Microstructure evolution and mechanical properties of robotic friction stir welded joints of 2024-T4 ultra-thin aluminum alloy
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摘要: 机器人作为搅拌摩擦焊系统的载体时，由于其关节采用串联模式进行连接，在焊接过程中关节易发生变形，而变形的释放会导致焊漏等缺陷，制约了机器人搅拌摩擦焊系统在超薄板焊接过程中的应用. 针对上述问题，文中对0.5 mm厚超薄2024-T4铝合金板进行了机器人搅拌摩擦焊工艺研究. 结果表明，增加下压量或提高主轴转速成功实现薄板铝合金焊接，在主轴转速为2 500 r/min，焊接速度为600 ~ 1 000 mm/min工艺参数内，接头强度呈现升高趋势，最高可达408 MPa，达到母材90%. 接头硬度呈双“W”形分布，其断裂形式为韧性断裂.Abstract: As the carrier of the robot friction stir welding system, the joints of the robot are connected in series mode, which will deform during the welding process. The release of deformation during the ultra-thin plate welding process will lead to defects such as weld leakage, which restricts the robot friction stir welding system Application in the welding process of ultra-thin plates. In this paper, the robot friction stir welding process of 0.5 mm-thick ultra-thin 2024-T4 aluminum alloy plate was studied. The research indicated that: Due to the insufficient rigidity of the robot body, it is necessary to increase the plunge depth or the spindle speed to realize the welding of the ultra-thin plate, When the spindle speed is 2500 r/min and the welding speed is between 600-1000 mm/min, the joint strength shows a rising trend, up to 408 MPa, reaching 90% of the base material. The joint hardness shows a double "W"-shaped distribution. The fracture form is ductile fracture.
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0. 序言
经过多年的发展，搅拌摩擦焊技术(friction stir welding, FSW)越来越受到工业技术领域的重视，在航空航天、船舶、电子等行业都已经获得广泛的应用[1-4]. 其作为一种固相焊接技术，具有焊接效率高、热输入小、焊接变形小的特点[5]. 目前搅拌摩擦焊主要适用于1 ~ 6 mm中厚板铝合金，此厚度区间内板材具有较大的刚度，焊接过程中焊接属不易发生屈服，薄板的搅拌摩擦焊主要适用于0.7 ~ 1 mm厚度区间；而0.5 mm以下的超薄铝合金目前研究较少[6-8].
超薄铝合金在轨道列车的侧墙、地板、蒙皮、枕梁上已经得到了应用，它的应用显著减轻列车的重量；同样在汽车行业，轻量化概念及节能减排的提出，对于超薄板的普及应用至关重要. 铝合金车身是目前汽车发展的方向，超薄铝合金代替钢或其它普通铝合金可大大减轻汽车重量，从而达到节能减排的作用[9-10].
在上述高端制造业中，空间结构的焊接需求越来越多，但是传统搅拌摩擦焊接设备无法满足需求，而机器人自由度高，与搅拌摩擦焊结合可充分发挥其优点，不但可以实现空间结构的焊接，而且可以极大的提高焊接效率，实现与冲压、装配等工位自动化配合，提高搅拌摩擦焊的自动化水平[11-13].
采用0.5 mm厚2024-T4超薄铝合金为研究对象，并采用自主开发的机器人搅拌摩擦焊系统进行焊接. 由于机器人关节采用串联模式进行连接，焊接过程中关节易发生变形，而变形的释放，会出现焊漏等情况，限制了机器人搅拌摩擦焊在铝合金超薄板中的应用.
针对上述问题，结合搅拌摩擦焊在铝合金焊接中的优势，通过对0.5 mm厚2024-T4铝合金进行了机器人搅拌摩擦焊，并对焊缝成形、接头微观组织和力学性能进行分析，揭示超薄铝合金的搅拌摩擦焊焊接工艺机理，并对机器人搅拌摩擦焊特征进行了分析，为超薄板在实际生产过程中的应用提供理论指导.
