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[摘 要]搅拌摩擦焊接技术在高速动车组车体制造中的应用越来越广泛。然而焊接过程中湿度差异较大，关于湿度对搅拌摩擦焊的研究较少，本文重点研究了湿度对搅拌摩擦焊的影响，对比了不同湿度下搅拌摩擦焊后铝合金拉伸性能及拉伸试样断口。
[关键词]搅拌摩擦焊；湿度；铝合金；力学性能；7N01
[Abstract]The application of friction stir welding in manufacturing body of railway-highspeed is increasing. However， the humidity of environment is different. There are few research of humidityinfluence on friction stir welding. This paper introduced the influence of humidityon friction stir welding， such as： tensile property， facture of different humidity.
[Key words]Friction stir welding； Humidity； Aluminum； Mechanical property； 7N01.
中图分类号：TM31 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）27-0221-02
1.引言
搅拌摩擦焊接头具有力学性能好和焊接变形小等优点[1]，随着高速动车组车体制造技术的提升，搅拌摩擦焊在车体制造中的应用越来越广泛[2]。焊接过程中湿度的差异可能较大，然而关于湿度对于搅拌摩擦焊的研究较少，本文重点研究了湿度对搅拌摩擦焊的影响，对比了不同湿度（100%、90%、80%）下搅拌摩擦焊后铝合金的拉伸性能及拉伸试样断口。
2.实验方法
2.1试验方法
采用环境加湿装置，在搅拌摩擦焊设备的工件工作区营造可控的湿度环境，达到稳定状态后进行焊接试验。环境相对湿度设为3组，分别为80%、90%、100%。然后进行外观检测和性能试验。
2.2试验材料
试验材料采用15mm厚7N01-T4板材，接头形式为对接接头，母材对应的化学成分及机械性能分别如表3-1及表3-2中所示。
2.3 焊接设备
焊接设备采用美国进口MTI静龙门式数控搅拌摩擦焊机，该焊机具有压力闭环控制功能和参数采集功能。主轴最大转速为3000rpm，最大焊接速度为2000mm/min。单面最大焊接厚度为20mm，能够满足研究的需要。设备外形尺寸（长×宽×高，单位mm）为10500×40500×3500，设备外形见图1。
2.4 焊接工艺参数
焊接工艺参数格式见表1，试验在不同湿度下进行，采用相同的焊接工艺参数，搅拌摩擦焊所用的搅拌头尺寸如图2所示。
2.5 加湿设备及原理
2.5.1设备描述
湿度控制设备为附加装置，主要目的是为了在进行搅拌摩擦焊时控制焊接局部环境的温度和湿度，考虑到不影响周围环境，在焊接设备四周增加隔离措施，防止对环境湿度产生较大影响。
2.5.2系统组成
由于焊接局部温度较高，水蒸气会蒸发，导致湿度区域不均匀，湿度控制方案采用对工作部位喷气的形式来控制局部湿度，实现焊接环境局部湿度的动态平衡，达到更好的湿度控制效果，湿度控制装置的系统组成如图3所示。系统主要包括一定湿度的气体发生系统、湿度控制系统及气体输出系统组成。
湿度控制装置中雾化箱体会产生湿度为100%的气体，该气体在混合箱内与环境气体混合，通過控制二者的混合比例形成湿度稳定可控的气体，混合箱装置如图4 a）所示。气体输出装置中采用8个喷头，将湿气喷在被焊件周围，达到控制焊接环境的目的。喷头通过磁性夹具吸附在被测件夹持体上，同时为了防止湿气散逸导致控制失效，四周加装塑料布遮挡板，焊接时气体输出环境如图4 b）所示，整体设备照片如图4 c）所示。加湿设备的框图及管路连接图如图5及6所示。
3 不同湿度下拉伸性能
3.1 100%湿度下试件拉伸试验结果
100%湿度下搅拌摩擦焊接头的拉伸试样编号分别为L10-1、L10-2、L10-3，在拉伸过程中，试样断裂前在焊核区及热影响区出现明显颈缩。通过观察断裂后的试样，可见试样L10-1断裂在试样中部焊核区，L10-2及L10-3断裂在母材区，断口均大致呈45°剪切断裂，，表2为试样拉伸试验结果，通过求平均值后确定100%湿度下FSW接头试样的屈服强度为230MPa，抗拉强度为358.4MPa，延伸率为12.32%。
