D0I:10.13374/1.issm100103.2008.09.008 第30卷第9期 北京科技大学学报 Vol.30 No.9 2008年9月 Journal of University of Science and Technology Beijing Sep·2008 6061一T6铝合金薄板的搅拌摩擦焊接 佟建华)李炼2)邓冬)万发荣1) 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)苏州有色金属研究院，苏州215021 3)北京市新能源材料与技术重点实验室，北京100083 摘要采用搅拌摩擦焊(FSW)技术对1mm厚6061-T6铝合金薄板进行了对接.研究了焊接工艺参数的范围，实验测试了 焊接接头的强度、硬度和延伸率，利用金相显微镜、扫描电镜和透射电镜分析了接头的微观组织.结果表明：对于1mm厚度 6061-T6铝合金，FSW的最优工艺参数为旋转速度1800rmim-1,焊接速度1000 mm'min1:在此参数下，接头的硬度值达到 母材的80%左右，抗拉强度达到母材的103%，延伸率达到母材的54%；接头的力学性能与微观结构相符 关键词铝合金薄板；搅拌摩擦焊；微观组织；力学性能 分类号TG146.2+1;TG456.9 Friction stir welding of 6061-T6 aluminum alloy thin sheets TONG Jianhua,LI Lian).DENG Dong,WAN Farong3) 1)School of Materials Science and Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China 2)Swzhou Research Institute of Nonferrous Metals,Suzhou 215021.China 3)Beijing Key Lab for New Energy Materials and Technology.Beijing 100083,China ABSTRACT 6061-T6 aluminum alloy thin sheets of 1mm in thickness were welded by friction stir welding.Process parameters for the welding were investigated,and the mechanical properties of the welded joint such as Vickers hardness,tensile strength and elon- gation were tested.Metallographic microscope.SEM and TEM were used to analyze the microstructure of the welded joint.The re- sult shows that for 606T6aluminum alloy thin sheets of Imm in thickness,the best welding condition is the rotating speed of 1800 r'min and the welding speed of 1000mmmin.Under this condition,the Vickers hardness,tensile strength,and elongation of the joint are about 80%.103%,and 54%as large as those of parent material,respectively.These mechanical properties are in a- greement with the microstructure. KEY WORDS aluminum alloy thin sheets:friction stir welding:microstructure:mechanical properties 铝合金常用的焊接方法是钨极惰性气体保护焊 时的各种缺陷，焊缝成形较好3，特别适用于铝合 (TIG焊)和熔化极惰性气体保护焊(MIG焊)·但 金的焊接， 这些方法存在着很多焊接问题，如气孔或裂纹的存 对于6061铝合金的搅拌摩擦焊接已有一些报 在山.20世纪90年代初，英国焊接研究所(TWI) 道)]，这些研究都基于较厚板材，没有见到薄板 发明了一种新型的焊接方法一搅拌摩擦焊 (lmm厚)的焊接报道，由于厚度为lmm薄板的尺 (friction stir welding,FSW),并得到了广泛的关 寸过于偏小，形成有效的塑性金属流动区的可用空 注和应用.与传统熔化焊相比，FSW的接头具有晶 间很小，再加上薄板对接时难以对齐等因素，使得薄 粒细小以及疲劳性能、拉伸性能和弯曲性能良好的 板焊接存在一定的难度.同时，6061铝合金多用于 优点；F$W焊接过程无飞溅、无烟尘和无气孔，不需 门窗建材，而这些门窗铝合金构件目前都是采用螺 添加焊丝和保护气体，是一种清洁加工制造技术；由 栓或铆钉连接，因此构件的刚度很低，如果能够采 于接头部位不存在金属的熔化过程，故不存在熔焊 用搅拌摩擦焊技术焊接铝合金门窗构件，将能增大 收稿日期：2007-09-06修回日期：2007-12-07 作者简介：佟建华(1984一)，男，硕士研究生：万发荣(l955一)，男，教授，博士生导师，E-mail:wanfr@mater.ustb-edu.cn
