6061-t5铝合金搅拌摩擦焊接头组织和力学性能

常熟理工学院学报（自然科学）

Journal of Changshu Institute of Technology （Natural Sciences ）第34卷第2期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 Vol. 34 No. 22020年3月　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Mar .,2020

收稿日期：2019-09-05

基金项目：江苏省大学生创新创业训练计划项目“铝合金汽车车门搅拌摩擦焊强化机理研究”（201810333059X ）

通信作者：郭国林，副教授，硕士，研究方向：材料表面改性及先进连接技术，E-mail: guoguolin@cslg.edu.cn.

吕煜，等：6061-T5铝合金搅拌摩擦焊接头组织和力学性能

6061-T5铝合金搅拌摩擦焊接头组织和力学性能

吕　煜a ，郭国林a，b ，徐子骞a ，王　杰a ， 王　乐a ，吴柯寒a ，高安慧a

（常熟理工学院 a.汽车工程学院；b.江苏省机电产品循环利用技术重点实验室，江苏 常熟 215500）

摘要：采用搅拌摩擦焊技术对6061-T5铝合金进行焊接，分析了焊接速度对接头成形、微观

结构及力学性能的影响. 结果表明：随着焊接速度的增加，沉淀相固溶度下降，晶粒细化；焊接速

度过大时，热输入不足，呈现原始态组织. 当转速为800 r/min，焊接速度为60 mm/min 时，接头成

形良好，抗拉强度达到最大值. 采用合适的搅拌摩擦焊工艺参数，6061-T5铝合金能实现可靠的

连接.

关键词：6061-T5铝合金；搅拌摩擦焊；焊接速度；微观组织；力学性能

中图分类号：TG453+.9　　文献标志码：A 　　文章编号：1008-2794（2020）02-0066-04

铝合金运载工具轻量化可以减少运行阻力，实现高速和节能，是今后的发展方向. 铁路车辆采用铝合金结构比钢结构减轻自重35%~66%，分别增效和节能10%以上. 采用铝合金的汽车轻量化效果明显，国外轮船制造业已开始采用铝合金结构，飞机制造中许多零部件也使用铝合金结构［1］

. 由于大多采用中高强度铝合金，其焊接成为难点. 目前我国工业生产中多采用熔化焊，但铝合金在熔焊过程中焊缝会出现很多问题，如力学性能差、焊接效率低、易出现裂纹、气孔等，严重制约着我国装备制造业的发展.

搅拌摩擦焊（FSW ）技术为铝合金的焊接提供了新途径. 与传统熔化焊相比，焊接温度一般低于材料的熔点，焊接时无飞溅、弧光，材料变形小［2］

. 因此，FSW 技术作为一种绿色、经济的新型焊接方法受到了广泛关注和深入研究. 本文采用FSW 技术对6061-T5铝合金进行焊接实验，研究其组织变化和力学性能. 1　实验材料及方法

1.1　实验材料实验材料为5 mm 厚的 6061-T5 铝合金轧制板材，供货状态为固溶处理加人工时效，尺寸150 mm×65 mm. 其化学成分如表1所示.

1.2　实验方法采用搅拌摩擦焊机对铝板进行焊接，搅拌工具材料为H13，其形状和尺寸如图1所示. 通过专用夹具［3］将铝板装夹在工作台上，焊接工艺参数为：转速 800 r/min ，轴肩下压量0.2 mm ，停留时间10 s. 由于搅拌摩擦焊接时的热输入量与搅拌头转速及焊速密切相关［4-5］，因此通过改变焊接速度对铝板进行焊接.

焊接时合适的热输入使得焊缝区温度均匀，材料能够充分流动. 当增加焊接速度时，焊缝表面呈现明显的100 mm/min 时，焊缝前进侧出现明显的沟槽. 由于焊速过大，导致焊接塑化金属体积较少，金属的流动性变差，后退侧金属无法及时填充搅拌针行进时（a）40 mm/min （b）60 mm/min

（c）80 mm/min （d）100 mm/min 图2 不同焊接速度下接头表面形貌

图3 不同焊接速度下搅拌区显微组织（a）40 mm/min （b）60 mm/min

（c）80 mm/min （d）100 mm/min

68常熟理工学院学报（自然科学）2020年充分的时间长大. 霍仁杰等［7］在研究不

同焊接速度下2024铝合金搅拌摩擦焊

接头组织变化时，也发现焊核区晶粒度

随着焊接速度的增大而略有减小. 焊接

速度过大时，搅拌区发生部分动态再结

晶，因此保留原始态组织，另外金属达

不到热塑性状态，流动不充分，前进侧

材料得不到及时的补充，焊缝区极易出

现沟槽等缺陷. 2.2.2　热机影响区显微组织

图4为不同焊接速度下热机影响区

（TMAZ ）前进侧的显微组织. 搅拌区的

晶粒呈等轴晶，热机影响区受到的搅拌

作用较弱，在热循环作用下，晶粒发生

长大，呈细长状，因此可观察到明显的

界限. 由于搅拌针周围的材料在搅拌头

搅拌和进给的共同作用下发生热剪切产生了较大的变形. 特别是焊接速度为40 mm/min 时，焊缝区温度较高，材料热塑化明显，产生了和搅拌针旋转方向一致的流线. 当焊接速度为100 mm/min 时，焊缝各区域热量较低，

分界线不是很明显. 随着焊接速度的提高，沉淀相溶解量明显降低.