3. 2 90%湿度下试件拉伸试验结果
90%湿度下搅拌摩擦焊接头的拉伸试样编号分别为L9-1、L9-2、L9-3在拉伸过程中，试样断裂前在焊核区及热影响区出现明显颈缩，通过观察断裂后的试样，可见试样L9-2、L9-3断裂在试样中部焊核区，L9-1断裂在母材区，三个试件断口均大致呈45°剪切断裂，表3为试样拉伸试验结果，通过求平均值后确定90%湿度下FSW接头试样的屈服强度为240MPa，抗拉强度为353.2MPa，延伸率为11.54%。
3. 3 80%湿度下试件拉伸试验结果
80%湿度下搅拌摩擦焊接头的拉伸试样编号分别为L8-1、L8-2、L8-3，在拉伸过程中，试样断裂前在焊核区及热影响区出现明显颈缩，通过观察断裂后的试样，可见试样L8-3断裂在试样中部焊核区，L8-1及L8-2断裂在母材区，三个试件断口均大致呈45°剪切断裂，表4为试样拉伸试验结果，通过求平均值后确定80%湿度下FSW接头试样的屈服强度为229MPa，抗拉强度为353.6MPa，延伸率为13.95%。 4 不同湿度下拉伸试件断口
4.1100%湿度下FSW接头拉伸试件断口
100%湿度下的FSW接头拉伸断口取L10-1，对应的断裂位置为焊核区，断口的宏观形貌如图7所示，对应的微观断口形貌如图8所示。从图7中可见，宏观上启裂部位位于中部焊核区，启裂部位可见材料呈片层状交叠并且形状呈弧形，说明板材表面由于材料塑形流动会形成沿焊接方向的片层状材料交叠层，层间材料的结合力较弱，拉伸断裂时裂纹从该处萌生。从图8a）中同样可见层状的材料交叠层，高倍下可见微观上层间发生剥离主要为韧性断裂，由于断口放置时间较长，经清洗后韧窝表面仍被氧化膜覆盖。从8b）可见放射区中存在河流花样，微观上表现出微观塑形断裂特征，断口中可见典型的韧窝形貌，各处的韧窝尺寸差别不断说明材料性能比较均匀。剪切唇部位如图8c）所示，宏观上面积较大，微观上可见大量的韧窝，说明材料韧性较好。
4.2 90%湿度下FSW接头拉伸试件断口
90%湿度下的FSW接头拉伸断口取L9-3，对应的断裂位置为焊核区，断口的宏观形貌如图4-9所示，对应的微观断口形貌如图4-10所示。从图4-9中可见，宏观上启裂部位位于中部焊核区，启裂部位可见材料呈片层状交叠并且形状呈弧形，启裂部位材料分层现象比较严重，材料在焊缝纵向及横向均出现分层现象，同时在焊缝横向上层间存在二次裂纹，说明该处结合力较弱，拉伸斷裂时裂纹从该处萌生。从图4-10a）中同样可见层状的材料交叠层，高倍下可见微观上层间发生剥离主要为韧性断裂，该部位存在大量的韧窝。宏观上可见放射区面积较小，微观上从4-10b）中可见典型的韧窝形貌，各处的韧窝较深、尺寸差别不大说明材料性能均匀良好。剪切唇部位宏观上面积较大，微观上如图4-10c）所示，该部位可见大量的韧窝，韧窝较大较深说明材料韧性较好。
4.3 80%湿度下FSW接头拉伸试件断口
80%湿度下的FSW接头拉伸断口取L8-1，对应的断裂位置为热影响区，断口的宏观形貌如图4-11所示，对应的微观断口形貌如图4-12所示。从图4-11中可见，宏观上断口整体比较平整，断口中部为裂纹源区（星芒区），从源区向断口四周均可见放射线，边缘处为剪切唇。从图4-12a）中可见源区发生微孔聚集，微观上主要为韧性断裂呈韧窝形貌。从图4-12b）中可见放射区存在放射线，微观上该区断口中可见典型的韧窝形貌，各处的韧窝较深说明材料性能良好。剪切唇部位宏观上面积较大，微观上如图4-12c）所示，该部位存在大量的剪切型韧窝，说明该区域主要受剪切力破坏。
5结论
在对不同湿度下7N01铝合金材料搅拌摩擦焊对接构件进行性能评价的过程中，进行了横向拉伸、断口分析试验，结论如下：
（1）不同湿度下FSW拉伸试件的平均抗拉强度均在350MPa左右，屈服强度均在230MPa附近，不同湿度FSW接头的抗拉强度、屈服强度及延伸率差异较小，但80%、90%、100%高湿度下进行焊接，接头的抗拉强度及屈服强度相对于正常湿度会稍有上升。
（2）根据不同湿度下的拉伸断口形貌可知，当接头启裂部位位于焊核区时，由于塑形搅拌作用裂纹源区材料分层现象比较严重，大部分接头可见沿着焊缝纵向的片层状的弧形交叠层，层间结合力较弱；启裂部位位于热影响区时断口比较平整，微观上发生微孔聚集形成裂纹源。从接头的放射区及剪切唇部位微观组织来看，接头对应部位的微观塑形良好，性能比较均匀，此外结合拉伸性能可知，不同的启裂位置对接头强度的影响不大。
参考文献
[1] CHALMERSRE.The friction Welding Advantage.Manufacturing Engineering.2001，126（5）： 64-68.
