搅拌头形状对2024铝合金接头组织及力学性能的影响
摘要：搅拌头的形状对搅拌摩擦焊接技术至关重要。本文通过探索了不同搅拌头形状对2024铝合金接头组织和性能的影响。实验得出三棱锥搅拌针+内凹轴肩的搅拌头焊接性能最佳。且焊接的宏观形貌有明显的″洋葱环″，在焊核区分布着较细的等轴晶。接头的硬度呈″马鞍状″。接头断口的断裂方式为韧性断裂，且强度和塑性最佳。进而得出不同形状的搅拌头会导致不同的热输入和材料流动行为，导致焊缝塑化金属流动的行为发生变化，进而影响焊缝质量。
关键词：2024铝合金，搅拌摩擦焊，搅拌头形状，组织力学性能
引言
2024铝合金在工业中的应用非常广泛，特别是在航空航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中。它是一种高强度、耐蚀性良好的铝–铜–镁系合金，2024铝合金的密度约为2.78g/cm3，回火状态下的抗拉强度为140–400Mpa，因此，它广泛运用于航空航天工业邻域，用于制造飞机的机翼、机身和其他结构部件。由于其低密度和良好的强度，适用于汽车、摩托车和自行车等轻型交通工具的制造。随着技术的不断进步和对可持续发展的需求增加，2024铝合金的应用前景不断扩大。特别是在轻型交通工具、电子设备和建筑工程领域，将继续对铝合金有较高的需求。搅拌头的形状对FSW接头的性能有着显著影响。不同形状的搅拌头会导致不同的热输入和材料流动行为，进而影响焊缝的缺陷类型和接头的力学性能。搅拌头是FSW过程中最关键的部件之一，其形状对焊接性能具有重要影响。搅拌头的形状、尺寸和角度都需要根据具体的焊接任务来优化设计，以确保最佳的焊接效果。本文旨在探讨不同搅拌头形状对2024铝合金接头组织和性能的影响。通过对比分析不同搅拌头形状的接头，评估其对焊缝形貌、显微组织、力学性能及断口形貌的影响。
实验材料与方法
实验的材料为2024铝合金板材，尺寸为30mm×20mm×4mm，化学成分如表1所示。抗拉强度430MPa，伸长率为22%。搅拌头的材料为H13(热作模具钢)，搅拌头是搅拌摩擦焊（FrictionStirWelding，FSW）中的关键部件，它由轴肩和搅拌针两部分构成。搅拌头的几何形状和尺寸不仅决定着焊接过程的热输入量，还影响着焊接过程中搅拌头附近塑性金属的流动形式。对于给定板厚接头形式的铝合金材料来说，搅拌头的结构尺寸是提高焊接质量、获得高性能接头的前提和关键。搅拌针的形状如图1所示。分别是1号为圆锥螺纹，2号为圆锥凸轮螺纹，3号为三棱锥。4号为偏心圆锥螺纹。这些搅拌头都是轴肩内凹。圆锥螺纹搅拌针根部大径与端部大径分别是6mm和4mm。该实验用台式搅拌摩擦焊机，焊接前新对两块实验板材进行预先处理，常规的操作方法是用砂纸打磨表面，去除氧化膜以及毛刺，再用丙酮溶液或酒精清洗试样表面，然后将试样放置在搅拌摩擦焊机的夹具台上夹紧。然后对搅拌摩擦焊接进行调零处理，使焊接位置准确。控制焊接工艺参数旋转速度n=1000r/min，焊接速度v=80m/s搅拌头的倾角为2°，下压量为0.2mm。使用LT-TS08-09065-04台式搅拌摩擦焊进行焊接，在控制参数的情况下，换四种不同形状的搅拌头进行焊接实验。
表SEQ表\*ARABIC12024铝合金的化学成分
C
Mg
Mn
Fe
Si
Zn
Al
3.8~4.8
1.2~1.8
0.3~0.9
≤0.5
≤0.5
≤0.3
余量
图SEQ图\*ARABIC1四种搅拌针形状
焊接完成后，分别对用不同搅拌头焊接的焊件的无缺陷处进行切取制备金相试样，用氢氟酸和加水在抛光后的试验进行金相腐蚀，用场视万能金相显微镜观察焊接接头各区域的显微组织，通过线切割，按国家标准垂直于焊缝制备拉伸试验。采用WDW-3100万能拉伸机进行拉伸测试，拉伸速度为1mm/min。采用扫描电镜分析拉伸断口形貌。，利用MH-3型显微硬度计在焊缝横截面中心进行硬度测试。
图SEQ图\*ARABIC2拉伸试样的形状
试验结果及分析
焊缝的宏观形貌
摩擦搅拌焊（FSW）是一种固相连接技术，它通过高速旋转的搅拌头来加热金属至塑性状态，然后通过搅拌头的移动来实现焊接。焊接成形后可将焊接接头分为焊核区（NZ/SZ）,热机影响区（THAZ）,热影响区（HAZ）,以及两侧母材区（BM）（如图3所示）。
图SEQ图\*ARABIC3搅拌摩擦焊焊接接头组织分布
图SEQ图\*ARABIC4不同形状搅拌头焊接接头的横截面宏观形貌
四幅图展示的是不同形状搅拌头所形成的焊接接头横截面宏观形貌，从图中可以看出，焊缝区上宽下窄。成V型，并在焊缝中心处形成同心圆环结构，成明显的洋葱环。从图中可看出四种不同搅拌头焊接的焊缝成形良好，无空洞，隧道等缺陷。每种都有其独特的外观和特征：