Effect of stepped reverse-threaded pin on mechanical properties of friction stir lap welded 2A12-T4 aluminum alloy
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摘要: 搅拌针上螺纹分布情况会对搅拌摩擦焊接头内部材料流动行为产生重要影响，进而影响接头成形及力学性能. 采用锥形螺纹搅拌针和阶梯形正反螺纹搅拌针进行2A12-T4铝合金搅拌摩擦搭接焊试验，对比分析了两种搅拌针下搅拌摩擦搭接焊接头横截面形貌、显微组织、拉剪性能及接头断裂位置. 结果表明，两种搅拌针下接头横截面形貌均呈现“碗状”. 然而，在阶梯形正反螺纹搅拌针焊接下搭接界面后退侧出现特有的“括号”形貌. 相对于锥形螺纹搅拌针，阶梯形正反螺纹搅拌针下的接头热力影响区与热影响区晶粒分布相差不大，但焊核区晶粒细化程度更加明显；接头在焊接速度80 mm/min下可获得最大拉剪性能，其值为10.39 kN. 阶梯形正反螺纹搅拌针下接头界面后退侧出现的“括号”形貌阻碍了裂纹向焊核区进一步扩展，断裂模式表现为拉伸断裂.
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关键词:
- 搅拌摩擦搭接焊 /
- 阶梯形正反螺纹搅拌针 /
- 横截面形貌 /
- 拉剪性能
Abstract: The distribution of the thread on the pin has an important effect on the material flow behavior in the friction stir welded joint, and then affects the joint formation and mechanical properties. In order to investigate cross-section morphology, microstructure, shear failure performances and fracture position of FSLW joints, the taper-threaded pin and the stepped reverse-threaded pin were used to weld 2A12-T4 aluminum alloy. The results showed that the morphologies of joints in cross section under the two types of pins presented “bowl-shaped”. However, the unique “parenthesis” morphology appears at the retreating side of joints using the stepped reverse-threaded pin. Compared with the taper-threaded pin, the grain distribution in the thermo-mechanically affected zone and heat affected zone of the joint welded by the stepped reverse-threaded pin was not different, but the grain refinement degree of stir zone was more obvious. Meanwhile, the maximum shear failure performance was 10.39 kN at the welding speed of 80 mm/min. The “parenthesis” shape on the retreating side of the joint welded by the stepped reverse-threaded pin prevented the crack from spreading to the stir zone, and the fracture mode was tensile fracture. -
0. 序言
2A12-T4铝合金作为一种高强度铝合金,具有良好的耐腐蚀性以及优越的断裂韧性，多用于飞机上的蒙皮、铆钉、翼梁等承受高负荷的构件，同时在航空航天、汽车和船舶等领域上应用广泛[1-2]. 在传统熔化焊技术焊接下的铝合金接头时常会出现裂纹和气孔等缺陷.
搅拌摩擦焊(friction stir welding，FSW)是一种固相焊接技术[3]，自20世纪90年代出现以来在国内外掀起了研究热潮，该技术能克服传统熔化焊接技术下接头的裂纹、气孔等缺陷，使其在航空、航天等领域得到了迅猛的发展，搅拌摩擦搭接焊(friction stir lap welding，FSLW)由此发展而来. 作为FSLW焊接过程中的核心部件，搅拌头会改变焊缝材料流动状态，进而影响接头成形及力学性能. 有研究表明驱动焊缝材料流动的重要因素归因于搅拌针上螺纹分布状态，设计合理的螺纹会使被焊板件之间局部材料充分混合，提高接头强度[4-7]. 李兵等人[5]采用带螺纹和无螺纹搅拌针对2A12铝合金进行焊接，发现在合适的工艺参数下，带螺纹搅拌针使焊缝区塑化材料流动性更好，焊缝内部无缺陷产生. 罗贤道等人[6]对比分析了搅拌针上有无螺纹对7050铝合金焊缝成形的影响，发现有螺纹结构的搅拌针使焊缝热输入量增加，塑性金属流动性更强，表面成形相对较好. Babu等人[7]采用三角形及锥形搅拌针对AA2014铝合金进行FSLW试验，发现焊缝材料流动与搅拌针形貌紧密相关. 在三角形搅拌针焊接下上、下板材料在搅拌区内未能充分混合，可观察到明显的原始界面；而锥形搅拌针使塑化材料向下剧烈流动，材料在搅拌区内充分混合，接头承载力明显提高. 有研究发现，只要搅拌针扎入下板，搭接界面都会出现畸变产生钩状缺陷，造成接头处有效搭接厚度减小，进而降低接头连接强度[8-9].
