陷，当转速为 1 500 r/min 时，搅拌区晶粒尺寸细化明显，最大失效载荷达到母材的 75%，上板和下板的硬度曲线都呈“W”形；当转速为 800 r/min 和 1 200 r/min 时，下板硬度曲线呈“V”形。随着转速的增大，有效搭接宽度逐渐增大，接头的平均拉剪强度也在增大，所有接头都在前进侧断裂，断裂形式均为拉伸断裂。结论结论 转速的提升增加了焊接热输入量和机械搅拌作用，促进了有效搭接宽度的增大和晶粒尺寸的细化，但未能改变钩状缺陷的形成及延伸方向。当转速为 1 500 r/min 时，热输入量较大，搅拌区范围相对较大，下板存在更大面积的搅拌区，其硬度规律与上板的相似。所有接头均为拉伸断裂，断裂位置在热影响区附近，说明搭接接头连接良好。关键词：搅拌摩擦搭接焊；6061 铝合金；旋转速度；微观组织；力学性能 DOI：10.3969/j.issn.1674-6457.2023.09.004 中图分类号：TG453+.9 文献标识码：A 文章编号：1674-6457(2023)09-0028-09 Effect of Rotational Speed on Joint Microstructure and Mechanical Properties of 6061 Aluminum Alloy Friction Stir Lap Weld Joint CAO Gao-wei,WANG Jin*,SUN Shou-yi (School of Mechanical and Automotive Engineering,Qingdao University of Technology,Shandong Qingdao 266520,China)ABSTRACT:The work aims to study the changes of joint structure and mechanical properties of 6061 aluminum alloy friction stir lap joint welded under different speed conditions,to provide a reference for the application of engineering practice.Friction stir lap welding experiments were performed on 4 mm thick 6061 aluminum alloy at different rotational speeds,fixed feed speed and the plunge depth of the shoulder,and three groups of parameters 800,1 200,and 1 500 r/min were selected for rotational speed,to study the effects of stirring head rotational speed on the macrostructure,microstructure and mechanical properties of the joint.No obvious defects appeared in all joints.When the rotational speed was 1 500 r/min,the grain size refinement in the stirring zone was obvious,the maximum failure load reached 75%of the base metal,and the hardness curves of both the upper 第 15 卷 第 9 期 曹高威，等：转速对 6061 铝合金搅拌摩擦搭接焊接头组织和力学性能的影响 29 and lower plates were in the shape of W;however,the hardness curve of the lower plate was in the shape of V at 800 r/min and 1 200 r/min.With the increase of the rotational speed,the effective lap width gradually increased,the average tensile shear strength of the joint also increased,all joints were fractured from the advancing side,and the fracture form was