：2004 -）男，工學(xué)博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事表面工程技術(shù)、腐蝕與防護(hù)等方面的研究工作7A52鋁合金是近年來新研制的中強(qiáng)可焊合金。該合金經(jīng)乳制后性能優(yōu)良，現(xiàn)已投入使用。目前該合金的焊接主要是采用熔化極氬弧焊（MIG，metalinertgasarcwelding），由于溶焊過程中熱輸入量大，填充材料和焊縫兩側(cè)材料經(jīng)過了熔化重新結(jié)晶，最終在焊縫處形成鑄態(tài)組織，焊縫容易出現(xiàn)氣孔和焊接變形，殘余應(yīng)力較大。MIG焊接后接頭性能明顯下降，未能充分發(fā)揮材料的性能。利用攪拌摩擦焊（FSW，frictionstirwelding）技術(shù)可以更好的保持基體材料的力學(xué)性能，并且產(chǎn)生的焊接變形更小，殘余應(yīng)力更低，焊接缺陷更少。
攪拌摩擦焊作為一種新型焊接技術(shù)，是由英國(guó)焊接研究所（TWI，theweldinginstitute）90年代初發(fā)明的一種固態(tài)塑性連接方法，近年來在低熔點(diǎn)金屬材料的焊接研究中得到高度重視。攪拌摩擦焊工藝過程如所示。它是利用一種帶有特型指針（pin）和軸肩（shoulder）的特殊形狀攪拌頭對(duì)工件進(jìn)行攪攪拌摩擦焊過程示意圖拌摩擦，通過指針攪拌過程產(chǎn)生的熱量和軸肩與材料摩擦產(chǎn)生的熱量使焊接接縫處材料達(dá)到塑性變形狀態(tài)，在軸肩的頂鍛壓力作用下達(dá)到固態(tài)連接。
整個(gè)焊接過程因?yàn)椴牧衔催_(dá)到熔化狀態(tài)，從而大大降低或避免了熔焊時(shí)容易出現(xiàn)的焊接變形、殘余應(yīng)力、氣孔、裂紋等缺陷。
經(jīng)過攪拌摩擦焊所得的焊接接頭，其橫截面的宏觀結(jié)構(gòu)特征和顯微組織特征均發(fā)生了明顯變化，焊接接頭的力學(xué)性能和母材相比產(chǎn)生了差異。影響攪拌摩擦焊焊接接頭質(zhì)量的工藝參數(shù)主要有攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度、軸向壓緊力等。作者主要分析了攪拌摩擦焊的兩個(gè)工藝參數(shù)攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度和焊接速度對(duì)焊接接頭宏觀結(jié)構(gòu)特征和力學(xué)性能的影響。
試驗(yàn)材料及方法7A52鋁合金。材料狀態(tài)為鍛后熱處理，熱處理工藝為460QCxlh，室溫水淬；120DCx24h人工時(shí)效。表1為該材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能。
表1 7AS2鋁合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）和力學(xué)性能化學(xué)成分/%力學(xué)性能矣余量攪拌摩擦焊試驗(yàn)在用立式銑床改造的焊接設(shè)備上進(jìn)行。試驗(yàn)采用自制的螺旋形攪拌頭，其軸肩直徑為21mm，特型指針根部直徑為6. 8mm.焊接完成后選擇典型的焊接接頭制成金相試樣，用Keller試劑對(duì)試樣浸蝕，在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行接頭宏觀組織觀察；用71型顯微硬度計(jì)測(cè)量焊接接頭的顯微硬度分布特征；接頭抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)按國(guó)標(biāo)GB2651―89和GB2653―89制成拉伸試樣，在WE -10A型萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)。