1. 试验方法
试验件尺寸为300 mm × 150 mm × 0.5 mm，其化学成分及力学性能如表1所示. 2024-T4铝合金是可热处理强化铝合金，其强化相为Al2Cu, Al2CuMg及Al20Cu2Mn3[14]，试验采用广东省科学院中乌焊接研究所自行开发研制的机器人搅拌摩擦焊系统，搅拌头尺寸为轴肩8 mm，针长0.45 mm，轴肩角度为3°，焊接时搅拌头角度为0°，焊前采用砂纸对试件表面进行打磨处理，将表面氧化膜进行去除，并用酒精将表面油污清除，试验采用主轴转速为500 r/min，焊接速度为600 ~ 1 000 mm/min，焊接过程中采用HKM-SK1.0力学传感器对焊接过程中作用力进行实时检测. 焊后沿垂直焊缝方向采用线切割截取试样，经打磨抛光后采用keller试剂(95 mLH2O+2.5 mLHNO3+1.5 mL HCl+1.0 mLHF)进行腐蚀处理，采用ArioImager.M2 m光学显微镜对接头的显微组织进行观察，采用HVS-1000显微硬度仪对接头硬度分布进行测试，采用QuantaTM 250扫描电镜对接头的晶粒分布等进行了分析，采用拉伸机对接头抗拉强度进行测试，每个参数截取3个标准试样，以其平均值为评价标准.
表 1 2024-T4铝合金化学成分及力学性能Table 1. Chemical composition and mechanical properties of 2024-T4 aluminum alloy质量分数w(%) 抗拉强度Rm/MPa Cu Mn Mg Cr Zn Al 3.8 ~ 4.9 0.3 ~ 1 1.2 ~ 1.8 0.10 0.25 余量 450 2. 试验结果及分析
2.1 机器人搅拌摩擦焊特性
为了研究设定下压量与实际下压量的关系，采用主轴转速为2500 r/min、下扎速度为20 mm/min，扎入下压量分别为0.2与0.35 mm进行焊接，扎入停留1 s后搅拌头抬起，将匙孔从中间切开后观察其宏观形貌，如图1所示，当下压量为0.2 mm时，板材尚有0.1 mm尚未焊透，图1a；当下压量增加到0.35 mm时，板材实现扎透，图1b.
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图 1 匙孔宏观形貌Figure 1. Macro morphology of keyhole. (a) plunge depth 0.2 mm; (b) plunge depth 0.35 mm由于机器人为关节串联式结构，关节间采用电机驱动连接，在焊接作用力下，各关节间易发生变形，因此下压量与设定下压量存在偏差，当其设定0.35 mm大于其理论焊透值0.15 mm时才能实现焊透，并且此设定值会随着板子厚度的增加而增加.
采用压力传感器对焊接过程中的压力变化进行采集，压力传感器采集速度为0.25 s，得到的趋势如图2所示，可分为扎入阶段、焊接阶段及结束阶段，扎入阶段：搅拌头与板材发生刚性接触，随着搅拌头的下压，压力持续增加，当轴肩接触到板材时，压力达到最大，当搅拌头继续扎入时，轴肩周围金属塑化，压力减小；焊接阶段：搅拌针不断与焊接方向前方金属发生剪切变形，前进阻力增加，压力增大；结束阶段：焊接结束后，搅拌针抬起，压力减小.
随着焊接速度从600 mm/min增加到1 000 mm/min，其热输入减小，金属塑化程度降低，从图2中可以看出，其焊接作用力不断增加，但在整个焊接阶段，压力值波动较大，表明其焊接过程呈不稳定性状态，其主要是因为当采用恒定下压量控制方式时，搅拌工具与高低不一的金属发生摩擦，导致金属的塑化程度不同，引起的机器人关节形变的累积和释放不均匀，从而使得压力产生较大波动. 而超薄板采用恒压力控制模式时，即使压力的轻微波动都易导致焊漏等缺陷，只有采用超高精度的传感器才能解决此问题.