tensile fracture.The increase of the rotational speed increases the welding heat input and mechanical stirring effect,which promotes the increase of the effective lap width and the refinement of grain size,but fails to change the formation and extension direction of hook de-fects.The higher heat input at 1 500 r/min results in a relatively larger range of the stirring zone,and the presence of a larger stirring zone in the lower plate makes the hardness law similar to that of the upper plate.All joints are subject to tensile fracture,and the fracture location is near the heat-affected zone,indicating that the lap joints are well connected.KEY WORDS:friction stir lap welding;6061 aluminum alloy;rotational speed;microstructure;mechanical properties 6061 铝合金是一种可热处理强化铝合金，具有良好的加工性能和焊接性能，在车辆运载、航空航天、家电等领域具有广泛的应用1-3。在车辆运载领域，5系与 6 系铝合金是轻量化车体的主要应用材料。由于6061 铝合金具有比热容和热膨胀系数大等特点，在使用传统的熔化焊接方法时，容易产生气孔、夹渣、裂纹等缺陷，影响接头质量和力学性能4-6。搅拌摩擦焊接（Friction Stir Welding，FSW）是一种新型的固相焊接技术，在 20 世纪 90 年代由英国焊接研究所提出，通过旋转的搅拌头与连接材料的摩擦使材料发生剧烈的塑性变形，达到材料连接的目的7-8。这种焊接方法连接工艺简单，工艺适应性好，并且具有热变形小、无污染、接头质量高等优点，经过近 30 年的发展，已经成为连接轻金属材料的主要方法之一9-12。搅拌摩擦焊搭接接头是除对接接头外的另一种主要接头形式，在车辆内外面板、飞机蒙皮、船舶甲板等结构中都具有广泛的应用13-16。搅拌摩擦搭接焊（Friction Stir Lap Welding，FSLW）的主要工艺参数包括旋转速度、进给速度、轴肩下压量等。Zhou 等17采用静止轴肩讨论了刀具转速对搭接接头特征及剪切性能的影响，结果表明，随着转速的提高，有效搭接宽度（Effective Lap Width，ELW）逐渐增大，且所有接头都呈现韧性断裂模式。Meng 等18研究了一种新型搅拌针在不同进给速度下对搭接接头的影响，结果表明，当进给速度为 200 mm/min 时，有效板厚（Effective Sheet Thickness，EST）和有效搭接宽度分别达到了蒙皮厚度的 6 倍和 1.2 倍。高恩志等19研究了不同轴肩下压量对 1.5 mm 厚的 5A90 铝锂合金 FSLW 接头组织与性能的影响，结果表明，在轴肩 下压量为 0.2 mm 时，可获得接头致密组织。以上研究表明，工艺参数会对 FSLW 接头的组织与性能产生显著影响。基于工艺参数对焊接接头的显著影响，本文研究了不同转速对 4 mm 厚的 6061 铝合金 FSLW接头宏观组织、微观组织和力学性能的影响，以期为铝合金 FSLW 接头的工艺优化和工程实践应用提供参考。1 实验 焊接实验采用 120 mm60 mm4 mm 的 6061 铝合金为实验材料，其化学成分如表 1 所示。FSLW 实验在型号为 HT-JC68/2 的二维搅拌摩擦焊接设备上进行，搅拌工具由 H13 钢制成，搅拌针上有左旋螺纹，针长为 4.5 mm，搅拌针尖部和根部直径分别为4 mm 和 6 mm，轴肩为内凹式，直径为 16 mm。FSLW焊接工艺原理示意图如图 1 所示。在实验前使用砂纸打磨铝合金表面的氧化物，并用酒精清洗表面油污。在实验过程中，搅拌工具倾斜角为 2.5，选取旋转速度为 800、1 200、1 500 r/min，固定焊接速度和轴肩压入深度分别为 120 mm/min 和 0.2 mm。在焊接完成后，使用电火花线切割机床沿垂直焊缝方向切取拉伸剪切试样与金相试样，在切割前先去除焊接过程中产生的飞边。