6061－T6铝合金薄板的搅拌摩擦焊接 佟建华1） 李 炼12） 邓 冬1） 万发荣13） 1） 北京科技大学材料科学与工程学院北京100083 2） 苏州有色金属研究院苏州215021 3） 北京市新能源材料与技术重点实验室北京100083 摘 要 采用搅拌摩擦焊（FSW）技术对1mm 厚6061－T6铝合金薄板进行了对接．研究了焊接工艺参数的范围实验测试了 焊接接头的强度、硬度和延伸率利用金相显微镜、扫描电镜和透射电镜分析了接头的微观组织．结果表明：对于1mm 厚度 6061－T6铝合金FSW 的最优工艺参数为旋转速度1800r·min －1焊接速度1000mm·min －1；在此参数下接头的硬度值达到 母材的80％左右抗拉强度达到母材的103％延伸率达到母材的54％；接头的力学性能与微观结构相符． 关键词 铝合金薄板；搅拌摩擦焊；微观组织；力学性能 分类号 TG146∙2＋1；TG456∙9 Friction stir welding of6061－T6aluminum alloy thin sheets T ONG Jianhua 1）LI Lian 12）DENG Dong 1）W A N Farong 13） 1） School of Materials Science and EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China 2） Suzhou Research Institute of Nonferrous MetalsSuzhou215021China 3） Beijing Key Lab for New Energy Materials and TechnologyBeijing100083China ABSTRACT 6061－T6aluminum alloy thin sheets of 1mm in thickness were welded by friction stir welding．Process parameters for the welding were investigatedand the mechanical properties of the welded joint such as Vickers hardnesstensile strength and elongation were tested．Metallographic microscopeSEM and T EM were used to analyze the microstructure of the welded joint．T he result shows that for6061－T6aluminum alloy thin sheets of1mm in thicknessthe best welding condition is the rotating speed of1800 r·min －1and the welding speed of 1000mm·min －1．Under this conditionthe Vickers hardnesstensile strengthand elongation of the joint are about 80％103％and54％ as large as those of parent materialrespectively．T hese mechanical properties are in agreement with the microstructure． KEY WORDS aluminum alloy thin sheets；friction stir welding；microstructure；mechanical properties 收稿日期：2007－09－06 修回日期：2007－12－07 作者简介：佟建华（1984－）男硕士研究生；万发荣（1955－）男教授博士生导师E-mail：wanfr＠mater．ustb．edu．cn 铝合金常用的焊接方法是钨极惰性气体保护焊 （TIG 焊）和熔化极惰性气体保护焊（MIG 焊）．但 这些方法存在着很多焊接问题如气孔或裂纹的存 在［1］．20世纪90年代初英国焊接研究所（T WI） 发明 了 一 种 新 型 的 焊 接 方 法－－－搅 拌 摩 擦 焊 （friction stir weldingFSW） ［2］并得到了广泛的关 注和应用．与传统熔化焊相比FSW 的接头具有晶 粒细小以及疲劳性能、拉伸性能和弯曲性能良好的 优点；FSW 焊接过程无飞溅、无烟尘和无气孔不需 添加焊丝和保护气体是一种清洁加工制造技术；由 于接头部位不存在金属的熔化过程故不存在熔焊 时的各种缺陷焊缝成形较好［3－4］特别适用于铝合 金的焊接． 对于6061铝合金的搅拌摩擦焊接已有一些报 道［5－7］．这些研究都基于较厚板材没有见到薄板 （1mm 厚）的焊接报道．由于厚度为1mm 薄板的尺 寸过于偏小形成有效的塑性金属流动区的可用空 间很小再加上薄板对接时难以对齐等因素使得薄 板焊接存在一定的难度．同时6061铝合金多用于 门窗建材而这些门窗铝合金构件目前都是采用螺 栓或铆钉连接因此构件的刚度很低．如果能够采 用搅拌摩擦焊技术焊接铝合金门窗构件将能增大 第30卷 第9期 2008年 9月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．30No．9 Sep．2008 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2008．09．008
.1012. 北京科技大学学报 第30卷 这类构件的刚度，扩大其应用范围，考虑到成本等 态，厚度为1mm,其合金成分见表1. 因素，建材铝合金大都壁厚很小，因而给搅拌摩擦焊 表16061铝合金的化学成分（质量分数） 接技术的应用带来较大困难，也使得1mm铝合金 Table 1 Chemical composition of 6061 aluminum alloy% 薄板搅拌摩擦焊的需求更为迫切. Mg Si Fe Cu Mn Zn Ti Al 近年来，TWI继续将搅拌摩擦焊成功地应用于 1.060.690.70.150.150.250.15其余 超薄铝片的连接，并将之命名为“超微搅拌摩擦焊 (FSW或Micro-FSW)[8].