摘要：文章对3.5mm厚的6061-T6铝合金板开展了双轴肩搅拌摩擦焊接试验，旨在分析焊接过程中热输入对焊缝成形、接头微观组织及力学性能的影响规律。试验结果表明，在一定范围内，接头区域晶粒尺寸随焊接热输入减小而减小，各接头区域尤其是焊核区的显微硬度随着焊接热输入减小而提高，接头抗拉强度和伸长率也随焊接热输入减小而逐步提高。在热输入特征值WP为0.543~0.6的工艺参数条件下，可实现3.5mm厚6061-T6铝合金板的优质双轴肩搅拌摩擦焊接。

　　关键词：6061-T6铝合金；双轴肩搅拌头；热输入；接头组织与力学性能

　　铝合金材料由于具有重量轻、无磁性，热导率和强度高，并且拥有良好的成形性和焊接性等优点，在轨道列车的制造中得到了广泛应用［1］。但是对于铝合金而言，传统的熔焊过程中，熔池冷却速度极快（可达1000℃/s），气体来不及逸出，焊缝中容易形成气孔。

　　近年来，搅拌摩擦焊（FSW）技术逐渐被应用到铝合金平板结构的焊接中［2-3］，取得了很好的效果。但是对于中空结构件，传统的搅拌摩擦焊技术因工装空间限制，实施焊接颇为不便，且传统搅拌摩擦焊技术本身也存在一些不足之处，如传统搅拌摩擦焊技术本身也存在一些不足之处，如接头根部易产生弱结合缺陷、接头厚度方向存在组织不均匀性等问题［4-5］，而双轴肩搅拌摩擦焊（BT-FSW）的出现，为中空结构件的优质焊接提供了新的方法。

　　双轴肩搅拌摩擦焊技术所使用的焊接工具是由上下两个轴肩以及一个搅拌针连接而成的双轴肩搅拌头，焊接时高速旋转的搅拌头轴肩与工件发生接触并压紧工件，随即沿着焊缝方向行进，这一过程中搅拌针贯穿工件，和上下轴肩一起通过旋转摩擦生热，使工件焊接区域材料达到塑性软化状态，并带动软化材料使其从搅拌头前端流向后端，在搅拌头后方形成致密的焊缝，工件便完成连接。相关研究表明，双轴肩搅拌摩擦焊技术在解决接头根部弱结合缺陷和接头厚度方向组织分布不均等问题方面，较传统FSW技术具有无可比拟的优势［6-7］，且所用搅拌头的下轴肩取代了传统FSW焊接时所必有的背部垫板，可在中空复杂结构件中实现无支撑结构的搅拌摩擦焊接，因此双轴肩搅拌摩擦焊具有更加广阔的应用前景。文章针对常见的6061-T6铝合金中空薄壁型材的焊接问题，采用自行设计的双轴肩搅拌头开展双轴肩搅拌摩擦焊接试验，探究可获得良好接头性能的工艺参数范围，为该技术的实际生产应用奠定基础。

　　1试验方法

　　试验所用材料为6061-T6铝合金工字型材，试样上平板部分尺寸为300mm×150mm×3.5mm。焊接试验设备采用江苏锐成机械有限公司生产的台式搅拌摩擦焊机，拉伸测试使用WD微型电子拉伸试验机进行。试验所用双轴肩搅拌头选用HM1高强韧性热作模具钢作为制作材料，结构采用分体式设计，搅拌针与上下轴肩采用螺纹连接的方式。搅拌针工作段为三平面圆柱，直径为6mm，上下轴肩端面形貌采用双环槽的设计形式，槽宽0.4mm，深0.2mm，轴肩直径为15mm，轴肩间距为3.3mm。

　　试验工艺参数与结果如表1所示，其中焊接热输入大小用热输入特征值WP表示，其值为焊接速度v与搅拌头转速ω的比值，热输入特征值WP越高，热输入越小。

　　2试验结果与分析

　　2.1焊接工艺参数对焊缝表面成形的影响

　　焊接试验结果表明，当热输入较大（对应1、2、3号参数）时，焊缝在搅拌针前进侧与被焊材料接触的区域存在严重的隧道缺陷，Schmidt等［8-9］的相关研究显示，此类缺陷是由于过高的热输入导致搅拌针附近的材料温度接近固相线，使被焊材料粘塑性显著降低，在搅拌针的前进侧表面与被焊材料之间发生了相对滑动，导致材料以一种断续的方式被搅拌针的剪切力转移到后方，使搅拌针前进侧后方焊缝填充不充分，进而使焊缝产生沟槽。

　　而当热输入过低（对应7、8、9号参数）时，焊缝材料热量积累不足，塑性程度低，流动性差，焊接过程中材料不能及时填充回焊缝中也会产生隧道型缺陷［10］。而在4、5、6号参数试验中，各焊速的焊缝成形优于其他试验的焊缝，焊缝表面弧纹分明，未发现内部存在缺陷的迹象，且焊缝头部和尾部的豁口已较前几次试验有了大幅减小，焊缝有效区域有了明显增长。对本组试验的各道焊缝截取试样进行观察，发现各焊速的接头中均未观察到有缺陷存在，表明此时焊接热输入已经来到了较为合适的区间范围。1、5、9号参数的焊缝成形情况，如图1所示。