用砂纸打磨金相试样，抛光后用凯勒试剂腐蚀，使用 DM1750 光学显微镜观察宏观与微观组织。在载荷为 100 g、保压时间为 10 s条件下，使用维氏硬度计对接头截面的显微硬度进行测量。在 WDW-50 型高温拉伸机上进行拉伸剪切实验，实验过程中使用 1 mm/min 的恒定速度。使用Sigma300场发射扫描电镜观察微观组织和断口形貌。表 1 6061 铝合金的化学成分 Tab.1 Chemical composition of 6061 aluminum alloy wt.%Mg Si Fe Cu Mn Cr Ni Zn Ti Pb Sn Al 0.901 0.615 0.304 0.258 0.045 4 0.19 0.0130.0540.019 5 0.003 0.01 Bal.30 精 密 成 形 工 程 2023 年 9 月 图 1 焊接工艺原理图 Fig.1 Schematic diagram of welding process 2 结果与分析 2.1 表面与截面形貌 不同转速下的焊缝表面形貌如图 2 所示。可以看到，在 3 种转速下都获得了表面成形良好、无明显缺陷的焊缝，在焊缝的后退侧（Retreating Side，RS）均出现较多的飞边，通常认为飞边的存在不会对接头的力学性能产生影响。随着转速的提高，可以观察到焊缝表面形貌逐渐变差，在 800 r/min 下获得了表面光滑致密的焊缝，而在 1 500 r/min 下，焊缝表面出现 明 显 的 轴 肩 肩 痕 及 少 量 毛 刺，这 是 由 于 在1 500 r/min 时，热输入量过大，而焊接速度相对较小。不同转速下接头截面宏观形貌与钩状缺陷如图 3 图 2 不同转速下的接头表面形貌 Fig.2 Joint surface morphology at different rotational speeds 所示。图 3a、图 3c、图 3e 为不同转速、恒定焊接速度为 120 mm/min 条件下的典型截面形貌，可以看到，截面中均没有出现孔洞和隧道缺陷，截面中的典型区域可以划分为搅拌区（Stir Zone，SZ）、热机影响区（Thermo-mechanically Affected Zone，TMAZ）、热影响区（Heat Affected Zone，HAZ）20。随着转速的提高，HAZ 面积逐渐变大，且前进侧（Advancing Side，AS）的面积总是比 RS 侧的大，这说明 AS 侧受到的热影响作用比 RS 侧的更大。图 3b、图 3d、图 3f 分别为不同转速下 AS 侧的钩状缺陷（Hook Defect，HD），可以看到，在不同转速条件下，HD 均是向下延伸的。HD 作为缺陷，通常被视为接头的连接薄 图 3 不同转速下接头截面宏观形貌与钩状缺陷 Fig.3 Macroscopic morphology and hook defects of joint cross section at different rotational speeds 第 15 卷 第 9 期 曹高威，等：转速对 6061 铝合金搅拌摩擦搭接焊接头组织和力学性能的影响 31 弱区域。相关研究表明，HD 的延伸方向既可以向上又可以向下，HD 的延伸方向对接头的断裂方向有一定影响21。EST 和 ELW 常用来描述 HD 对搭接接头强度的影响17，在本研究中，HD 向下延伸且最终的断裂位置均出现在下板，因此，将 HD 末端尖部至下板底部的距离视为 EST。不同转速下搭接接头的EST和ELW如图4所示。可以看出，在转速为 8001 500 r/min 条件下，随着转速的增大，EST 的高度波动较小，整体没有出现明显变化，而 ELW 则随着转速而不断增大。焊接转速的提高将会明显增大焊接过程中的热输入量，且产生更强烈的机械搅拌作用，造成搭接界面破碎程度增大，使更多的材料得到有效结合，从而增加了 ELW的长度17。图 4 不同转速下 FSLW 接头的 EST 和 ELW Fig.4 EST and ELW of FSLW joints at different rotational speeds 2.2 显微组织 材料母材区域在光学显微镜和扫描电子显微镜下的显微组织如图 5 所示，可知，材料为典型的轧制型板材。典型焊接接头截面中不同区域的显微组织如图 6 所示22。HAZ 仅受到热循环作用，晶粒发生长大，但仍保持与母材相近的扁平状。TMAZ 受到更强烈的热影响作用以及机械搅拌作用，发生部分动态再结晶，并且由于搅拌工具的轴向力和搅拌作用，在这一 位置发生了剧烈的塑性变形，使晶粒发生变形。SZ受到强烈的热影响作用和机械搅拌作用，使母材的原有组织发生完全的动态再结晶，形成了明显细化的等轴晶23。