試驗(yàn)結(jié)果與分析試驗(yàn)結(jié)果表明，利用自行設(shè)計(jì)的攪拌頭在幾種選定的焊接工藝規(guī)范條件下，7.6mm厚的7A52鋁合金板材的攪拌摩擦焊焊縫外觀成型良好、板材基本無變形。對(duì)焊接接頭的橫截面進(jìn)行金相觀察發(fā)現(xiàn)沒有出現(xiàn)該合金在熔焊時(shí)常有的氣孔、裂紋等缺陷。所示為焊接接頭橫截面腐蝕后的金相照攪拌摩擦焊接頭的不同區(qū)域5X片。宏觀上焊縫區(qū)比基體金屬更加明亮，這是由于焊縫耐腐蝕能力下降的結(jié)果。攪拌摩擦焊的焊接接頭可以劃分為四個(gè)區(qū)域：即動(dòng)態(tài)再結(jié)晶區(qū)（DXZ，dynamicallyrecrystallizedzone）、宏觀結(jié)構(gòu)特征對(duì)焊接接頭進(jìn)行宏觀結(jié)構(gòu)分析，所示為板材的三個(gè)方向：I、7Z，由此取焊接接頭的三種截面：橫截面（Z- 71）、表面（L-71）、縱截面（L-Z）分別采用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察研究。
橫截面的宏觀結(jié)構(gòu)特征是DXZ區(qū)形成了“洋蔥環(huán)”和TMAZ區(qū)的明顯塑性流線變形。DXZ區(qū)（或稱焊核區(qū)，weldnugget）的宏觀結(jié)構(gòu)特征是形成了明顯的“洋蔥環(huán)”（onionring）狀的一組由內(nèi)向外擴(kuò)張的橢圓環(huán)。如a所示。隨著離焊縫中心距離的增加，“洋蔥環(huán)”的環(huán)間距從內(nèi)到外逐漸減小。
洋蔥環(huán)結(jié)構(gòu)5X流線變形結(jié)構(gòu)5X不同焊接區(qū)的形貌K.N.Krishnan的研究認(rèn)為，洋蔥環(huán)的形成是由于攪拌頭的旋轉(zhuǎn)和攪拌頭的移動(dòng)過程共同作用于焊縫兩側(cè)材料，而攪拌頭旋回側(cè)的金屬材料不斷擠出受到軸肩的擠壓。TMAZ區(qū)的宏觀結(jié)構(gòu)特征表現(xiàn)為較高的塑性變形流線帶，這是由于攪拌頭的攪拌作用使得DXZ區(qū)周圍的母材纖維狀組織產(chǎn)生明顯的塑性變形，如b所示。HAZ區(qū)和BM區(qū)宏觀結(jié)構(gòu)變化不大，仍保持母材的纖維狀結(jié)構(gòu)特征。
焊縫表面的宏觀結(jié)構(gòu)特征表現(xiàn)為半圓環(huán)曲線帶，如所示。這些圓環(huán)之間的距離比較均，在半圓環(huán)帶的兩端帶間距較小，而在圓環(huán)的頂部距離最大。半圓環(huán)帶的帶間距與攪拌頭每旋轉(zhuǎn)一周所前進(jìn)的距離有關(guān)，這些半圓環(huán)帶是由于攪拌過程中引起的粒子富集區(qū)和粒子貧乏區(qū)交替出現(xiàn)的結(jié)果。
表2理論環(huán)間距與試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果比較序號(hào)環(huán)間距理論值/mm環(huán)間距試驗(yàn)測(cè)量值/mm工藝1工藝2工藝3工藝4工藝5縱截面的宏觀結(jié)構(gòu)特征是形成了一條近“S”形的曲線帶，如所示。這些“S”形曲線間距比較均勻，曲線的頂端由于受到攪拌頭軸肩的擠壓作用產(chǎn)生壓縮效應(yīng)，帶間距稍小。不同的工藝“S”形帶的帶間距存在差異。
Colligan利用在兩種不同的鋁合金材料中嵌人鋼球的方法研究了攪拌摩擦焊過程中材料的流動(dòng)，認(rèn)為材料的垂直流動(dòng)不大，絕大多數(shù)材料停留在原來的高度；而前進(jìn)側(cè)的材料隨著攪拌頭的旋轉(zhuǎn)沉積在旋出側(cè)。由此稱攪拌摩擦焊過程為材料的攪拌和擠出過程。M.Guerra171等采用在6061鋁合金接合表面放置很薄的純銅片作為追蹤材料和利用兩種不同的鋁合金2195與6061研究了攪拌摩擦焊過程中材料的流動(dòng)行為。通過分析認(rèn)為材料的流動(dòng)主要包括兩個(gè)過程：前進(jìn)側(cè)的材料跟著攪拌指針的旋轉(zhuǎn)以螺旋形運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)人攪拌區(qū)，這些材料變形很大，在攪拌指針的后側(cè)脫落并形成弧狀特征；回退側(cè)的材料填滿攪拌指針退出后的空洞，但整個(gè)過程中并沒有發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。K.N.Krishna31利用粘土模型研究了攪拌后材料表面半圓環(huán)的形成和“洋蔥環(huán)”的形成過程，半圓環(huán)的出現(xiàn)說明攪拌頭在其旋轉(zhuǎn)生熱和向前運(yùn)動(dòng)擠出熱金屬過程中時(shí)間很短，這種連續(xù)的過程產(chǎn)生一條連續(xù)的半圓環(huán)帶；摩擦過程可以認(rèn)為是在攪拌頭旋轉(zhuǎn)一周中擠出了一層半圓柱體，結(jié)果在橫截面產(chǎn)生了“洋蔥環(huán)”結(jié)構(gòu)。