据报道，TWI已经采 实验采用的焊接设备是中国搅拌摩擦焊中心生 用这项技术完成了厚度不到0.3mm的铝片完美的 产搅拌摩擦焊专用设备FSW一3TSO06,实验采用 搭接或点焊连接，同时还成功的实现了厚度为0.5 mm铝片的对接，焊接速度高达100~500mm· 圆柱型搅拌头，轴肩直径为10mm,搅拌针长 min1.中国搅拌摩擦焊中心成功实现了0.8mm铝 0.85mm,直径为3mm,焊接过程中设置搅拌头与 合金薄板的焊接]，而关于仰SW的公开文献， 竖直方向的倾斜角0为1.5°.采用不同工艺参数 Scialpi]对0.8mm2024T3和6082-T6薄板进行 (旋转速度、焊接速度等)对1mm6061一T6薄板进 了超微搅拌摩擦焊，并对其进行了力学性能分析· 行对接搅拌摩擦焊，以探索薄板焊接的技术条件， 李炼[山对1mm2024T4铝合金薄板搅拌摩擦焊接 用线切割的方法切取试样，分别进行强度、硬度、延 伸率等测试，研究其力学性能；并利用金相观察、扫 头进行了力学性能和微观组织的分析，本文利用厚 度为1mm606一T6铝合金，成功地进行了搅拌摩擦 描电镜以及透射电镜方法对6061铝合金搅拌摩擦 焊接头不同区域的微观组织结构进行分析，研究焊 焊接实验，并对焊缝进行了力学性能测试和微观组 织分析，在此实验的基础上，初步成功实现了铝合 接头不同区域组织结构的异同点，从而进一步探索 金框架的焊接 搅拌摩擦焊过程中材料的复杂变化， 在上述研究的基础上，设计专用卡具，对铝合金 1 实验方法 门窗构件进行了焊接，并取得了初步成功，如图1所 示 实验所用的6061铝合金为淬火十人工时效状 图1铝合金门窗构件焊接实物照片 Fig.1 6061 aluminum alloy window welded by FSW 于此搅拌头及焊接设备焊接1mm厚度606一T6铝 2实验结果与讨论 合金的FSW工艺参数范围，如图2所示， 2.11mm厚度606一T6铝合金FSW工艺 2.21mm厚度6061一T6铝合金SW接头的力学 实现材料焊接必须有一个最低的搅拌头旋转速 性能 度来使材料塑化.对1mm厚度6061T6铝合金的 (1)接头的硬度，选取相同的压入量6= 最低旋转速度是500rmin-1,而且，在一定的旋转 0.07mm,相同的预焊时间τ=16s,选取不同的旋转 速度下实现材料的连接有一个最高的焊接速度，在 速度及焊接速度进行搅拌摩擦焊，焊接后采用线切 n=500r·min1的情况下，这个焊接速度是 割方法截取试样，抛光后在Wilson Wolpert43OsVD 150 mm'min1.当焊接速度太大时，焊缝容易产生 数显维氏硬度计上进行硬度测试，加载为2.94N, “空洞”和“边缘缺陷”，通过大量实验，可以得到基 加载时间为10s,硬度测试结果如图3和图4所示
这类构件的刚度扩大其应用范围．考虑到成本等 因素建材铝合金大都壁厚很小因而给搅拌摩擦焊 接技术的应用带来较大困难也使得1mm 铝合金 薄板搅拌摩擦焊的需求更为迫切． 近年来T WI 继续将搅拌摩擦焊成功地应用于 超薄铝片的连接并将之命名为“超微搅拌摩擦焊 （μFSW 或 Micro-FSW）” ［8］．据报道T WI 已经采 用这项技术完成了厚度不到0∙3mm 的铝片完美的 搭接或点焊连接同时还成功的实现了厚度为0∙5 mm 铝片的对接焊接速度高达 100～500mm· min －1．中国搅拌摩擦焊中心成功实现了0∙8mm 铝 合金薄板的焊接［9］．而关于 μFSW 的公开文献 Scialpi ［10］对0∙8mm2024－T3和6082－T6薄板进行 了超微搅拌摩擦焊并对其进行了力学性能分析． 李炼［11］对1mm2024－T4铝合金薄板搅拌摩擦焊接 头进行了力学性能和微观组织的分析．本文利用厚 度为1mm6061－T6铝合金成功地进行了搅拌摩擦 焊接实验并对焊缝进行了力学性能测试和微观组 织分析．在此实验的基础上初步成功实现了铝合 金框架的焊接． 1 实验方法 实验所用的6061铝合金为淬火＋人工时效状 态厚度为1mm其合金成分见表1． 表1 6061铝合金的化学成分（质量分数） Table1 Chemical composition of 6061aluminum alloy ％ Mg Si Fe Cu Mn Zn Ti Al 1∙06 0∙69 0∙7 0∙15 0∙15 0∙25 0∙15 其余 实验采用的焊接设备是中国搅拌摩擦焊中心生 产搅拌摩擦焊专用设备 FSW－3TS－006实验采用 圆柱 型 搅 拌 头轴 肩 直 径 为 10mm搅 拌 针 长 0∙85mm直径为3mm．焊接过程中设置搅拌头与 竖直方向的倾斜角 θ为1∙5°．采用不同工艺参数 （旋转速度、焊接速度等）对1mm 6061－T6薄板进 行对接搅拌摩擦焊以探索薄板焊接的技术条件． 用线切割的方法切取试样分别进行强度、硬度、延 伸率等测试研究其力学性能；并利用金相观察、扫 描电镜以及透射电镜方法对6061铝合金搅拌摩擦 焊接头不同区域的微观组织结构进行分析研究焊 接头不同区域组织结构的异同点从而进一步探索 搅拌摩擦焊过程中材料的复杂变化． 在上述研究的基础上设计专用卡具对铝合金 门窗构件进行了焊接并取得了初步成功如图1所 示． 图1 铝合金门窗构件焊接实物照片 Fig．1 6061aluminum alloy window welded by FSW 2 实验结果与讨论 2∙1 1mm 厚度6061－T6铝合金 FSW 工艺 实现材料焊接必须有一个最低的搅拌头旋转速 度来使材料塑化．对1mm 厚度6061－T6铝合金的 最低旋转速度是500r·min －1．而且在一定的旋转 速度下实现材料的连接有一个最高的焊接速度在 n＝500 r·min －1 的 情 况 下这 个 焊 接 速 度 是 150mm·min －1．当焊接速度太大时焊缝容易产生 “空洞”和“边缘缺陷”．通过大量实验可以得到基 于此搅拌头及焊接设备焊接1mm 厚度6061－T6铝 合金的 FSW 工艺参数范围如图2所示． 2∙2 1mm厚度6061－T6铝合金 FSW 接头的力学 性能 （1） 接头的硬度．选取相同的压入量 δ＝ 0∙07mm相同的预焊时间τ＝16s选取不同的旋转 速度及焊接速度进行搅拌摩擦焊．焊接后采用线切 割方法截取试样抛光后在 Wilson Wolpert 430SVD 数显维氏硬度计上进行硬度测试加载为2∙94N 加载时间为10s．