通过研究搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding, FSW)工艺参数对Al6061合金力学及显微组织性能的影响以提高焊缝强度

《Metals》：Improvement of Weld Strength by Investigation on the Effect of Welding Parameters on the Mechanical and Microstructural Properties of Friction Stir-Welded Al6061 Alloy

　　

摘要：Al 6061合金因其优异的力学及冶金性能，广泛应用于汽车、航空航天、铁路及造船工业。搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding, FSW）是焊接Al6061合金首选的固态连接方法。本研究采用带锥形搅拌针（tapered pin tool）的工具在万能铣床上对厚度3 mm的Al 6061板材进行FSW连接，工艺参数为搅拌工具转速900和1120 rpm、进给速度50和80 mm·min?1、倾斜角0°和2°。为检测焊接接头力学性能，研究人员对接头试样进行了拉伸试验及显微硬度（Microhardness）测试；采用光学显微镜（Optical Microscope, OM）和扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope, SEM）结合能谱仪（Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy, EDS）分析了焊接区域（Welded Zones）的显微组织演变。拉伸试验结果表明：于工具转速900 rpm、倾斜角2°、进给速度80 mm·min?1下焊接的试样获得最高焊接强度243.77 MPa及82.93%的接头效率（Welding Performance，相对于母材）；于工具转速1120 rpm、无倾斜角、进给速度50 mm·min?1下焊接的试样获得最低焊接强度105.76 MPa及36%的接头效率。

论文解读：通过研究搅拌摩擦焊(FSW)工艺参数对Al6061合金力学及显微组织性能的影响以提高焊缝强度——发表于《Metals》

Al6061（6061系铝合金）因低密度、耐蚀性好及延展性佳，广泛用于汽车、航空航天、铁路及造船领域作结构材料。传统熔焊（Fusion Welding）焊接高强度Al合金时易产生气孔且热影响区显微组织质量差，导致可焊性差。搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding, FSW）为1991年由The Welding Institute开发的固态焊接方法，无填充金属与保护气体需求，可避免熔化缺陷，适合2XXX、6XXX、7XXX系列铝合金连接。已有研究表明工具转速（Tool Rotational Speed）、进给速度（Feed Rate/Travel Speed）及倾斜角（Tilting Angle/Shoulder Tilt Angle）显著影响FSW接头显微组织与力学性能，但针对Al6061在不同倾斜角组合下的系统实验仍有待补充。因此研究人员设计不同FSW参数组合对3 mm厚Al6061-T6板材进行对接焊，系统考察参数对接头微观组织演化、硬度分布及拉伸性能的影响，以确定最优参数匹配。

主要关键技术方法：研究人员选用商用3 mm厚Al6061板材（名义化学成分与力学性能见原文表1、表2），表面经钢丝刷除氧化膜并用纯酒精清洗，沿垂直轧制方向进行对接FSW。使用自制1.3343高速钢锥形搅拌针（Tapered Pin）工具（肩径12 mm、针外径3 mm、内径1.5 mm、针长2.85 mm、肩压入深度0.12 mm），恒定轴向力7 kN，起始停留时间30 s，顺时针旋转。按2×2×2全因子设计选用两水平参数：工具转速900/1120 rpm、进给速度50/80 mm·min^?1、倾斜角0°/2°，共8组试样编码如Specimen 1(900/0/50)至Specimen 8(1120/2/80)。焊后沿垂直焊缝方向截取ASTM E8-04标准拉伸试样（Zwick Roell试验机，十字头速率2 mm·min^?1），沿板厚中线垂直焊缝方向以HV0.1（0.1 kgf保荷15 s）每1 mm间隔测维氏显微硬度。金相试样经220–1200#砂纸逐级磨抛后用Poulton试剂蚀刻30 s，用OM（Nikon DS-Fi1）及SEM（FEI QUANTA 250 FEG）观察母材(Base Material, BM)、热影响区(Heat-Affected Zone, HAZ)、热机影响区(Thermo-Mechanically Affected Zone, TMAZ)及搅拌区(Stir Zone / Nugget Zone / Dynamically Recrystallized Zone, SZ)显微组织，并对异常析出相做EDS点分析。

