摘要： 採用超高速攪拌摩擦焊裝置對鋁合金板進行焊接，研究了焊接接頭的顯微組織和力學效能。 結果表明：在RMIN轉速和mmmin焊接速度等工藝引數下，可以得到焊接變形小、熱影響區窄、焊縫表面成形好的焊接接頭焊核面積顯微硬度達到HV，焊接接頭抗拉強度達到MPA，焊接接頭顯微形貌顯示不存在隧道、裂紋等缺陷和裡面的洞。關鍵詞：3003鋁合金;表;超高速攪拌摩擦焊;焊接接頭;組織;抗拉強度CLC編號： TG 文獻符號程式碼： A 貨號： 鋁合金是鋁錳合金中最常用的防鏽鋁合金，其強度較低，是一種不能通過熱處理強化的鋁合金，通常採用冷作硬化來強化，以提高其力學效能。 鋁合金密度低，耐腐蝕性好，導電導熱性能優異，具有良好的反射率、無磁性、焊接工藝和機械加工性，廣泛應用於裝飾、熱交換、光敏、包裝等低負荷場合。 採用傳統MIG、非MIG、TIG、CMT而雷射焊接方法對中厚板的鋁合金進行焊接，往往存在熱裂紋、氣孔、表面成型不良、對工件清潔度要求高等問題[ 當這些焊接方法仍用於厚度小於mm的鋁合金板時，除上述問題外，還會出現嚴重的變形， 穿孔等問題【這是因為在高溫下，下板相對於厚板的抗變形能力較差，因此不適合使用傳統的熔焊方法焊接鋁合金板。 攪拌摩擦焊方法的選擇可以有效避免熔焊方法中經常出現的問題。 攪拌摩擦焊技術是一種固相連線技術[其原理是將攪拌頭由軸肩和攪拌針組成在快速旋轉狀態下將其插入焊板的接線處或搭接處，然後利用攪拌頭與工件接觸部分產生的摩擦熱，使周圍的金屬材料受熱而發生嚴重的塑化[塑化軟化層金屬在攪拌頭旋轉的作用下填充攪拌頭後面的空腔， 並在攪拌頭的軸肩和攪拌針攪拌的作用下一起擠壓，實現材料 由於鋁合金具有熔點低、易變形、高溫塑性好等特點，這種焊接方法可以提高其焊接效率和工藝穩定性，但對於小於mm的鋁合金板的焊接， 由於其過大的軸向力和摩擦力容易造成板材變形、嚴重變薄等問題。採用超高速攪拌摩擦焊方法可以有效減少甚至避免缺陷的產生[ 在超高速攪拌摩擦焊過程中，其攪拌頭的轉速約為傳統攪拌摩擦焊攪拌頭的兩倍，同時大大減小了軸肩和攪拌頭的攪拌針直徑， 這種結構使焊接降低了對剛度的要求，比傳統的攪拌摩擦焊具有更高的焊接效率。這是由於超高速攪拌摩擦焊的剛度要求降低，這使得減輕攪拌摩擦焊裝置的重量成為可能。 另外採用軸肩和攪拌針直徑較小的攪拌頭，有利於減小焊縫金屬的攪拌面積，大大減小焊接對母材的影響面積，減少焊接變形[ 目前，關於鋁合金超高速攪拌摩擦焊的報道較少，因此筆者對鋁合金板的超高速攪拌摩擦焊進行了深入研究， 通過對焊接接頭的結構和效能的分析，揭示了鋁合金板超高速攪拌摩擦焊的可行性，揭示了焊接接頭的組織特點和軟化機理。測試材料及測試方法 測試材料：測試材料為尺寸為mm mm mm的鋁合金板。 攪拌頭的軸肩直徑為mm攪拌針端徑為mm，根部直徑為mm，攪拌針長度為mm，攪拌頭材質為Cr Mo W V鋼，經調質處理後具有良好的強度和韌性，可滿足超高速攪拌摩擦焊的要求。試驗方法採用超高速摩擦焊法對鋁合金板進行焊接，取焊接接頭試樣，進行冷裱、水磨、拋光，再用（體積分數）氟炬酸水溶液進行陽極塗覆，陽極塗覆時間為s，再用偏光顯微鏡進行顯微組織觀察。 試樣的拉伸效能用萬能拉伸試驗機以mmmin的拉伸速率進行測試焊接接頭的顯微硬度用顯微硬度計測試，載入載荷為n（kgf）載入時間為S，然後根據不同位置的硬度分布繪製焊接接頭的顯微硬度分布輪廓圖。