2.2 焊缝表面形貌
图3为不同焊接速度焊缝的表面成形，在相同下压量及主轴转速下，随着焊接速度从600 mm/min增大到1 000 mm/min，其热输入不断减小，焊缝表面鱼鳞纹越明显；在此工艺区间内可得到成形良好，无缺陷的焊缝表面形貌. 从图中可以看出在相同的下压量下，随着焊接速度的减小，其飞边越来越严重，产生此现象主要原因是随着焊接速度减小，热输入增加，金属塑化程度提高，机器人累积变形量得到释放，从而使得扎入深度增加，飞边更严重.
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图 3 不同焊接速度焊缝表面成形Figure 3. Surface formation under different welding speed. (a) v = 600 mm/min; (b) v = 800 mm/min ; (c) v =1 000 mm/min2.3 微观组织
图4为焊后典型接头截面形貌，焊缝区域可分为母材区、焊核区、热力影响区、热影响区及轴肩区，因为采用大轴肩小针设计(轴肩尺寸约为针尺寸20倍)，焊核区只占整个焊接区域的1/3，热力影响区位于焊核区附近，热影响区位于轴肩边缘处，此处热量聚集区，轴肩区位于焊核区与热影响区之间，此区域轴肩与待焊板材表面摩擦产热，并产生了0.1 mm的焊缝减薄.
对焊缝中不同位置的显微组织进行了观察(图5)，母材区晶粒(图5a)为典型的轧制状态组织，晶粒沿轧制方向分布，热影响区(图5b)由于受到摩擦热的作用，晶粒发生了长大；轴肩区(图5c)金属可分为上下两层，上层金属与轴肩发生摩擦，晶粒发生了剧烈的塑性变形和动态回复再结晶，形成了细小的等轴晶组织，并与焊核连为一个整体；下层金属只受到热作用，但热量通过超薄板与垫板之间紧密接触热量被迅速传递出去，板材内部尚未达到晶粒变化的热力学条件，下层金属的晶粒尺寸未发生明显变化. 焊核区(图5d)金属在搅拌针作用下发生了剧烈的塑行变形及动态再结晶，形成了细小等轴晶；而且在此区域内由于氧化物的聚集，出现了“S”线. 热力影响区(图5e)受到机械扭转力及焊接热作用，晶粒发生了变形及长大，此区域宽度为30 μm，并且由于金属是从后退侧填充到前进侧，前进侧金属发生的变形更强烈，在前进侧热力影响区与母材的边界比后退侧更明显.
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图 5 不同区域焊缝微观组织形貌Figure 5. Microstructure morphology in different regions. (a) base material; (b) heat affected zone; (c) shoulder zone; (d) nugget zone; (e) thermal mechanical affected zone图6为不同区域的晶粒形貌及晶粒尺寸分布，母材区、热影响区、轴肩区及焊核区平均晶粒尺寸分别为5.93，7.14，5.74，1.67 μm；晶粒大小与前面分析一致；在焊核区，晶粒呈细小等轴状.
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图 6 不同区域的晶粒形貌及晶粒尺寸分布Figure 6. Grain morphology and grain size distribution. (a) base material grain morphology; (b) base material grain size; (c) heat affected zone grain morphology; (d) heat affected zone grain size; (e) shoulder zone grain morphology; (f) shoulder zone grain size; (g) nugget zone grain morphology; (h) nugget zone grain size2.4 力学性能
图7为不同工艺参数下接头的硬度分布，其硬度分布呈现双“W”形分布，其中硬度低点位于焊核区及热影响区为132 HV0.5，高点位于轴肩区为147 HV0.5.
对母材区、轴肩区、热影响区及焊核区晶粒间取向差分布进行统计：大于2°的为高角晶，小于2°的为小角晶. 从图8a和图8c中可以看出，在母材区和轴肩区，小角晶占比高，此区域其位错密度高，阻碍了晶界的滑移，因此其强度高. 轴肩区金属在轴肩的锻压作用下温度迅速升高，但薄板与金属垫板贴合，散热较快，焊后金属快速降温，固溶相溶解度迅速降低，从图9b中可以看出，轴肩区Cu元素发生了聚集，为析出的第二相颗粒Al2Cu及Al2CuMg，并且轴肩的锻压作用使小角晶界增加，第二相颗粒及位错密度的增加使搅拌区硬度高于母材区.