为使FSLW接头的力学性能得到提高，对比锥形螺纹搅拌针，设计了一种阶梯形正反螺纹搅拌针，在焊接参数的变化下研究不同搅拌针对FSLW接头宏观形貌、拉剪载荷以及断裂模式的影响. 研究成果是对同种或异种铝合金搭接接头高强度制造的有益探索，在包括航空在内的众多工业制造领域有着众多的应用对象与广阔的应用前景，具有一定的科学研究与实际工程价值.
1. 试验方法
采用锥形螺纹及自主设计并制造的阶梯形正反螺纹两种搅拌头对2A12-T4铝合金进行FSLW试验，搅拌针尺寸如图1所示. 其中阶梯形正反螺纹搅拌头的轴肩直径为10 mm，针长2 mm，以阶梯为界分为上、下部两部分. 阶梯上部搅拌针为右旋螺纹，根部直径6 mm，针长1.5 mm；阶梯下部搅拌针为左旋螺纹，针长0.5 mm(图1a). 左旋锥形螺纹搅拌针的轴肩及针长尺寸与阶梯形正反螺纹搅拌头相同(图1b). FSLW试验是在型号FSW3LM4012宽小幅搅拌摩擦焊设备上进行，试板尺寸为150 mm × 300 mm × 1.5 mm，其化学成分如表1所示. 搅拌头在FSLW焊接过程中逆时针旋转，转速固定为800 r/min，焊接速度分别采用50，60，70和80 mm/min，主轴倾角2.5°，轴肩下压量0.1 mm. 制备的试件经抛光后采用凯勒试剂腐蚀，然后在OLYMPUS-GX71型光学显微镜下观察接头宏观形貌和微观组织；在INSTRON-8801型万能拉伸试验机上以5 mm/min的速度进行拉剪试验，各焊接参数下拉伸件的拉剪载荷分别取3个试样的平均值.
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图 1 搅拌针尺寸图Figure 1. Schematic diagram of tool. (a) taper-thread pin; (b) stepped reverse-threaded pin表 1 2A12-T4铝合金的化学成分(质量分数, %)Table 1. Chemical compositions of 2A12-T4 Al alloyCu Mn Mg Zn Ti Al 3.8 ~ 4.9 0.3 ~ 0.9 1.2 ~ 1.8 0.3 0.15 余量 2. 试验结果与分析
2.1 横截面形貌
图2为两种不同形貌搅拌针下FSLW接头的横截面形貌. FSLW接头形貌上宽下窄，呈“碗状”，通常可将其分为4个典型区域：搅拌区(stir zone, SZ)、热力影响区(thermo-mechanically affected zone, TMAZ)、热影响区(heat affected zone, HAZ)以及母材区(base metal，BM). 在焊接过程中由于搅拌针旋转及移动，材料会在垂直方向上发生流动，使得接头在前进侧(advanced side, AS)和后退侧(retreated side, RS)处的搭接界面出现弯曲，形成对FSLW接头质量不利的钩状缺陷[10]，但在RS的接头界面形貌呈现明显不同.