硬度测试结果如图3和图4所示． ·1012· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第9期 佟建华等：606一T6铝合金薄板的搅拌摩擦焊接 ,1013 1900r 于焊缝方向截取拉伸试样（焊缝处于正中间位置）， 1mm6061-T6 1700 如图5所示，然后在REGER万能试验机上进行拉 1500 伸实验 1300 1100 3 900 700 60 80 500 160 300 0 500 10001500 2000 2500 焊接速度(mm,min 图5拉伸仲试样示意图（单位：mm) Fig.5 Tensile specimens(unit:mm) 图21mm厚度606一T6铝合金的FSW工艺参数范围 Fig.2 FSW parameters of 6061T6 aluminum alloy thin sheets of 1 拉伸强度测试结果如图6和图7所示.从图6 mm in thickness 可以看出到：在v=100 mm'min-1的情况下，抗拉 强度随着旋转速度的提高先上升后下降，在n= 图中及以后文中“X/Y”的分子X代表旋转速度， 1200rmin时达到最大值250MPa;屈服强度随 rmin;分母y代表焊接速度，mm'min1.从图 着旋转速度的提高基本呈上升趋势，在n= 4中可以看到，焊缝区域的硬度分布大致呈“U”形， 1800rmim-1时最大值为160MPa;延伸率随着旋 随着旋转速度的提高，“U”形逐渐变得平滑，说明旋 转速度的提高先上升后下降，在n=800rmin时， 转速度的提高有利于焊核区的硬度的提高，从图3 达到最大值4%.从图7可以看出，在旋转速度n= 可以看出，在旋转速度n=1800rmin的情况下， 1800rmim的情况下，抗拉强度、屈服强度和延伸 随着焊接速度的提高，焊核区的硬度值也基本呈上 率都随着焊接速度的提高先上升后下降，均在)= 升的趋势.当n=1800rmim,v= 1000 mm'min1时候达到最大值，分别为320MPa、 1800 mm'min1焊核区硬度值最高，达到HV 300 10 102.1,为母材的80%. 250 抗拉强度 8 160 n=1 800 r.min- 屈服强度 6 120 150 100 延伸率 4 80 ◆-1800/100 ■-1800/1000 50 40 +-1800/1800 -1800/2500 1000 1500 2080 6-3036912 旋转速度(rmin) 距焊缝中心位置mm 图6焊接速度为l00 mm 'min时各旋转速度下接头的强度 图3旋转速度为1800rmim时各焊接速度下接头的硬度 Fig.6 Strength of joints at different rotating speeds and a welding Fig.3 Vickers hardness of joints at different welding speeds and a speed of 100mm'min1 rotating speed of 1800rmin 160 350 12 v=100 mm.min- 300 抗拉强度 120 10 250 屈服强度 8 80 200 ◆-500/100 150 6 40 ▲-1500/100 ●一1800/100 100 4 2 延伸率 -9 -6-30 369 12 50 距焊缝中心位置mm 0 1000 2000 3000 煤接速度mm,min) 图4焊接速度为100 mm'min一时各旋转速度下接头的硬度 Fig.4 Vickers hardness of joints at different rotating speeds and a 图7旋转速度为1800rmim时各焊接速度下接头的强度测试 welding speed of 100mmmin- 曲线 Fig.7 Strength of joints at different welding speeds and a rotating (2)接头的强度.在母材、焊后板材上沿垂直 speed of 1800r'min1
图2 1mm 厚度6061－T6铝合金的 FSW 工艺参数范围 Fig．2 FSW parameters of6061－T6aluminum alloy thin sheets of1 mm in thickness 图中及以后文中“ X／Y ”的分子 X 代表旋转速度 r·min －1 ；分母 Y 代表焊接速度mm·min －1．从图 4中可以看到焊缝区域的硬度分布大致呈“U”形 随着旋转速度的提高“U”形逐渐变得平滑说明旋 转速度的提高有利于焊核区的硬度的提高．从图3 可以看出在旋转速度 n＝1800r·min －1的情况下 随着焊接速度的提高焊核区的硬度值也基本呈上 升 的 趋 势． 当 n＝ 1800r·min －1 υ ＝ 1800mm·min －1焊 核 区 硬 度 值 最 高达 到 HV 102∙1为母材的80％． 图3 旋转速度为1800r·min －1时各焊接速度下接头的硬度 Fig．3 Vickers hardness of joints at different welding speeds and a rotating speed of 1800r·min －1 图4 焊接速度为100mm·min －1时各旋转速度下接头的硬度 Fig．4 Vickers hardness of joints at different rotating speeds and a welding speed of 100mm·min －1 （2） 接头的强度．在母材、焊后板材上沿垂直 于焊缝方向截取拉伸试样（焊缝处于正中间位置） 如图5所示然后在 REGER 万能试验机上进行拉 伸实验． 图5 拉伸试样示意图（单位：mm） Fig．5 Tensile specimens（unit：mm） 拉伸强度测试结果如图6和图7所示．