>摘 要：作为影响搅拌摩擦焊(FSW)过程中塑性材料上下流动的重要因素，搅拌针螺纹形貌同样对搅拌摩擦搭接焊(FSLW)的材料流动和力学性能有着重要影响． 为研究半螺纹搅拌针对FSLW接头显微组织和力学性能的影响，文中将全螺纹搅拌针和半螺纹搅拌针用于包铝2024铝合金FSLW试验，并对不同搅拌针作用下的FSLW接头的横截面形貌、剪切拉伸载荷、断裂位置等方面进行分析对比．结果表明，半螺纹搅拌针会使钩状缺陷向下弯曲，从而使FSLW接头具有较大的有效板材厚度以及搭接宽度．断裂模式同为剪切断裂，但半螺纹搅拌针作用下的FSLW接头拥有更大的拉断载荷．
关键词：搅拌摩擦搭接焊；半螺纹搅拌针；横截面形貌；钩状缺陷
0 序 言
搭接是飞机蒙皮等构件中常见的结构形式． 但传统的铆接会增加构件重量，且需开设预制孔，工艺复杂且劳动强度大[1]；熔化焊因温度过高，焊后接头中易出现热裂纹与气孔等缺陷． 作为一种固相连接技术，搅拌摩擦焊(friction stir welding, FSW)可避免上述问题，且其具有低应力、强度高、不增重、绿色无污染等优点，是一种可实现“以焊代铆”的连接技术[2,3]．
FSW过程中的材料不发生熔化，因此被加热到塑性状态的材料流动行为是影响焊接质量的重要因素，而搅拌头的形状是决定材料流动优劣的重要原因． 近年来，国内外研究者在适用于对接接头的搅拌头的形状优化方面进行了大量研究． 张昭等人[4]的模拟结果指出，采用锥形搅拌针时焊接温度较柱形搅拌针低． Ji等人[5]研究结果表明，同心圆轴肩加速材料流动的效果优于内凹轴肩． 此外，张昭等人[6]通过研究表明，增加搅拌头的尺寸能明显增加搅拌头周围材料流动的分层现象． 与对接接头相比，尽管适用于搭接接头的搅拌头优化的报导较少，但搅拌头形貌对于搅拌摩擦搭接焊(friction stir lap welding, FSLW)接头力学性能的影响是不言而喻的． Xing等人[7]通过对LY12铝合金FSLW的研究指出，搅拌针形貌对搭接接头性能有重要影响． 姬书得等人[8]利用Fluent流体力学软件研究搅拌针形貌影响材料塑性流动规律时指出，优化螺纹旋向、螺纹槽大小以及搅拌针锥角等参数可改善焊接过程中的材料流动．
为了提高搭接接头的力学性能，文中提出并制造了一种半螺纹搅拌针. 通过FSLW接头宏观形貌、钩状缺陷及力学性能的对比，验证了搅拌针的半螺纹结构优于全螺纹. 文中的研究成果对于深入了解搅拌摩擦搭接的焊接机理进而提高焊接质量有着重要的意义.
1 试验方法
试验所选用的材料为包铝2024-T4铝合金． 2024铝具有强度高、比重低、耐热性好等优点，在飞机的骨架、蒙皮等构件上得到广泛应用[9]． 在型号为FSW-3LM-4012的搅拌摩擦焊设备进行搭接接头的焊接． 焊件的上板厚度为3 mm，下板厚度为5 mm．
前期研究结果表明，搅拌针所带螺纹可加速材料流动，且合理设计的螺纹可起到改善局部区域材料流动行为的作用[10]． 对于搭接接头来说，搭接界面处的材料流动行为决定了焊接质量，这与适用于对接接头的搅拌头设计理论存在差异． 针对选用的材料厚度，文中设计并制造了带有半螺纹与全螺纹搅拌针的两种搅拌头，如图1所示． 对于半螺纹来说，轴肩直径为15 mm，针长为6 mm，在搅拌针长度方向上,尖端与中点间的搅拌针表面设计了右旋螺纹(图1b)． 除螺纹所占区域不同外，全螺纹与半螺纹搅拌针的搅拌头的其它几何特征与参数均相同(图1a)．
图1 搅拌头尺寸图(mm)
Fig.1 Schematic diagram of tool
焊接过程中采用搅拌头旋转速度为700，800和900 r/min，焊接速度为50 mm/min的工艺参数进行焊接. 在焊接过程中，搅拌头逆时针转动． 焊后的试样使用万能试验机(RG4300)进行剪切拉伸试验；用光学显微镜(Olympus-GX71)观察接头宏观形貌；用型号为ZSA403的体式显微镜观察试样的断裂位置．
2 结果及讨论
2.1 焊接接头宏观形貌
2024-T4铝板的表面有一层包铝(纯铝)，因此焊后包含包铝层的搭接界面及搅拌区(stir zone, SZ)的特征对于焊接质量有着非常大的影响，如图2与图3所示．
图2 全螺纹搅拌头的搭接接头宏观形貌
Fig.2 Cross-section of FSLW joint using full-threaded pin
图3 半螺纹搅拌头的搭接接头宏观形貌
Fig.3 Cross-section of FSLW joint using half-threaded pin