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图 2 FSLW接头横截面形貌Figure 2. Cross sections of FSLW joints. (a) taper-thread pin; (b) stepped reverse-threaded pin在锥形螺纹搅拌针焊接下，搭接界面先向上迁移至最高点后向下延伸至SZ，是因为当搅拌头逆时针旋转时，被焊材料在摩擦力的作用下产生高温并发生塑化，进而沿搅拌针上的螺纹向下流动并在底部不断堆积，同时轴肩向下产生的挤压效用，会迫使材料向上流动，因而界面发生弯曲；而在阶梯形正反螺纹搅拌针下搭接界面RS出现分支呈特有的“括号”形貌(图3). 图4为阶梯形正反螺纹搅拌针下的材料流动模型. 从图4可以看出，材料流动主要是分为两种：一种是阶梯上部搅拌针驱动材料流动，另一种是阶梯下部搅拌针驱动材料流动. 阶梯上部搅拌针为右旋螺纹，材料流动状态与锥形螺纹搅拌针下相似，材料会在阶梯处的不断堆积，轴肩向下挤压作用使材料向上流动使得界面向上弯曲；阶梯下部搅拌针为左旋螺纹，使得材料流动方向正好正反，材料沿左旋螺纹向上流动，上、下部材料在搭接界面处发生撞击，在搅拌区内充分混合，同时由于阶梯结构向下挤压材料能力减弱，界面处聚集的材料会在重力作用下使界面向下偏移，因此界面会出现特有的“括号”形貌，出现此特殊形貌可能会使接头的承载能力提高. 同时发现，在这两种搅拌针下接头AS紧邻SZ的TMAZ边界均比RS更加清晰，是由于AS塑化金属的流动方向与BM不一致，并且相对于RS能产生更大的剪切应力所造成[11].
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图 4 阶梯形正反螺纹搅拌针下材料流动模型Figure 4. Schematics of material flow with stepped reverse-threaded pin2.2 微观组织
图5为在焊接速度80 mm/min下两种搅拌针接头各区域的微观组织. 对于FSLW接头，SZ晶粒对焊接质量起着至关重要的作用[12]. SZ晶粒会在搅拌头强烈搅拌作用下，与工件之间摩擦产热发生剧烈的动态再结晶，从而导致晶粒细化，分布也更加均匀(图5a和图5d). 相对于锥形螺纹搅拌针，阶梯形正反螺纹搅拌针下SZ晶粒细化程度更加明显(图5d)，这是由于在该种搅拌头下，上、下板的材料均向搅拌头阶梯处即搭接界面流动，使得SZ晶粒获得较大的应变速率，材料流动能力增强. 但两种搅拌头下TMAZ与HAZ晶粒分布相差不大. TMAZ晶粒一方面由于机械作用发生弯曲变形，另一方面在一部分热循环作用下发生粗化(图5b和图5d). HAZ晶粒受搅拌针搅拌的机械作用减小，主要吸收来自轴肩边缘及焊缝区的热量，致使晶粒进一步粗化[13]，如图5c和图5f所示.
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图 5 FSLW接头不同区域的显微组织Figure 5. Microstructures of FSLW joints in different regions. (a) SZ(taper-thread pin); (b) TMAZ(taper-thread pin); (c) HAZ(taper-thread pin); (d) SZ(stepped reverse-threaded pin); (e) TMAZ(stepped reverse-threaded pin); (f) HAZ(stepped reverse-threaded pin)2.3 力学性能
在拉剪试验中，由于AS和RS两侧搭接接头形貌有所差异，试样在两侧受力情况的不同会影响接头所承受的拉剪载荷，文中均采用RS受力进行拉剪试验. 对于FSLW，评价力学性能的一个重要指标参数是有效板厚(effective sheet thickness，EST)[14]，EST是指hook尖端最高点与上板上表面的最小值(图2a和图2b). 图6和图7分别是EST值与拉剪载荷随焊接速度变化关系图，结果发现拉剪载荷的高低与EST值密切相关. 采用锥形螺纹搅拌针焊接时，在焊接速度60 mm/min下接头拉剪载荷最高为5.66 kN，对应EST最大值为0.75 mm；在EST值最小为0.25 mm时接头呈现的拉剪载荷最低，其值为4.26 kN. 采用阶梯形正反螺纹搅拌针下，接头拉剪载荷随焊接速度的增加而增大，在焊接速度80 mm/min下获得最高值为10.39 kN，对应EST值由0.46 mm增大至0.64 mm. 同时发现，在焊接速度变化下，采用阶梯形正反螺纹搅拌针的接头拉剪载荷始终明显高于锥形螺纹搅拌针，但在焊接速度为60，70 mm/min下接头EST值略低，这与拉剪载荷与EST值之间的关系发生矛盾，由此表明接头载荷并不完全取决于EST值，搅拌针形貌会对接头强度有重要影响. 锥形螺纹搅拌针下出现的hook缺陷会降低接头强度，但阶梯形正反螺纹搅拌针下接头搅拌区内的上、下板材料在阶梯即在搭接界面处发生猛烈撞击并充分混合，同时SZ区晶粒细化效果明显；界面RS出现特有的“括号”形貌(图3)，在其分支起点处可承受更大的拉剪载荷，这都是造成接头强度高于锥形螺纹搅拌针下的接头强度的主要原因.