从图6 可以看出到：在 υ＝100mm·min －1的情况下抗拉 强度随着旋转速度的提高先上升后下降在 n＝ 1200r·min －1时达到最大值250MPa；屈服强度随 着旋 转 速 度 的 提 高 基 本 呈 上 升 趋 势在 n ＝ 1800r·min －1时最大值为160MPa；延伸率随着旋 转速度的提高先上升后下降在 n＝800r·min －1时 达到最大值4％．从图7可以看出在旋转速度 n＝ 1800r·min －1的情况下抗拉强度、屈服强度和延伸 率都随着焊接速度的提高先上升后下降均在 υ＝ 1000mm·min －1时候达到最大值分别为320MPa、 图6 焊接速度为100mm·min －1时各旋转速度下接头的强度 Fig．6 Strength of joints at different rotating speeds and a welding speed of 100mm·min －1 图7 旋转速度为1800r·min －1时各焊接速度下接头的强度测试 曲线 Fig．7 Strength of joints at different welding speeds and a rotating speed of 1800r·min －1 第9期 佟建华等：6061－T6铝合金薄板的搅拌摩擦焊接 ·1013·
.1014. 北京科技大学学报 第30卷 210MPa和7%，为母材的103%、81%和54%（母材 分别是1500/800、1500/1800试样的横截面各区的 的抗拉强度、屈服强度、延伸率分别为310MPa,260 金相图.从两图中可以明显看出焊合区、热机影响 MPa,13%). 区(thermal-mechanically affected zone,TMAZ)及热 拉伸实验时，拉伸断裂处多发生在焊核区，这 影响区(heat affected zone,HAZ)的分界；焊合区的 不是由焊接缺陷引起的，而可能是由于轴肩的顶锻 组织比较细小，热机影响区组织呈明显的带状，即在 压力造成试样厚度的减薄，也就是说搅拌摩擦焊焊 焊接过程中由于搅拌头的作用组织被拉长了；热影 核区的力学性能不足以弥补试样厚度的减薄， 响区和母材没有明显的区别和界限，这是由于工件 2.31mm厚度6061-T6铝合金SW接头的微观 较薄热影响区较小造成的，而在较厚的材料焊接中 组织 则存在较明显的热影响区，对比两图的热机影响区 (1)金相组织分析.选取工艺参数(n/v)为 可以看到，1500/800试样的晶粒比1500/1800试样 1500/800、1500/1800的焊接试样，采用Keller试 的晶粒小，而且1500/800试样的热机影响区域要 剂(3mL硝酸，6mL盐酸，6mL氢氟酸，150mL水) 大，这是由于1500/800试样焊接过程中搅拌头的 对研磨抛光后的试样进行腐蚀，然后在LEICA金相 破碎作用比1500/1800试样充分造成的.由图8 显微镜上进行金相观察，如图8所示，从图8(a)可 ()可以看到工件在焊接过程中产生飞边的过程及 以看到FSW试样金相腐蚀时焊核区(weld nugget 状态，即飞边产生于焊合区及热基影响区，在搅拌头 zone,WNZ)与母材(parent material,PM)的明显界 轴肩的作用下，逐步将焊合区的塑性金属“挤”向热 限，图中的界限为“U”形界限的一半.图8(b)和(c) 机影响区并进一步“挤”出试样表面. (a) b 20m 201山m 20m 40m 图8接头的金相照片.(a)1500/800试样形貌：(b)1500/800试样横截面各区；(c)1500/1800试样横截面各区；(d)母材：(c)1500/800 试样飞边金相照片 Fig.8 Optical micrographs of the joints:(a)morphology of the joint under 1500/800;(b)zones in the joint under 1500/800:(c)zones in the joint under 1500/1800:(d)parent material:(e)fins on the welded surface of the joints under 1500/800
210MPa 和7％为母材的103％、81％和54％（母材 的抗拉强度、屈服强度、延伸率分别为310MPa260 MPa13％）． 拉伸实验时拉伸断裂处多发生在焊核区．这 不是由焊接缺陷引起的而可能是由于轴肩的顶锻 压力造成试样厚度的减薄也就是说搅拌摩擦焊焊 核区的力学性能不足以弥补试样厚度的减薄． 2∙3 1mm厚度6061－T6铝合金 FSW 接头的微观 组织 （1） 金相组织分析．选取工艺参数（ n／υ）为 1500／800、1500／1800的焊接试样采用 Keller 试 剂（3mL 硝酸6mL 盐酸6mL 氢氟酸150mL 水） 对研磨抛光后的试样进行腐蚀然后在 LEICA 金相 显微镜上进行金相观察如图8所示．从图8（a）可 以看到 FSW 试样金相腐蚀时焊核区（weld nugget zoneWNZ）与母材（parent materialPM）的明显界 限图中的界限为“U”形界限的一半．图8（b）和（c） 分别是1500／800、1500／1800试样的横截面各区的 金相图．从两图中可以明显看出焊合区、热机影响 区（therma-l mechanically affected zoneT MAZ）及热 影响区（heat affected zoneHAZ）的分界；焊合区的 组织比较细小热机影响区组织呈明显的带状即在 焊接过程中由于搅拌头的作用组织被拉长了；热影 响区和母材没有明显的区别和界限这是由于工件 较薄热影响区较小造成的而在较厚的材料焊接中 则存在较明显的热影响区．对比两图的热机影响区 可以看到1500／800试样的晶粒比1500／1800试样 的晶粒小而且1500／800试样的热机影响区域要 大这是由于1500／800试样焊接过程中搅拌头的 破碎作用比1500／1800试样充分造成的．由图8 （e）可以看到工件在焊接过程中产生飞边的过程及 状态即飞边产生于焊合区及热基影响区在搅拌头 轴肩的作用下逐步将焊合区的塑性金属“挤”向热 机影响区并进一步“挤”出试样表面． 