与FSW对接接头类似，FSLW接头可分为四个区：SZ、热力影响区(thermo-mechanically affected zone， TMAZ)、热影响区(heat affected zone, HAZ)与母材区(base metal, BM)． 包铝层在SZ与TMAZ的分布特征是影响焊接质量的决定因素，其受到材料流动行为的影响． 在焊接过程中，SZ内的材料受搅拌头的带动下除在水平面上做旋转运动外，还会在搅拌针表面螺纹的带动下向下运动；材料运动到搅拌针尖端时堆积且挤压TMAZ的材料，造成TMAZ区的材料向上流动． 在如图2所示的接头横截面宏观形貌中，搭接界面上SZ与TMAZ的包铝层主要呈现向上迁移的规律． 在FSLW过程中，后退侧材料不仅因搅拌针螺纹的存在而呈垂直流动，且随轴肩的旋转呈圆周流动． 两股流动的材料交叉混合，并流向搅拌头前进而流下的空腔，使后退侧的包铝层形貌与前进侧的明显不同．
与全螺纹搅拌针相比，半螺纹搅拌针使SZ内沿搅拌针向下流动的材料变少，使搅拌针尖部材料的堆积及挤压TMAZ的程度减小，导致搭接界面的包铝层向上迁移的距离减小． 对于半螺纹搅拌针来说，螺纹的起始位置仍可以起到加速材料流动的作用[10]． 该螺纹槽位置相当于空腔，对TMAZ的包铝层有“吸”的作用，因此包铝层呈现向下弯曲的形貌(图3)． 提高焊接过程中搅拌头的旋转速度不会改变前进侧与后退侧包铝层的流动方式；在前进侧，高的转速使SZ内包铝层的弯曲程度变大，包铝层向SZ内的延伸区域变小，这主要是与高转速更易于获得FSW过程中的材料流动速度密切相关．
2.2 断裂模式与力学性能
事实上，向上或向下弯曲的包铝层可称为Hook缺陷 [11]，它是影响搭接接头力学性能的重要参数． 对于全螺纹的搅拌针，后退侧的Hook缺陷从TMAZ向沿SZ延伸且越过SZ的中心线；在SZ的后退侧，Hook缺陷的高度随到TMAZ距离的增加而减小；在SZ的前进侧，包铝层与BM混合并出现类似于洋葱环的黑白相间的结构，此结构使前进侧与后退侧Hook缺陷连成一个整体.由于Hook缺陷与类洋葱环结构均是由包铝层(纯铝)组成，其力学性能远低于2024-T4铝合金． 当搭接接头承受拉剪载荷时，萌生于Hook缺陷尖端的裂纹容易沿着包铝层扩展，最后形成剪切断裂，如图4所示．
图4 全螺纹搅拌头焊接接头断裂位置宏观形貌
Fig.4 Fracture position of FSLW joint using full-threaded pin
当半螺纹搅拌针焊接的搭接接头承受拉剪载荷时，裂纹亦在Hook尖端沿包铝层扩展；当扩展到包铝层近末端位置时，裂纹向由纯铝与2024连接的薄弱区域扩展，最终扩展至另一侧包铝层末端，导致剪切断裂(图5)．
图5 半螺纹搅拌头焊接接头断裂位置宏观形貌
Fig.5 Fracture position of FSLW joint using half-threaded pin
对于FSLW来说，有效板厚(effective sheet thickness, EST)是评价搭接接头力学能的一个重要参数[12] ． 一般来说，EST较小时，裂纹更易沿板表面扩展，进而造成拉伸断裂． 而对于全螺纹搅拌针的搭接接头来说，尽管EST非常小，但断裂模式为剪切断裂，其原因主要与包铝层在SZ内前进侧与后退侧距离相近有关． 因此，文中的研究亦说明了包铝层的分布状态对于FSLW接头的断裂模式与力学性能有着重要的影响． 而图3中的EST较大，因此搭接接头呈剪切断裂．
图6给出了两种搅拌针情况下的搭接接头力学性能试验结果． 从图6中可以看出，当接头的受力方式为RS受力时，用半螺纹搅拌针所得搭接接头的拉断载荷的平均值明显高于全螺纹搅拌头． 此试验结果与图2，图3中试验现象相符合． 与图2相比，图3后退侧的SZ无包铝层且TMAZ的包铝层向下弯曲，这均是造成剪切拉伸力的提高的重要因素． 通过对比不同转速下半螺纹搅拌头焊接接头的宏观形貌(图7)可以看出，在700,800,900 r/min时，前进侧Hook缺陷均是向下弯曲，证明了半螺纹前进侧Hook缺陷向下弯曲并非是偶然．
图6 FSLW接头的剪切拉断载荷
Fig.6 Lap shear failure load of FSLW joints
图7 半螺纹搅拌头在不同转速下的搭接接头宏观形貌
Fig.7 Cross-sections of FSLW joints fabricated using half-threaded pin using different rotating speeds
3 结 论
(1) 与全螺纹搅拌相比，半螺纹搅拌头可使在焊接过程中下板TMAZ的向上迁移量变小，可获得较大的有效板材厚度.
