搅拌摩擦焊接头内部孔洞缺陷分析

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中图分类号：U546 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）11-0022-02

相对于搅拌摩擦焊缝表面缺陷，内部缺陷对焊缝的性能影响更为严重，而且不易发现，要借助于一些缺陷检测工具，而且有的缺陷必须用专门的检测工具才可以发现。内部缺陷主要包括内部孔洞和隧道、Z线和界线、吻接等。

1 内部孔洞

内部孔洞的形成原因与表面孔洞有本质的区别，前者涉及到搅拌摩擦焊接头内部热塑性材料的复杂流动情况。当焊接过程的热输入不足时，达到塑性化状态的材料不足，材料流动不充分而导致在焊缝内部形成材料未完全闭合。当采用不带螺纹的柱状或锥状搅拌针的搅拌头进行焊接时接头容易出现该类缺陷。通常位于接头前进侧的中下部以及焊缝表面附近，如图1。

内部孔洞与接头内部热塑性材料的流动情况有直接关系，试验研究表明，搅拌摩擦焊接过程中接头前进侧与返回侧的材料流动是不对称的，如图2，前进侧母材的流动方向和搅拌针周围的热塑性材料流动方向相反，而返回侧母材的流动方向和搅拌针周围的热塑性材料流动方向相同，因此造成前进侧的材料流动情况比返回侧复杂。搅拌针周围的热塑性材料在搅拌针的旋转作用下从前进侧被带到返回侧，并在返回侧发生沉积，如果焊接参数不恰当，导致焊接过程温度较低，热塑性材料的流动状态变差，这样前进侧被搅拌针带走的材料得不到及时的补充，因此就会在接头内部形成孔洞。

图3是焊接过程中材料沿厚度方向的流动示意图，其中图3（a）、（b）和（c）分别为焊缝前进侧上部、中部和下部的材料流动情况，而3（d）、（e）和（f）分别为返回侧上部、中部和下部的材料流动情况。前进侧上部的热塑性材料在轴肩的压力和搅拌针螺纹的作用下主要向下流动，如图3（a），而前进侧下部由于受轴肩的作用小，只是在搅拌针的旋转与挤压作用下带动一部分材料向上运动，如图3（c），当这部分向上运动的材料遇到由上部传送下来的材料，导致在前进侧中部的材料流动情况变得异常复杂，如图3（b），两股交汇的热塑性材料向焊核内部运动，并在孔洞周围沉积下来；相对前进侧，返回侧的材料运动形式就简单得多，热塑性材料在轴肩和搅拌针的作用下由上部向下部运动。

为了避免这种内部孔洞的产生，要选择合适的焊接参数，此外在搅拌针上加工螺纹可以增大搅拌针与塑性材料之间的摩擦，产生更多的热量，而且由于螺旋线可以产生一个向下的压力，使塑性材料流动更充分，搅拌更均匀，可以避免这种缺陷的产生。

2 隧道型缺陷

内部孔洞如果在焊缝长度方向上延伸较长时就形成隧道型缺陷，这是比较典型而且危害最大的一种缺陷，所以此处单独分析。隧道型缺陷通常位于接头前进侧的中下部，如图4（a） ，焊接完成后从匙孔处可观察到这种缺陷，它贯穿整个焊接过程，图4（b）为其X射线透射照。

关于这种缺陷的产生，主要有以下几种原因：

（1）试验发现，产生隧道型缺陷的一个主要原因是焊接工艺参数选择不当。当搅拌头旋转速度过小或者焊接速度过大时会在焊缝中产生这类缺陷。因为搅拌头旋转速度减小和焊接速度增大都会直接导致焊接过程热输入不足，从而达到热塑性状态的金属体积减少，搅拌摩擦头不断将热塑性金属从前进侧转移到返回侧，由于塑性金属的流动性变差，以致前进侧金属未能被来自返回侧的塑性金属及时填充，而导致此区内金属量减少，最终在此处留下巨大隧道[2，3]。

（2）焊接过程中焊缝前进侧与返回侧金属的流动方式不同。焊缝前进侧与返回侧塑性金属受到搅拌针的剪切力及搅拌针前方塑性金属向后的挤压力共同作用而流动，如图2。在前进侧塑性金属受到搅拌针的剪切力与焊接方向的塑性金属的挤压力方向相反，如果焊接速度过低，搅拌针前方塑性金属向后的挤压作用减弱，因而在焊接过程中前进侧大量塑性金属被搅拌针剪切到返回侧且前方的塑性金属无法及时的填充搅拌针后方空间而形成孔洞。而返回侧金属所受搅拌针剪切力与焊接方向的塑性金属的挤压力方向相同，焊后大量金属沉积在返回侧，因而隧道型缺陷大多出现在前进侧[4]。

（3）在较高的搅拌头转速和焊度下，会造成材料的异常搅动，这种异常搅动也会产生隧道型缺陷，如图5（a）。这种隧道型缺陷的形状不同于热输入不足造成的隧道型缺陷，如图5（b），前者明显大于后者。热输入不足造成的缺陷随着压力增大逐渐消失，而异常搅动产生的缺陷对压力并不敏感。产生异常搅动的原因是由于接头上部和下部温度不同所致[1]。

（4）当搅拌头的倾角比较小时（），焊核区也可能产生隧道型缺陷。这是由于角度较小时，搅拌头搅拌针下部的塑性金属发生沉积，不能随搅拌头的旋转向上翻转，造成搅拌头行进过程中的空腔得不到很好填充，因而在轴肩下方出现了沟槽或隧道型缺陷。随着倾角的增大，这种缺陷将会消失[5]。而且搅拌头倾角也会影响焊接过程的热输入，随着倾角的增大，产热率增大[6]。

（5） 试验还发现，当试样之间留有间隙时，常会在焊缝中发现隧道型缺陷。其产生原因是由于间隙的存在使得焊缝连接所需的塑性金属减少，在没有塑性金属补充的情况下只能是在焊缝中形成隧道型缺陷。

综上所述，如果想要避免焊接过程中出现隧道型缺陷，除了要选择适当的焊接工艺参数外（搅拌头转速、焊速、压力），还要保证适当的搅拌头倾角，一般为，另外还要避免待焊件之间存在间隙。试验还发现，采用带螺纹的锥形搅拌针比不带螺纹的搅拌针更容易避免隧道型缺陷的产生，因为带螺纹的锥形搅拌针增大了塑性金属的流动性。

参考文献

[1] Kim Y G，Fujii H，Tsumura T，et al.Three defect types in friction stir welding of aluminum die casting alloy[J].Materials Science and Engineering A，2006，415：250-254.

[2] 王希靖，阿s，郭瑞杰.LY12铝合金的搅拌摩擦焊接工艺研究[J].兰州理工大学学报，2004，30（4）：12-14.

[3] 黄华，董仕节，吴勇等.LF21板搅拌摩擦焊接头组织与焊接工艺关系的研究[J].热加工工艺， 2006，35（3）：1-3.

[4] 张忠科，孙丙岩，王希靖，等.铝合金搅拌摩擦焊焊接缺陷分析[J].热加工工艺，2006，35（19）：13-15.

[5] 严铿，曹亮，陈华斌.搅拌头倾角对FSW成形和接头力学性能的影响[J].焊接学报，2005，26（12）：35-38.

[6] Chen Hua-Bin，Yan Keng， Lin Tao，et al.The investigation of typical welding defects for 5456 aluminum alloy friction stir welds[J].Materials Science and Engineering A，2006，433： 64-69.