图8 接头的金相照片．（a）1500／800试样形貌；（b）1500／800试样横截面各区；（c）1500／1800试样横截面各区；（d）母材；（e）1500／800 试样飞边金相照片 Fig．8 Optical micrographs of the joints：（a） morphology of the joint under1500／800；（b） zones in the joint under1500／800；（c） zones in the joint under1500／1800；（d） parent material；（e） fins on the welded surface of the joints under1500／800 ·1014· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第9期 佟建华等：606一T6铝合金薄板的搅拌摩擦焊接 ,1015. (2)扫描电镜分析，在CAMBRIGE S360型扫 对于热处理强化型铝合金6061，材料的强度及 描电子显微镜下对焊接试样进行表面微观形貌观 硬度主要受强化相Mg2Si含量的影响，焊前6061一 察，加速电压为15kV,图9为各焊接参数下焊核区 T6铝合金经过固溶时效处理后强度达到最高值的 的扫描照片，对比图9(a)~(d)可以看出，经过 状态，而FSW过程中由于发生了部分的固溶现象， FSW处理之后，焊核区的第二相MgSi比母材变得 减少了MgSi的含量，从而降低了材料的强度，导致 更加细小弥散，而且含量有所减少；这是由于焊接过 了F$W接头的硬度、强度均低于母材，如图3~4所 程中温度比较高，第二相MgSi发生了部分固溶于 示，对FSW接头在170℃进行焊后热处理发现，接 基体的现象造成的.对比图9(b)与图9(c)还可以 头的硬度较热处理前都有所升高，如图10所示；这 看出，当提高了焊接速度之后（即降低了焊接温度）， 是由于在合适的热处理温度下(170℃左右)，接头 随着固溶度的减小，Mg2Si大小及含量有所增大， 时效析出更多的MgSi粒子，促进强化作用的原因. (a) 200μmt (b 200m 2()um 2(001m 图9焊核区及母材扫描照片.(a)500/100:(b)1800/100:(c)1800/1000:(d)母材 Fig.SEM images of 6061 weld nugget zone and parent material:(a)500/100;(b)1800/100:(c)1800/1000:(d)hase material 160 喷制样，在JEOL-JEM1O0CX透射电子显微镜下进 120 行微观组织的观察以及选区衍射(SAD),加速电压 为100kV. 80 ◆一热处理前 如图11为FSW接头及母材的透射电镜照片. 40 ·一170℃热处理后 对比图11(a)~(c)可以看出，经过FSW过程，焊核 2g6-30369 区晶粒变得非常细小，比母材的晶粒小得多.对比 离焊缝中心位置mm 图(a)与(b)可以看出，1500/1800试样晶粒比 图10焊态接头和170℃热处理后硬度值对比 1500/500试样的稍大一些，说明焊接过程中一定时 Fig.10 Contrast of hardness between the as welded joint and the 间内热输入的多少会影响焊核区晶粒的大小，从 joint after heat treatment at 170C 图(a)和(b)还可以看出，焊核区均存在亚结构，从 图(a)及(d)可以看出，焊核区还存在一定密度的位 (3)透射电镜分析，采用线切割方法截取母材 错，位错的塞积致使焊核区形成了非平衡的晶界，其 及焊缝组织，逐步磨薄至100m以下，然后进行冲 就是亚晶的晶界，如图11(e)所示.亚结构的存在可 样，采用HN03/甲醇=3/7（体积比）的溶液进行双 能是导致接头延伸率下降的原因
（2） 扫描电镜分析．在 CAMBRIGE－S360型扫 描电子显微镜下对焊接试样进行表面微观形貌观 察加速电压为15kV．图9为各焊接参数下焊核区 的扫描照片．对比图9（a）～（d）可以看出经过 FSW 处理之后焊核区的第二相 Mg2Si 比母材变得 更加细小弥散而且含量有所减少；这是由于焊接过 程中温度比较高第二相 Mg2Si 发生了部分固溶于 基体的现象造成的．对比图9（b）与图9（c）还可以 看出当提高了焊接速度之后（即降低了焊接温度） 随着固溶度的减小Mg2Si 大小及含量有所增大． 对于热处理强化型铝合金6061材料的强度及 硬度主要受强化相 Mg2Si 含量的影响焊前6061－ T6铝合金经过固溶时效处理后强度达到最高值的 状态而 FSW 过程中由于发生了部分的固溶现象 减少了 Mg2Si 的含量从而降低了材料的强度导致 了FSW 接头的硬度、强度均低于母材如图3～4所 示．对 FSW 接头在170℃进行焊后热处理发现接 头的硬度较热处理前都有所升高如图10所示；这 是由于在合适的热处理温度下（170℃左右）接头 时效析出更多的 Mg2Si 粒子促进强化作用的原因． 图9 焊核区及母材扫描照片．（a）500／100；（b）1800／100；（c）1800／1000；（d） 母材 Fig．9 SEM images of 6061weld nugget zone and parent material：（a）500／100；（b）1800／100；（c）1800／1000；（d） base material 图10 焊态接头和170℃热处理后硬度值对比 Fig．10 Contrast of hardness between the as-welded joint and the joint after heat treatment at 170℃ （3） 透射电镜分析．采用线切割方法截取母材 及焊缝组织逐步磨薄至100μm 以下然后进行冲 样采用 HNO3／甲醇＝3／7（体积比）的溶液进行双 喷制样在 JEOL－JEM100CX 透射电子显微镜下进 行微观组织的观察以及选区衍射（SAD）加速电压 为100kV． 如图11为 FSW 接头及母材的透射电镜照片． 对比图11（a）～（c）可以看出经过 FSW 过程焊核 区晶粒变得非常细小比母材的晶粒小得多．对比 图（a） 与（b） 可以看出1500／1800 试样晶粒比 1500／500试样的稍大一些说明焊接过程中一定时 间内热输入的多少会影响焊核区晶粒的大小．从 图（a）和（b）还可以看出焊核区均存在亚结构．从 图（a）及（d）可以看出焊核区还存在一定密度的位 错位错的塞积致使焊核区形成了非平衡的晶界其 就是亚晶的晶界如图11（e）所示．亚结构的存在可 能是导致接头延伸率下降的原因． 第9期 佟建华等：6061－T6铝合金薄板的搅拌摩擦焊接 ·1015·