晶粒尺寸在 SZ 厚度方向上的分布并不均匀，SZ 下部的晶粒尺寸更加细小，这是由于在焊接过程中，SZ 的上下两部分在材料流动和温度方面存在差异，上部组织在轴肩的作用下受到了更多的热影响，晶粒在热循环作用下发生了部分长大24。搅拌针针底位置受到搅拌针的轴向压力和热循环作用，在靠近SZ 的区域晶粒尺寸发生明显长大。不同转速的 SZ 下部微观组织如图 7 所示，利用Nano Measurer 软件统计不同转速下 SZ 的晶粒尺寸，并将数据导入 Origin 软件中进行分析，得到的不同转速下 SZ 晶粒尺寸统计结果如图 8 所示。对不同尺寸晶粒相对频率进行拟合，可知，其结果基本符合正态分布，在转速为 800、1 200、1 500 r/min 时，得到的晶粒尺寸几何平均数分别为 15.2、13.2、10.1 m。较高的转速可以使 SZ 内的晶粒产生更多的塑性变形，并在塑性变形过程中形成大量位错且通过动态回复形成更多的小尺寸晶粒，这也是转速为 1 500 r/min时晶粒尺寸较小的原因25。2.3 接头力学性能 为了确定焊后接头的硬度分布，分别测量接近搭接界面上板和下板的显微硬度，取点位置如图 9 所示。当转速不同时，上板的显微硬度变化情况如图10 所示。可以看到，整个接头的硬度变化呈现近似对称的典型“W”形状26，不论转速如何变化，接头影响到的位置都会出现软化现象，这部分软化区域包括SZ、TMAZ、HAZ，其硬度值均低于母材硬度。不同转速下接头最高硬度值均出现在 SZ，并均在 HAZ 出现硬度最低值，这是由于 HAZ 仅受到热循环作用，晶粒发生变形和长大，改变了此处的力学性能，而SZ 发生了动态再结晶，生成了更加细密的晶粒，所以此处硬度值高于 HAZ 与 TMAZ 的。但由于强烈的机械搅拌作用和高温作用，在焊接过程中，析出相发生溶解与粗化，降低了 SZ 的硬度，因此此处的硬度值仍低于母材硬度27。图 5 母材的显微组织 Fig.5 Microstructure of the base metal 32 精 密 成 形 工 程 2023 年 9 月 图 6 接头典型宏观形貌和不同区域的显微组织 Fig.6 Typical macrostructure of FSLW joint and microstructure of different areas:a)macrostructure;b)HAZ-AS;c)TMAZ-AS;d)SZ-upper part;e)SZ-lower part;f)pin bottom;g)TMAZ-RS;h)HAZ-RS;i)SEM of Fig.e 图 7 不同转速时 SZ 下部显微组织 Fig.7 Microstructure of the lower part of SZ at different rotational speeds 图 8 不同转速下 SZ 晶粒尺寸统计图 Fig.8 Statistical graph of SZ grain size at different rotational speeds 不同转速时下板的显微硬度变化情况如图 11 所示。当转速为 1 500 r/min 时，接头硬度变化仍呈现典型“W”形状，而在转速为 800 r/min 与 1 200 r/min时，下板硬度值呈现“V”形特征，在中间位置出现了低硬度值。这是由于当转速提升到 1 500 r/min 时，有更多的热输入量和更强烈的机械搅拌作用，使材料 第 15 卷 第 9 期 曹高威，等：转速对 6061 铝合金搅拌摩擦搭接焊接头组织和力学性能的影响 33 图 9 显微硬度取点位置 Fig.9 Point taking position of microhardness 图 10 上板显微硬度曲线 Fig.10 Microhardness curve of the upper plate 图 11 下板显微硬度曲线 Fig.11 Microhardness curve of the lower plate 的塑化范围更广24，打点位置中间仍然属于 SZ，因此，在中间位置出现了相对较高的硬度值。而在较低转速下，下板的打点位置已经脱离 SZ 范围，靠近 SZ的针底位置受到的轴向力和热影响作用比两侧TMAZ 和 HAZ 的更大，导致此处晶粒尺寸发生长大，因此，此处的硬度值较低。不同转速下搭接接头的最大载荷位移曲线如图12 所示。可以看到，接头最大载荷出现在转速为1 500 r/min 时，最大载荷为 9.88 kN，达到了母材的75%。不同转速下接头的平均载荷和平均拉伸剪切强度如图 13 所示。可以看到，当转速从 800 r/min 上升至 1 500 r/min 时，接头的平均载荷和平均拉剪强度都得到了提升。