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回填式搅拌摩擦点焊(Refill Friction stir spot welding,RFSSW)作为一种新型的固相连接技术,既能避免常规熔焊带来的缺陷,又能消除常规搅拌摩擦点焊带来的匙孔,因而对于连接铝合金等轻质材料结构件具有巨大的优势。本文针对2 mm厚的带有包铝层的2A12-T4铝合金,研究了RFSSW的接头成形、微观组织、力学性能以及焊接过程的材料流动行为,揭示了RFSSW连接机理,为RFSSW的应用提供了理论基础。在焊具转速900-1700 rpm,搅拌套扎入深度2.0-3.5 mm和扎入速度0.6-1.8mm/s下,RFSSW接头回填效果良好,焊点无匙孔,表面较平整。焊点可分为三个区域:搅拌区(Stir Zone,SZ)、热机影响区(Thermal-mechanically Affected Zone,TMAZ)和热影响区(Heat Affected Zone,HAZ)。SZ外侧界面向上弯曲,形成Hook形貌,搭接表面包铝层在SZ内重新分布,形成弧形的包覆铝层。随焊接热输入的增加,Hook高度先增加后降低,包覆铝层长度降低。SZ发生动态再结晶,晶界角度以大角度晶界为主,晶粒为细小的等轴晶。GPB区完全转化为S相,在后续过程中发生溶解和熔化。熔化的S相分布在晶界,在冷却时收缩,形成液化裂纹。焊接热输入越大,S相溶解和熔化的越多,沉淀相密度越低,液化裂纹增加。TMAZ发生部分动态再结晶,晶粒内部分布大量的小角度晶界,GPB区完全转为S’’和S’相,沉淀相和位错密度大。随焊接热输入增加,S’’相减少,S’相增加,沉淀相和位错密度均有所降低。HAZ在焊接热循化的作用下,沉淀相由GPB区转化为S’’,且随焊接热输入的增加,沉淀相发生粗化。焊点硬度同时受晶粒大小、位错密度、沉淀相密度的影响。焊点硬度分布呈W形,SZ晶粒细小,因而硬度较高大致与母材等强;TMAZ和HAZ中GPB区发生转化长大,因而焊接过程中发生软化。随焊接热输入的增加,各区域的硬度均降低。接头拉剪性能同时受到Hook高度、包覆铝层长度和SZ材料强度的影响。Hook高度较低时,包覆铝层长度较大时,接头发生剪切断裂,强度相对较低。Hook高度增加,包覆铝层长度较时,接头发生拉剪形断裂,强度较高;随Hook高度增加,强度降低。采用曲面响应法对工艺参数进行优化,最佳工艺参数为:1385rpm-2.66 mm-0.97 mm/s,相应接头拉剪失效载荷为10.056 k N。随焊具与材料的相互作用增强,接头升温速率和峰值温度增加,焊具过程扭矩和压力降低。扎入阶段,搅拌套底部的材料发生塑化,沿搅拌套内壁向搅拌针作用区流动。回填阶段,搅拌针作用区底部塑性材料向周围的搅拌套作用区流动,上部的材料整体向下迁移。在整个过程,塑性材料同时沿纵向,横向和圆周运动,因而材料实际流动路线为锥形螺旋曲线。最终,在热循环和塑性变形作用下,部分原始界面发生破坏形成连接,SZ/TMAZ形成新的连接界面。