,1016, 北京科技大学学报 第30卷 回 亚是 2 um um 回 d 位 3 um 14m 图116061FsW接头及母材的透射电镜照片.(a)1500/500:(b)1500/1800:(c)母材：(d)(a)的放大照片：(e)(d)的放大照片 Fig-11 TEM images of 6061 welds and parent material:(a)1500/500:(b)1500/1800:(c)base material:(d)enlargement of (a):(e)en- largement of (d) 通过以上分析可以知道，对于图3~图7所示 的F$W接头硬度、强度随着焊接参数变化的趋势 3结论 是由多种因素影响的结果，包括不同焊接参数下焊 (1)成功地进行了厚度为1mm的606一T6铝 核区晶粒尺寸的大小、第二相含量及分布、位错的密 合金薄板的对接搅拌摩擦焊接实验，并实现铝合金 度、亚结构的多少等，因此研究焊接参数对接头硬 门窗构件的搅拌摩擦焊接 度及强度变化趋势的机理，是一个相当复杂的问题 (2)对于1mm厚度6061一T6铝合金，FSW的
图11 6061FSW 接头及母材的透射电镜照片．（a）1500／500；（b）1500／1800；（c） 母材；（d） （a） 的放大照片；（e） （d）的放大照片 Fig．11 TEM images of 6061welds and parent material：（a）1500／500；（b）1500／1800；（c） base material；（d） enlargement of （a）；（e） enlargement of （d） 通过以上分析可以知道对于图3～图7所示 的 FSW 接头硬度、强度随着焊接参数变化的趋势 是由多种因素影响的结果包括不同焊接参数下焊 核区晶粒尺寸的大小、第二相含量及分布、位错的密 度、亚结构的多少等．因此研究焊接参数对接头硬 度及强度变化趋势的机理是一个相当复杂的问题． 3 结论 （1） 成功地进行了厚度为1mm 的6061－T6铝 合金薄板的对接搅拌摩擦焊接实验并实现铝合金 门窗构件的搅拌摩擦焊接． （2） 对于1mm 厚度6061－T6铝合金FSW 的 ·1016· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第9期 佟建华等：606一T6铝合金薄板的搅拌摩擦焊接 ,1017 最优化工艺参数为旋转速度1800rmim-1,焊接速 [5]Marzoli L M,Strombeck A V,Dos Santos J F.et al.Friction 度1000 mmmin1.在此参数下，接头的硬度值达 stir welding of an AA6061/Al203/20p reinforced alloy.Compos Sci Technol,2006.66,363 到母材的80%左右，抗拉强度达到母材的103%，延 [6]Hong S.Kim S.Lee C G.et al.Fatigue crack propagation be- 伸率达到母材的54%，其力学性能与微观结构正好 havior of friction stir welded Al-Mg Si alloy.Scripta Mater, 相符. 2006,55:1007 (③)由于在焊接过程中发生了部分固溶现象， [7]Zhao Y.Fu J.Zhang P L.et al.Research on effect of welding 降低了强化相MgSi的含量，导致了接头硬度及强 ways on joint performance of aluminum alloy.Jiangsu Univ Sci Technol Nat Sci Ed.2006,20(1):90 度值均低于母材；延伸率的下降与位错及亚结构的 (赵勇，付娟，张培磊，等.焊接方法对6061铝合金接头性能 增多有关；通过适当的焊后热处理，接头的硬度及强 影响的研究.江苏科技大学学报：自然科学版，2006,20(1)： 度有所回升. 90) [8]Nee Joo Teh.Small joints make a big difference.Connect,2006. 参考文献 143:1 [1]Yang S F.Welding technology of aluminum alloy.J Mar Tech- [9]CFSWT.0.8mm Aluminum Alloy Sheet was Successfully Welded nol,2003(5):26 in Our Company [EB/OL].[2007-01-01]http://www.cfswt. (杨淑芳.铝合金焊接技术.造船技术，2003(5).26) com/aspnews/fswt/2007125101124.htm [2]Thomas W M.Nicholas JC.Friction Stir Butt Welding:Inter- (CSWT·我公司成功实现O.8mm铝合金薄板焊接[EB/ national Patent Application.No.PCT/GB92/02203 and GB OL].