研究结果：

3.1 焊缝外观(Weld Appearances)

无倾斜角焊接的Specimen 1、2、5、6在退回侧(Retreating Side, RS)出现明显飞边（Flash）且洋葱环（Onion Ring）不规则。研究人员认为无倾斜角时肩-材料摩擦面积增大但针后材料回填不足、锻压效应弱，为维持穿透所需垂直压力增大导致塑化材料从肩缘挤出形成飞边；无倾斜角也阻碍材料顺向平滑向后输送，致洋葱环紊乱。

3.2 力学性能(Mechanical Properties)

拉伸结果：Specimen 7(900 rpm/2°/80 mm·min^?1)抗拉强度最高(243.77 MPa，达母材82.93%)；Specimen 2(1120 rpm/0°/50 mm·min^?1)最低(105.76 MPa，36%)。同转速与进给下，2°倾斜角试样的强度均高于0°无倾斜角试样；同参数下进给80 mm·min^?1试样强度均高于50 mm·min^?1；同倾斜角与进给下900 rpm试样强度高于1120 rpm。研究人员指出较高进给降低热输入避免过度软化强化析出相，较低转速减少过热及金属间化合物(Intermetallic Compounds, IMCs)析出，2°倾斜角促进材料回填及致密锻合从而提升性能。硬度呈典型W形分布，最低值在HAZ/TMAZ（析出相粗化/溶解致软化），SZ因动态再结晶(Dynamic Recrystallization, DRX)细晶强化硬度回升；Specimen 7 SZ最高显微硬度90.27 HV，Specimen 2最低77.05 HV，与拉伸结果对应。

3.3 显微组织与相分析(Microstructure and Phase Analysis)

Specimen 7（最优参数）OM及SEM显示SZ等轴细晶、TMAZ晶粒拉长沿变形方向取向、HAZ近母材组织，无孔洞(void)、未焊合(Lack of Bond/Kissing Bond)或微裂纹，材料均匀互锁。Specimen 2（最差参数：1120 rpm/0°/50 mm·min^?1）OM及SEM显示SZ搅拌不充分、TMAZ存在隧道型孔洞/未焊合(void-gap)及微裂纹，SZ内见亮白色针状/块状Al–Fe–Si富集IMC（EDS确认为Fe₃SiAl₁₂型）。研究人员认为过高热输入致Mg₂Si等强化相溶解软化及IMC大量析出，加之无倾斜角引起材料回填不良产生未焊合缺陷，共同导致强度大幅降低。

讨论与结论翻译：

(1) Specimen 7(900 rpm/2°/80 mm·min^?1)焊接强度最高(243.77 MPa，母材的82.93%)，Specimen 2(1120 rpm/0°/50 mm·min^?1)最低(105.76 MPa，36%)；相同转速与进给下2°倾斜角试样强度高于无倾斜角试样，进给由50提至80 mm·min^?1强度升高。

(2) 高转速(1120 rpm)配低进给(50 mm·min^?1)产热过多致Al6061合金强化析出相溶解及SZ内IMC形成，使接头强度最低。

(3) Specimen 2存在TMAZ未焊合缺陷、微裂纹及SZ中Al–Fe–Si富集IMC（疑似Fe₃SiAl₁₂），削弱强度；Specimen 7焊缝区混合均匀、无缺陷。

(4) 接头横截面硬度呈W形分布，Specimen 7 SZ最高显微硬度90.27 HV，Specimen 2最低77.05 HV。

(5) 本实验条件下Al6061合金FSW获得最佳力学及冶金质量接头的工艺参数为：工具转速900 rpm、倾斜角2°、进给速度80 mm·min^?1。该研究结果可为工业Al6061板材FSW应用提供参考试验依据。