(2) 与全螺纹搅拌头相比，半螺纹搅拌头更容易获得高拉剪载荷的搭接接头.
参考文献：
[1] Cantin G M D, David S A, Thomas W M, et al. Friction skew-stir welding of lap joints in 5083-O aluminum[J]. Science and Technology of Welding and Joining, , 10(3): 268-280.
[2] 王快社, 王 文, 郭 韡, 等. 搅拌摩擦焊与手工电弧焊接头电化学腐蚀性能研究[J]. 稀有金属材料与工程, , 39(4): 747-749.
Wang Kuaishe, Wang Wen, Guo Wei, et al. Research on electrochemical corrosion properties of joints by friction stir welding and manual arc welding[J] Rare Metal Materials and Engineering, , 39(4): 747-749.
[3] 张 华, 林三宝, 吴 林, 等. 搅拌摩擦焊研究进展及前景展望[J]. 焊接学报, , 24(3): 91-96.
Zhang Hua, Lin Sanbao, Wu Lin, et al. Current progress and prospect of friction stir welding[J]. Transactions of the China Welding Institution, , 24(3): 91-96.
[4] 张 昭, 刘会杰. 搅拌头形状对搅拌摩擦焊材料变形和温度场的影响[J]. 焊接学报, , 32(3): 5-8.
Zhang Zhao, Liu Huijie. Effect of pin shapes on material deformation and temperature field in friction stir welding[J] Transactions of the China Welding Institution, , 32(3): 5-8.
[5] Ji S D, Xing J W, Yue Y M, et al. Design of friction stir welding tool for avoiding root flaws[J]. Materials. , 6(12): 5870-5877.
[6] 张 昭, 陈金涛, 张洪武. 搅拌头尺寸变化对搅拌摩擦焊接的影响[J]. 材料工程, (1): 19-23.
Zhang Zhao, Chen Jintao, Zhang Hongwu. Scale effect of pin on friction stir welding[J]. Journal of Materials Engineering, (1): 19-23.
[7] Xing L, Zou G, Ke L M, et al. Influence of tool pin profole on the interface migration of friction stir lap joints[J]. China Welding, , 20(4): 6-11.
[8] 姬书得, 孟庆国, 史清宇, 等. 搅拌针形状影响搅拌摩擦焊过程金属塑性流动规律的数值模拟[J]. 焊接学报, , 34(2): 93-98.
Ji Shude, Meng Qingguo, Shi Qingyu, et al. Numerical of metal plastic flow in friction stir welding affected by pin shape[J]. Transactions of the China Welding Institution, , 34(2): 93-98.
[9] 刘红兵, 陈 洁, 占小红, 等. 铝合金搅拌摩擦焊搭接焊的研究概述[J]. 热加工工艺, , 40(19): 126-129.
Liu Hongbing, Chen Jie, Zhan Xiaohong, et al. Review on friction stir lap welding of aluminum alloy[J]. Hot Working Technology, , 40(19): 126-129.
[10] Ji S D, Shi Q Y, Zhang L G, et al. Numerical simulation of material flow behavior of friction stir welding influenced by rotational tool geometry[J]. Computational Materials Science. , 63: 218-226.
[11] Salari E, Jahazi M, Khodabandeh A, et al. Influence of tool geometry and rotational speed on mechanical properties and defect formation in friction stir lap welded 5456 aluminum alloy sheets[J]. Materials and Design, , 58(6): 381-389.
[12] Song Y, Yang X, Cui L, et al. Defect features and mechanical properties of friction stir lap welded dissimilar AA2024-AA7075 aluminum alloy sheets[J]. Materialsand Design, , 55: 9-18.