[2007-01-01]http://www.cfswt.com/aspnews/fswt/ Patent Application.No.9125978.8,1991 2007125101124.htm) [3]Yan K.Jiang C Y,LiJY,et al.An advanced friction stir weld- [10]Scialpi A.de Giorgi M.de Filippis L A C,et al.Mechanical ing.Light Alloy Fabr Technol.2003.23(11):37 analysis of ultrathin FSW joined sheets with dissimilar and simi- (严铿，蒋成禹，李敏勇，等.先进的搅拌摩擦焊.轻合金加工 lar materials.Mater Des.2007(4):6 技术，2003,23(11)：37) [11]Li L,Tong J H.Wan F R.Long Y.Microstructure and me- [4]GuC D.Chen G B.Non ferrous Metal Welding.Beijing:China chanical properties of friction stir welded thin sheets of 2024-T4 Machine Press.1995 aluminum alloy.Trans Nonferrous Met Soc China,2006.16 (顾曾迪，陈根宝·有色金属焊接北京：机械工业出版社， (Suppl 3):s1256 1995)
最优化工艺参数为旋转速度1800r·min －1焊接速 度1000mm·min －1．在此参数下接头的硬度值达 到母材的80％左右抗拉强度达到母材的103％延 伸率达到母材的54％其力学性能与微观结构正好 相符． （3） 由于在焊接过程中发生了部分固溶现象 降低了强化相 Mg2Si 的含量导致了接头硬度及强 度值均低于母材；延伸率的下降与位错及亚结构的 增多有关；通过适当的焊后热处理接头的硬度及强 度有所回升． 参 考 文 献 ［1］ Yang S F．Welding technology of aluminum alloy．J Mar Technol2003（5）：26 （杨淑芳．铝合金焊接技术．造船技术2003（5）：26） ［2］ Thomas W MNicholas J C．Friction Stir Butt Welding：International Patent Application No．PCT／GB92／02203 and GB Patent ApplicationNo．9125978．81991 ［3］ Yan KJiang C YLi J Yet al．An advanced friction stir welding．L ight Alloy Fabr Technol200323（11）：37 （严铿蒋成禹李敬勇等．先进的搅拌摩擦焊．轻合金加工 技术200323（11）：37） ［4］ Gu C DChen G B．Non-ferrous Metal Welding．Beijing：China Machine Press1995 （顾曾迪陈根宝．有色金属焊接．北京：机械工业出版社 1995） ［5］ Marzoli L MStrombeck A VDos Santos J Fet al．Friction stir welding of an AA6061／Al2O3／20p reinforced alloy．Compos Sci Technol200666：363 ［6］ Hong SKim SLee C Get al．Fatigue crack propagation behavior of friction stir welded A-l Mg-Si alloy． Scripta Mater 200655：1007 ［7］ Zhao YFu JZhang P Let al．Research on effect of welding ways on joint performance of aluminum alloy．J Jiangsu Univ Sci Technol Nat Sci Ed200620（1）：90 （赵勇付娟张培磊等．焊接方法对6061铝合金接头性能 影响的研究．江苏科技大学学报：自然科学版200620（1）： 90） ［8］ Nee Joo Teh．Small joints make a big difference．Connect2006 143：1 ［9］ CFSWT．0∙8mm Aluminum Alloy Sheet was Successfully Welded in Our Company ［EB／OL ］［2007－01－01］ http：∥www．cfswt． com／aspnews／fswt／2007125101124．htm （CFSWT．我公司成功实现 0∙8 mm 铝合金薄板焊接 ［ EB／ OL ］［2007－01－01］ http：∥www．cfswt．com／aspnews／fswt／ 2007125101124．htm） ［10］ Scialpi Ade Giorgi Mde Filippis L A Cet al．Mechanical analysis of ultra-thin FSW joined sheets with dissimilar and similar materials．Mater Des2007（4）：6 ［11］ Li LTong J HWan F RLong Y．Microstructure and mechanical properties of friction stir welded thin sheets of 2024-T4 aluminum alloy．T rans Nonferrous Met Soc China200616 （Suppl3）：s1256 第9期 佟建华等：6061－T6铝合金薄板的搅拌摩擦焊接 ·1017·