測試結果與討論 焊接工藝鑑定表是鋁合金板在不同工藝下焊接後的表面成形情況。 從表中可以看出，最佳焊接工藝引數為焊接速度mmmin和轉速rmin當轉速為RMIN時，攪拌頭軸肩邊緣的攪拌速度為ms，攪拌針邊緣的攪拌速度為ms;當轉速為rmin時，攪拌頭軸肩緣的攪拌速度為ms，攪拌針緣的攪拌速度為ms所以可以看出，在焊接過程中，攪拌頭軸肩邊緣的攪拌速度大約是攪拌針邊緣攪拌速度的兩倍，這導致焊縫成型時形成細條紋，條紋之間的距離為mm， 而常規攪拌摩擦焊焊縫中的條紋之間的距離約為mm，因此超高速攪拌摩擦焊縫的焊縫形狀更加細膩。
接頭的力學效能是鋁合金超高速攪拌摩擦焊接頭在不同焊接工藝下的抗拉強度試驗結果。 從表中可以看出，當轉速rmin和焊接速度mmmin最高時，接頭的抗拉強度最高，這與表的結果一致另外轉速在RMIN和焊接速度mmmin的條件下進行焊接，接頭的抗拉強度僅與母材的抗拉強度相近。
拉伸試樣的斷口位置如圖所示，拉伸斷口的形貌如圖所示，可以看出焊接接頭的斷口位於焊縫的混合區，斷口處會有一定程度的頸縮， 斷裂形式為剪下斷裂。根據焊接接頭的斷裂位置、斷裂形狀和斷裂強度，可以初步確定焊接接頭拉伸斷裂的主導因素是焊接過程中焊接接頭的軟化導致抗拉強度降低。
為了進一步確認鋁合金超高速攪拌摩擦焊接接頭的軟化情況，並測量軟化面積，採用顯微維氏硬度計對隔板進行測試。 試驗區為焊接接頭斷面的上、中、下三排，每排的長度必須保證通過焊接混合區、熱機影響區、熱影響區和母材。 上層距板材上表面mm，下層距板材下表面mm，相鄰測試點之間的距離為mm，如圖所示。 
根據在每個測試點測得的顯微硬度和每個點的位置，繪製焊接接頭截面上的顯微硬度輪廓如圖所示。可以看出，焊接接頭軟化區的硬度以Hv為單位，母材的硬度約為Hv，軟化區的硬度與母材的硬度相近，與拉伸試驗結果一致此外，軟化的區的形狀和大小與攪拌區的形狀和尺寸非常接近。 可以看出，採用超高速攪拌摩擦焊法焊接的鋁合金板並不是因為焊接缺陷導致焊接接頭抗拉強度下降，而是因為焊接接頭金屬軟化導致抗拉強度降低。 軟化區域上表面的寬度為mm，下表面的寬度為mm並且通過用金相顯微鏡觀察該區域的微觀結構來進一步確認該區域是否由於攪拌或溫度而軟化。
鋁合金薄板焊縫焊縫的巨集觀形貌如圖所示，是最佳焊接工藝引數條件下焊縫表面的巨集觀形貌，可以看出超高速攪拌摩擦焊的焊接過程穩定，焊縫表面整形良好， 並且沒有飛邊、裂紋等缺陷。鋁合金焊縫截面的微觀形貌如圖所示，可以看出焊縫沒有根部缺陷和變薄現象，焊縫內部有一條清晰的流線，流線緻密並且沒有氣孔和孔洞等缺陷。
鋁合金薄板焊縫的顯微組織和形貌如圖所示。 從圖a中可以看出，鋁合金鈑金的顯微組織呈現帶狀變形結構，這是鋁合金在焊接前的沖壓過程中形成的顯微組織從圖b中可以看出，晶粒在熔核區以細小等軸晶粒的形式發生顯著變化，這是由於混合頭對物料的強烈攪拌作用，在較高溫度下熱迴圈作用下發生強烈的塑性變形，導致帶鋼軋制變形結構和母材的細長再結晶晶粒轉變為細小的等軸再結晶晶粒。從圖c）和圖d可以看出前側熱影響區與焊縫區的分界線比較明顯，說明前側熱影響區範圍較大，而後側分界線相對模糊，熱影響區範圍相對較小。出現這種情況是因為在焊接過程中熱影響區兩側金屬的塑性流動差異很大，而在正向側，增塑劑之間的速度梯度比較大，靠近攪拌頭外側的增塑劑的變形程度和流動性遠小於焊核區域的塑性金屬， 使它們形成一條相對明顯的分界線。因此在高溫和攪拌的作用下，焊縫中心區域金屬晶粒的排列發生了很大的變化，沖壓工藝產生的晶粒位錯關係完全喪失或部分喪失，因此在攪拌摩擦焊過程中消除了焊縫中心區域金屬的冷作強化， 並且接頭的硬度和抗拉強度不如母材。