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图 8 不同区域晶粒取向Figure 8. Grain orientation.(a) base material; (b) heat affected zone; (c) shoulder zone; (d) nugget zone![]()
图 9 不同区域铝/铜/镁元素分布Figure 9. Distribution of aluminum/copper/magnesium. (a) heat affected zone; (b) shoulder zone; (c) nugget zone热影响区(图8b)金属在焊接热循环作用下晶粒发生了长大，小角晶转换为高角晶，高角晶比例占比高，位错密度低；从图9a可以看出，Cu元素在热影响区内分布均匀无聚集，其第二相颗粒在热循环下发生了溶解. 因此在热影响区其硬度低.
焊核区(图8d)金属在搅拌针机械作用下发生动态回复再结晶，小角晶界转换为高角晶界，位错密度降低；Cu元素在此区域内呈均匀分布(图9c)，说明第二相颗粒在热循环中被溶解. 根据hall-Petch关系，材料的强度由晶粒大小及位错密度共同决定，在焊核区位错密度占主导作用，其硬度降低.
图10为在不同工艺参数下的接头的强度变化，当焊接速度为600 mm/min时，由于热输入大，机器人的形变释放，使得其实际扎入深度大于设定的扎入深度，因此其减薄程度较多，强度降低. 随着焊接速度的升高，热输入逐渐降低，焊缝减薄程度降低，接头软化程度降低，头强度逐渐升高，当焊接速度为800 mm/min时，其强度最高达到408 MPa，当继续增加焊接速度时，热输入不足，在此设定下压量下无法完全将板材焊透，其强度降低.
3. 结论
(1) 由于机器人是由关节串联连接，其刚性不足，为了实现板材的焊透，其实际扎入深度值要大于理论扎入值.
(2) 接头存在一轴肩区，轴肩区可分为两层，上层金属发生了剧烈塑行变形及动态回复再结晶，下层金属未发生明显变化.
(3) 整个接头硬度呈双“W”形分布，轴肩区由于小角晶比例高、第二相颗粒析出，此区域硬度最高.
(4) 接头抗拉强度超过母材90%，可达408 MPa.
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图 1 匙孔宏观形貌
Figure 1. Macro morphology of keyhole. (a) plunge depth 0.2 mm; (b) plunge depth 0.35 mm
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图 3 不同焊接速度焊缝表面成形
Figure 3. Surface formation under different welding speed. (a) v = 600 mm/min; (b) v = 800 mm/min ; (c) v =1 000 mm/min
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图 5 不同区域焊缝微观组织形貌
Figure 5. Microstructure morphology in different regions. (a) base material; (b) heat affected zone; (c) shoulder zone; (d) nugget zone; (e) thermal mechanical affected zone
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图 6 不同区域的晶粒形貌及晶粒尺寸分布
Figure 6. Grain morphology and grain size distribution. (a) base material grain morphology; (b) base material grain size; (c) heat affected zone grain morphology; (d) heat affected zone grain size; (e) shoulder zone grain morphology; (f) shoulder zone grain size; (g) nugget zone grain morphology; (h) nugget zone grain size
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图 8 不同区域晶粒取向
Figure 8. Grain orientation.(a) base material; (b) heat affected zone; (c) shoulder zone; (d) nugget zone
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图 9 不同区域铝/铜/镁元素分布
Figure 9. Distribution of aluminum/copper/magnesium. (a) heat affected zone; (b) shoulder zone; (c) nugget zone
表 1 2024-T4铝合金化学成分及力学性能
Table 1 Chemical composition and mechanical properties of 2024-T4 aluminum alloy
质量分数w(%) 抗拉强度Rm/MPa Cu Mn Mg Cr Zn Al 3.8 ~ 4.9 0.3 ~ 1 1.2 ~ 1.8 0.10 0.25 余量 450 
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