2.3　接头力学性能接头的抗拉强度与晶粒的尺寸、强化相的分布以及焊接

缺陷等因素有关［8-9］. 为了测定焊接接头的力学性能，采用

UTM5305微控电子式万能试验机对焊接试样进行拉伸实验，采用电火花线切割机垂直于焊接方向截取拉伸试样，接头的力学

性能如图5所示. 焊接速度为60 mm/min 时，接头的强度最高，

达到161.4 MPa. 从微观组织可知，由于焊接速度较低，材料的

流动性增强，搅拌区没有出现孔洞形缺陷. 这是由于焊接过程

中组织经历了动态再结晶过程，形成了细小均匀的等轴晶，沉

淀相固溶较充分，基体得到强化，没有溶解的强化相弥散分布，

拉伸时对裂纹的扩展有抑制作用，起到了弥散强化效果. 随着焊接速度的增加，热输入不足，强化相固溶较少，塑性材料的流动性较差，焊

缝区存在孔洞形缺陷，致使接头抗拉强度降低，同时材料的伸长率也明显降

低. 文献［6-7，10］研究了不同工艺参数下，铝合金搅拌摩擦焊接头的拉伸强

度也呈现先增加后减小的趋势. 图6为拉伸实验后的焊接试样. 不同焊接速度

下试样的断裂位置均位于焊缝前进侧（矩形框所示），即接头的搅拌区和基体

金属交界处. 这是由于该区域晶粒不均匀，结合力较小，拉伸时产生应力集中

并萌生裂纹而迅速开裂.

3　结论1）采用合适的搅拌摩擦焊接工艺参数，6061-T5铝合金之间能实现可靠的连接.

图4 不同焊接速度下热机影响区微观组织

（a）40 mm/min （b）60 mm/min

（c）80 mm/min （d）100 mm/min

图 5 接头的抗拉强度和伸长率图6 断裂试样

69第2期吕煜，等：6061-T5铝合金搅拌摩擦焊接头组织和力学性能2）不同焊接工艺参数下得到的焊缝区组织均发生动态再结晶. 转速为800 r/min 时，随着焊接速度的增加，沉淀相固溶度下降，晶粒尺寸减小. 焊接速度过大时，热输入不足，动态再结晶不充分，呈现原始态组织

. 3）搅拌头转速800 r/min ，焊接速度60 mm/min ，轴肩下压量0.2 mm ，停留时间10 s ，为最佳工艺参数，接头抗拉强度达到最大值161.4 MPa. 当焊接速度增加时，接头搅拌区出现孔洞缺陷，抗拉强度随之下降. 参考文献：

［1］王元良，周友龙，胡久富. 铝合金运载工具轻量化及其焊接新技术的发展［J ］. 电焊机，2005，35（9）：14-18.

［2］ 郭国林，王志国，杨君翼，等. 异种不锈钢搅拌摩擦焊对接接头组织和力学性能［J ］. 热加工工艺，2017，46（21）：61-63，67. ［3］郭国林，夏吉，周阳，等. 一种搅拌摩擦对接焊夹具：201820131190.4［P ］. 2018-10-02.

［4］B ISADI H ， TAVAKOLI A ， TOUR SANGSARAKI M ， et al. The influences of rotational and welding speeds on microstruc-

tures and mechanical properties of friction stir welded Al5083 and commercially pure copper sheets lap joints ［J ］. Materials and Design ， 2013， 43: 80-88.［5］MISHRA R S ， MA Z Y. Friction stir welding and processing ［J ］. Materials Science and Engineering R ， 2005， 50: 1-78.［6］ 邓舒浩，邓运来，张臻，等. 焊接工艺对6082-T6 铝合金FSW 接头微观组织与力学性能的影响［J ］. 中南大学学报（自然

科学版），2018，49（10）：2413-2422.

［7］ 霍仁杰，金玉花，王广山，等. 不同焊接速度下2024铝合金搅拌摩擦焊接头的显微硬度与拉伸性能［J ］. 机械工程材料，2019， 43（1）：50-53. ［8］ C HEN H B ， YAN K ， LIN T ， et al. The investigation of typical welding defects for 5456 aluminum alloy friction stir welds

［J ］. Materials Science and Engineering A ， 2006， 433: -69.

［9］ 刘耀，邢丽，杨成刚，等. LF6铝合金搅拌摩擦焊焊缝中S 曲线对接头拉伸性能的影响［J ］. 热加工工艺，2010，39（17）：139-141. ［10］C HEN Y ， WANG H ， WANG X Y ， et al. Influence of tool pin eccentricity on microstructural evolution and mechanical

properties of friction stir processed Al-5052 alloy ［J ］. Materials Science and Engineering A ， 2019， 739: 272-276.

Microstructure and Mechanical Properties of Friction

Stir Welded Joints of 6061-T5 Aluminum Alloy LÜ Yu a , GUO Guolin a,b , XU Ziqian a , WANG Jie a , WANG Le a , WU Kehan a , GAO Anhui

a

(a. School of Automotive Engineering; b. Jiangsu Key Lab of Recycling & Reuse Technology for Mechanical and Electronic Products, Changshu Institute of Technology, Changshu 215500, China)Abstract: Friction stir welding of 6061-T5 aluminum alloy was carried out to analyze the influence of welding speed on the forming, microstructure and mechanical properties of the joints. The results indicated that the solid solubility of precipitated phase decreased and that the grains were refined with increasing welding speed. The heat input was insufficient when the welding speed was too high, presenting the original structure. At a rotational speed of 800 r/min with a welding speed of 60 mm/min, the joint was well formed and the tensile strength of the joint reached a maximum. Thus, a sound joint of 6061-T5 aluminum alloy can be obtained with suitable welding parameters.

Key words: 6061-T5 aluminum alloy; friction stir welding; welding speed; microstructure; mechanical properties