　　2.2不同热输入对接头微观组织的影响规律

　　选取无明显隧道型缺陷的4、5、6号参数的接头试样进行金相组织观察，如图2所示。

　　6061-T6铝合金BT-FSW接头截面中焊核区整体呈上下宽，中间窄的“哑铃状”分布，焊核区两侧向外依次是热机影响区、热影响区和母材区［11］。对比各参数的接头可以发现随着焊接热输入降低，焊核区中心区域逐渐变窄，这主要是由于当热输入较高时，材料的流动性得到改善，使距离搅拌针一定范围内的塑性金属都能得到充分的搅拌，当热输入较低时，这个距离会有所减小，因此在一定的范围内当焊接热输入较高时，焊核区中心较宽，热输入较低，则焊核区中心较窄。同时接头各区域晶粒尺寸也随着焊接热输入的降低而减小，这是由于焊接热输入的减小限制了搅拌头热力耦合作用区域以及焊核区的晶粒长大［12］，所以适当降低焊接热输入可以起到一定减缓晶粒粗化的作用。

　　2.3不同热输入对接头力学性能的影响规律

　　双轴肩搅拌摩擦焊接头由于各区域组织形成机理不同，其力学性能包括显微硬度也有很明显的差异。焊接过程中由于接头各区域受到的热力作用不同，其组织和沉淀相的尺寸、形态和分布也有所不同，从而导致接头各区域硬度分布存在差异。4、5、6号焊接参数下焊缝中部横截面显微硬度分布图，如图3所示。对比各曲线发现，在不同焊接热输入比下，接头显微硬度分布曲线均呈“W”形，这是由于焊核区由于直接受到搅拌头的热力作用影响，晶粒粗化程度最低，且有大量位错分布，因而该区域硬度最高；热影响区仅受焊接热输入影响，其晶粒因热循环发生粗化，同时强化相（如Mg2Si）颗粒发生部分溶解或粗化，致使硬度显著下降，为接头各区域中最低；热机影响区受到焊接热循环和搅拌头的间接挤压作用，原始组织发生回复和不完全的动态再结晶，晶粒尺寸较焊核区有所增大，但位错密度较高，故硬度介于焊核区和热影响区之间。由图3可知，焊核区硬度在4号参数下趋于60~70HV，而在6号参数下焊核区硬度分布在70~80HV。分析认为这是由于6号参数下焊接热输入最低，晶粒粗化程度最低，因此其焊核区硬度值高于高热输入参数。

　　3结论

　　综上所述，文章采用HM1钢制作的适配板厚的特定轴肩间距双轴肩搅拌头，对6061-T6铝合金板开展双轴肩搅拌摩擦焊接时，通过合理匹配搅拌头转速与焊接速度等工艺参数，可获得无明显缺陷的优质焊接接头。该双轴肩搅拌摩擦焊接接头（BT-FSW接头）的截面形貌呈现典型的“哑铃状”特征，其中焊核区的中心宽度与焊接热输入呈正相关关系，而在适宜的工艺范围内，焊核区晶粒尺寸则随焊接热输入的降低而减小，表现出明显的热输入调控效应。拉伸性能测试结果进一步表明，焊接热输入的合理降低能够有效减轻热影响区的晶粒粗化程度，同时缩小软化区域并降低软化程度，进而使接头的抗拉强度与伸长率逐步提高，最终实现对母材力学性能的良好保留，为该类铝合金材料的高效优质焊接工艺优化及工程应用提供了重要技术参考。

参考文献

　　［1］郭克星，高杰.铝合金搅拌摩擦焊技术研究进展［J］.有色金属加工，2024，53（4）：1-8.

　　［2］钮旭晶，侯振国，董鹏，等.CR400BF型高速动车组双轴肩搅拌摩擦焊部件质量提升［J］.电焊机，2021，51（10）：24-30+152.

　　［3］陈宁凯，王威威，付宁宁，等.铝合金车体双轴肩搅拌摩擦焊接头组织及力学性能研究［J］.金属加工（热加工），2022（8）：34-37.

　　［4］尹德猛，李充，姚肖洁，等.6082-T6铝合金双轴肩搅拌摩擦焊接头成形及力学性能［J］.焊接，2023（6）：38-43.

　　［5］王春桂，赵运强，董春林，等.6063-T6铝合金双轴肩搅拌摩擦焊接头组织及力学性能分析［J］.焊接学报，2018，39（10）：108-112+133.

　　［6］Thomas W M，Wiesner C S，Marks D J，et al.Conventional And Bobbin Friction Stir Welding of 12%Chromium Alloy Steel Using Composite Refractory Tool Materials［J］.Science&Technology of Welding&Joining，2009，14（3）：247-253.

　　［7］刘朝磊.6061铝合金双轴肩搅拌摩擦焊工艺及机理研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2015.

　　［8］H.N.B.Schmidt，T.L.Dickerson，J.H.Hattel.Material flow in butt friction stir welds in AA2024-T3［J］.Acta materialia，2006，54（4）：1199-1209.

　　［9］M.K.Sued，D.Pons，J.Lavroff，et al.Design features for bobbin friction stir welding tools：Development of a conceptual model linking the underlying physics to the production process［J］.Ma-terials&design，2014，54（2）：632-643.

　　［10］冯家铖，宫文彪，鞠川，等.2024铝合金双轴肩搅拌摩擦焊接头热循环及组织特征［J］.吉林大学学报（工学版），2024，54（11）：3184-3191.

　　［11］张海峰,郝云飞,李高辉,等.2219铝合金双轴肩搅拌摩擦焊工艺及接头组织性能研究［J］.机械工程学报,2022,58(22):250-257.

　　［12］刘威,苗子琪,张军浩.6005A-T6铝合金双轴肩搅拌摩擦焊接头组织及力学性能［J］.长春工业大学学报,2022,43(Z1):348-353.

　　［13］Wan L，Huang Y，Lv Z，et al.Effect of Self-support Friction Stir Welding on Microstructure and Microhardness of 6082-T6 AluminumAlloyJoint［J］.Materials&Design，2014，55（5）：197-203.