結論 （ ）採用超高速攪拌摩擦焊法焊接鋁合金板，在焊接引數合理的條件下，可以保證焊接接頭無缺陷，工件不變薄，變形小，但接頭的軟化是不可避免的。 （在RMIN的轉速和mmmin的焊接速度的工藝引數下可以獲得表面質量最好的焊縫，焊芯區域的顯微硬度達到HV，焊接接頭的抗拉強度達到MPa。鋁合金板焊接頭熱影響區軟化的主要原因是，在熱和攪拌的作用下，焊接接頭經歷了類似的退火過程，使區域性區域的冷作硬化不同程度地減弱，靠近焊縫中心的熱影響區金屬軟化更為嚴重。 參考文獻：[ 陳桂清， 傅高生， 閆文軒， 等 鋁合金動態再結晶的實驗研究[J] 材料工程， D**iesg M，Goodyer B g鋁在汽車中的應用[J] 金屬和材料 Burystedmunds， 楊宗輝， 孫曉春 現代鋁合金焊接技術[J] 鋁加工， Silvacl MScottia TheInfluenceofDouble PulseOnporosityFormationinaluminumgmaw [J] 材料加工工藝學報， 李金梅， 石偉， 王舜華， 等 鋁合金容器罐開裂原因分析[J] 理化檢測（物理分束），石懷江 鋁合金板脈衝MIG焊接技術[J] 汽車實用技術，李彥軍，康菊，吳愛萍，等.焊接工藝對鋁合金接頭孔隙率的影響[J] 焊接科學學報， 摘自寶強， 歐陽瑞傑， 喬柳萍 不同CMT工藝的形成及孔隙度分析[J] 焊接學報， 王忠林， 吳曉紅， 等 鋁合金板雷射焊接工藝及雷射多光路系統設計[J] 焊接裝置及材料， 徐飛， 李曉燕， 楊靜， 等.鋁合金雷射焊絲填充焊接技術研究[J]焊接，Sanchez Amayajm德爾加多， 岡薩雷斯·羅維拉， 等 鋁合金雷射焊接及工況條件下的雷射焊接[J] 應用表面科學， 李冰， 謝立陽， 王磊， 等 攪拌摩擦焊工藝與機理研究[J] 現代製造技術與裝備， 熊建坤， 童彥剛 攪拌摩擦焊技術研究進展及應用[J] 電焊機， Mukherjees，Ghosh A K Simulationofanew SolidStateJoiningProcess使用單肩雙銷工具[J] 製造科學與工程學報， Wiliamssw WeldingoFairFrameSusingfriction Stir[J] AirandSpaceEurope， Zhao Huihui， Feng Xiaosong， Xiong Yanyan， et al.鋁合金超薄板無傾斜微摩擦焊接接頭的結構效能[J] 焊接學報， 何迪秋， 李勝鵬， 李健， 等 鋁合金板的攪拌摩擦焊[J] 熱加工技術， 周， 戴志新， 方方偉等。超高速攪拌摩擦鋁合金板的焊接變形及殘餘應力[J].] 理化試驗（物理體積），張賢，穆丹寧 金屬材料維氏硬度試驗測量不確定度的評價[J] 理化試驗（物理體積），文章**—材料與測試網。