接頭力學(xué)性能特征2.2.1拉伸性能特征在研究攪拌摩擦焊焊接工藝規(guī)范對(duì)接頭質(zhì)量的影響時(shí)，研究了攪拌旋轉(zhuǎn)速度和焊接速度對(duì)接頭強(qiáng)度和延伸率的影響，將兩塊長(zhǎng)300mm的7A52鋁合金板對(duì)接焊成一條焊縫，每條焊縫加工拉伸試樣5個(gè)，測(cè)定焊縫平均拉伸強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表3、表4.由表3可以看出，在本試驗(yàn)選定的焊接規(guī)范內(nèi)，當(dāng)焊接速度一定時(shí)，隨著攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度降低，焊接接頭平均抗拉強(qiáng)度增大，在60mm/min的焊接速度下，攪拌轉(zhuǎn)速為300r/min時(shí)焊接接頭的平均拉伸強(qiáng)度最高為354MPa，達(dá)到母材抗拉強(qiáng)度的72.2%；當(dāng)攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度一定時(shí)，隨著焊接速縱截面的“S”形特征5X a―不同轉(zhuǎn)速的顯微硬度分布特征距焊縫中心距離/mm b一不同焊接速度的顯微硬度分布特征不同規(guī)范顯微硬度的分布度的升高，焊接接頭的平均抗拉強(qiáng)度增大，在600r/min的攪拌轉(zhuǎn)速下，焊接速度為118mm/min時(shí)焊接接頭的平均拉伸強(qiáng)度最高為364MPa，達(dá)到母材抗拉強(qiáng)度的74.2%.接頭延伸率隨焊接工藝參數(shù)的變化較小，在=600r/min，r=60mm/min時(shí)焊接接頭延伸率最大，為7.5%，與母材延伸率相比稍有下降。根據(jù)的公式（2），攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度的升高增加了焊接過程中的熱輸人，從而引起焊接接頭晶粒的變化，熱影響區(qū)成為軟化趨勢(shì)最明顯的區(qū)域，結(jié)果整個(gè)接頭抗拉強(qiáng)度降低。在其它參數(shù)不變的情況下，焊接速度的降低使焊接線能量增加，焊接接頭晶粒長(zhǎng)大，強(qiáng)度降低。
直徑和焊針直徑；F―壓力；tz―攪拌頭轉(zhuǎn)速；"一摩擦因數(shù)。
實(shí)際上，對(duì)于選定的材料，存在一個(gè)最佳力學(xué)性能規(guī)范區(qū)和最佳焊縫成形規(guī)范區(qū)，通常最佳焊縫成形區(qū)的規(guī)范要比最佳力學(xué)性能規(guī)范范圍寬⑴。在焊接速度過低時(shí)，焊縫與基體結(jié)合處容易出現(xiàn)過熱組織；焊接速度過高時(shí)，攪拌頭摩擦產(chǎn)生的熱量來表3不同攪拌轉(zhuǎn)速時(shí)的焊接接頭拉伸測(cè)試結(jié)果序號(hào)工藝參數(shù)拉伸強(qiáng)度/MPa延伸率占/%工藝1V工藝2V工藝3v表4不同焊接速度時(shí)的焊接接頭拉伸測(cè)試結(jié)果序號(hào)工藝參數(shù)接伸強(qiáng)度crb/MPa延伸率5/%工藝4n工藝2n工藝5n：表中：u表示攪拌轉(zhuǎn)速（r/min）：表示焊接速度（mm/min）不及使其周圍金屬達(dá)到熱塑性狀態(tài)，所以也不能形成完好的焊縫。攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度過低時(shí)，焊接區(qū)會(huì)出現(xiàn)明顯的空洞；隨著旋轉(zhuǎn)速度升高，可以獲得組織致密的焊縫。鍛壓技彭成章，周鵬展，黃明輝。2024鋁合金的攪拌摩擦焊接工藝及顯微組織。湘潭礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)002，汪建華，姚舜，魏良武，等。攪拌摩擦焊的傳熱和力學(xué)計(jì)算模型。焊接學(xué)報(bào)，2002，21（4）：61邢麗，柯黎明，周細(xì)應(yīng)，等。防銹鋁LF6的固態(tài)塑性連接工藝。中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2002，
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