FSLW接头通常分为剪切断裂与拉伸断裂两种断裂模式[15]. 裂纹沿两板之间的作用面断裂称为剪切断裂；而沿hook缺陷扩展，最终在上板断裂称为拉伸断裂. 图8为两种搅拌头焊接下接头的断裂试件. 结果发现在两种搅拌头焊接下，接头均在焊核区断裂，呈拉伸断裂模式. 在拉剪试验中，hook缺陷会提供优先的裂纹扩展路径，采用锥形螺纹搅拌针下裂纹主要会沿hook扩展，随后到达SZ区后沿45°向上板延伸. 由此看出，由于EST值较低，裂纹向上板扩展距离小，因此接头所承受的拉剪载荷较小. 采用阶梯形正反螺纹搅拌针下，裂纹首先在RS侧尖端萌生沿界面扩展，到达最高点时，裂纹又开始沿两条路径进一步扩展. 一条是在厚度方向继续沿上板扩展；另一条沿hook继续向SZ区扩展，但在界面处所形成的“括号”形貌以及SZ区内细小的晶粒阻碍了裂纹进一步向SZ区扩展，接头在此处可承受较大的拉剪载荷. 由此说明上下板材料在此处交汇效果明显，裂纹沿搭接界面向上板扩展距离大，极大的提高了接头的拉剪载荷. 由此证明相对于锥形螺纹搅拌针，阶梯形正反螺纹搅拌针下的接头可承受更大的拉剪载荷.
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图 8 FSLW接头的断裂路径Figure 8. Fracture position of FSLW joints. (a) taper- thread pin; (b) stepped reverse-threaded pin3. 结论
(1)阶梯形正反螺纹搅拌针下FSLW接头界面RS侧出现特有的“括号”形貌. 相对于锥形螺纹搅拌针，SZ区材料流动更加剧烈，晶粒细化程度更加明显.
(2) 与锥形螺纹搅拌针相比，在转速800 r/min一定时，阶梯形正反螺纹搅拌针在焊接速度变化下FSLW接头可承受更高的拉剪载荷，接头断裂模式表现为拉伸断裂.
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图 1 搅拌针尺寸图
Figure 1. Schematic diagram of tool. (a) taper-thread pin; (b) stepped reverse-threaded pin
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图 2 FSLW接头横截面形貌
Figure 2. Cross sections of FSLW joints. (a) taper-thread pin; (b) stepped reverse-threaded pin
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图 4 阶梯形正反螺纹搅拌针下材料流动模型
Figure 4. Schematics of material flow with stepped reverse-threaded pin
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图 5 FSLW接头不同区域的显微组织
Figure 5. Microstructures of FSLW joints in different regions. (a) SZ(taper-thread pin); (b) TMAZ(taper-thread pin); (c) HAZ(taper-thread pin); (d) SZ(stepped reverse-threaded pin); (e) TMAZ(stepped reverse-threaded pin); (f) HAZ(stepped reverse-threaded pin)
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图 8 FSLW接头的断裂路径
Figure 8. Fracture position of FSLW joints. (a) taper- thread pin; (b) stepped reverse-threaded pin
表 1 2A12-T4铝合金的化学成分(质量分数, %)
Table 1 Chemical compositions of 2A12-T4 Al alloy
Cu Mn Mg Zn Ti Al 3.8 ~ 4.9 0.3 ~ 0.9 1.2 ~ 1.8 0.3 0.15 余量 
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