这是由于在 1 500 r/min 时，EST 和ELW 都达到了最大值，接头的连接情况最好，HD 末端也有较好的结合，这对提升接头强度来说是有益的。图 12 载荷位移曲线 Fig.12 Load-displacement curves 图 13 不同转速下拉剪实验结果 Fig.13 Results of tensile shear experimental at different rotational speeds 2.4 断口形貌 典型搭接拉剪实验接头断裂位置如图 14 所示。在进行拉剪实验时对 AS 侧进行固定，从 RS 侧施加 图 14 典型搭接拉剪实验接头断裂图片 Fig.14 Typical lap tension shear experimental joint fracture picture 34 精 密 成 形 工 程 2023 年 9 月 载荷。实验结果表明，所有接头均从 AS 侧断裂，断裂路径都以搭接界面 HD 为断裂源，并经过 TMAZ与 HAZ 向下板底部方向扩展。这是由于 HD 末端基本都处于 TMAZ 与 SZ 分界位置，而由于 SZ 区域硬度更高，对裂纹的扩展具有更强的阻碍作用，因此，裂纹沿硬度较低的 TMAZ 与 HAZ 向下扩展，最终导致断裂。采用 SEM 对不同转速下的断口进行分析，结果如图 15 所示。在不同转速下，断裂面都存在大量大小和深度不同的韧窝，许多小韧窝分布在大韧窝的边缘上，这些都是典型的韧性断裂特征28。当转速为1 500 r/min 时，可以观察到更多尺寸较大的韧窝，说明此时接头具有更好的搭接剪切性能17，拉剪实验也证实了在该参数下得到的拉剪强度最高。图 15 断口 SEM 图像 Fig.15 SEM images of the fracture 3 结论 1）在 8001 500 r/min 转速下获得的接头表面与截面形貌均良好，没有出现明显缺陷。随着转速的升高，EST 没有出现明显的变化，搭接界面破碎程度增大，ELW 的长度逐渐增大。2）接头各区域组织均发生了变化，受热循环作用，HAZ 组织发生长大，受热机影响，TMAZ 晶粒取向发生变化，SZ 发生动态再结晶形成等轴晶。由于热循环作用，与 SZ 下部相比，SZ 上部的晶粒尺寸更大，随着转速的增大，更多的塑性变形导致 SZ 组织变得更加细小。3）FSLW 的接头硬度都有不同程度的软化，所有接头区域的硬度均低于母材硬度。上板硬度呈现典型的“W”形，而对于下板，由于转速会影响各个分区的面积分布，在转速为 800 r/min 和 1 200 r/min 时，下板硬度呈现“V”形。在转速为 8001 500 r/min 条件下，接头在 1 500 r/min 时的平均载荷最大，得到的最大载荷达到母材的 75%，接头的平均载荷和平均拉剪强度都随着转速的增大而增大。4）所有接头都从 AS 侧向下扩展断裂，断裂形式都为拉伸断裂，断口 SEM 图像表明，断裂均为韧性断裂模式。参考文献：1 牛文涛,谢吉林,黄永德,等.搅拌头轴肩形状对6061 铝合金 FSW 过程中轴向力的影响J.焊接学报,2021,42(7):66-73.NIU Wen-tao,XIE Ji-lin,HUANG Yong-de,et al.Effect of Shoulder Shape on Axial Force of Friction Stir Welding of 6061 Aluminum AlloyJ.Transactions of the China Welding Institution,2021,42(7):66-73.2 杨海峰,赵洪运,许欣欣,等.2A14-T4 铝合金 T 形接头静轴肩搅拌摩擦焊组织结构与力学性能J.稀有金属材料与工程,2021,50(11):3845-3856.YANG Hai-feng,ZHAO Hong-yun,XU Xin-xin,et al.Microstructure and Mechanical Properties of 2A14-T4 Aluminum Alloy T-joints Prepared by Stationary Shoulder Friction Stir WeldingJ.Rare Metal Materials and Engineering,2021,50(11):3845-3856.3 邱宇,孟强,董继红,等.6061-T6 铝合金搅拌摩擦焊工艺及性能研究J.塑性工程学报,2021,28(2):86-91.QIU Yu,MENG Qiang,DONG Ji-hong,et al.Study on Technology and Properties of Friction Stir 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