[2] 林三宝，赵衍华，吴林.搅拌摩擦焊的应用现状和发展前景.现代焊接， 2004（2）：64-68.
[关键词]搅拌摩擦焊；湿度；铝合金；力学性能；7N01
[Abstract]The application of friction stir welding in manufacturing body of railway-highspeed is increasing. However， the humidity of environment is different. There are few research of humidityinfluence on friction stir welding. This paper introduced the influence of humidityon friction stir welding， such as： tensile property， facture of different humidity.
[Key words]Friction stir welding； Humidity； Aluminum； Mechanical property； 7N01.
中图分类号：TM31 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）27-0221-02
1.引言
搅拌摩擦焊接头具有力学性能好和焊接变形小等优点[1]，随着高速动车组车体制造技术的提升，搅拌摩擦焊在车体制造中的应用越来越广泛[2]。焊接过程中湿度的差异可能较大，然而关于湿度对于搅拌摩擦焊的研究较少，本文重点研究了湿度对搅拌摩擦焊的影响，对比了不同湿度（100%、90%、80%）下搅拌摩擦焊后铝合金的拉伸性能及拉伸试样断口。
2.实验方法
2.1试验方法
采用环境加湿装置，在搅拌摩擦焊设备的工件工作区营造可控的湿度环境，达到稳定状态后进行焊接试验。环境相对湿度设为3组，分别为80%、90%、100%。然后进行外观检测和性能试验。
2.2试验材料
试验材料采用15mm厚7N01-T4板材，接头形式为对接接头，母材对应的化学成分及机械性能分别如表3-1及表3-2中所示。
2.3 焊接设备
焊接设备采用美国进口MTI静龙门式数控搅拌摩擦焊机，该焊机具有压力闭环控制功能和参数采集功能。主轴最大转速为3000rpm，最大焊接速度为2000mm/min。单面最大焊接厚度为20mm，能够满足研究的需要。设备外形尺寸（长×宽×高，单位mm）为10500×40500×3500，设备外形见图1。
2.4 焊接工艺参数
焊接工艺参数格式见表1，试验在不同湿度下进行，采用相同的焊接工艺参数，搅拌摩擦焊所用的搅拌头尺寸如图2所示。
2.5 加湿设备及原理
2.5.1设备描述
湿度控制设备为附加装置，主要目的是为了在进行搅拌摩擦焊时控制焊接局部环境的温度和湿度，考虑到不影响周围环境，在焊接设备四周增加隔离措施，防止对环境湿度产生较大影响。
2.5.2系统组成
由于焊接局部温度较高，水蒸气会蒸发，导致湿度区域不均匀，湿度控制方案采用对工作部位喷气的形式来控制局部湿度，实现焊接环境局部湿度的动态平衡，达到更好的湿度控制效果，湿度控制装置的系统组成如图3所示。系统主要包括一定湿度的气体发生系统、湿度控制系统及气体输出系统组成。
湿度控制装置中雾化箱体会产生湿度为100%的气体，该气体在混合箱内与环境气体混合，通過控制二者的混合比例形成湿度稳定可控的气体，混合箱装置如图4 a）所示。气体输出装置中采用8个喷头，将湿气喷在被焊件周围，达到控制焊接环境的目的。喷头通过磁性夹具吸附在被测件夹持体上，同时为了防止湿气散逸导致控制失效，四周加装塑料布遮挡板，焊接时气体输出环境如图4 b）所示，整体设备照片如图4 c）所示。加湿设备的框图及管路连接图如图5及6所示。
3 不同湿度下拉伸性能
3.1 100%湿度下试件拉伸试验结果
100%湿度下搅拌摩擦焊接头的拉伸试样编号分别为L10-1、L10-2、L10-3，在拉伸过程中，试样断裂前在焊核区及热影响区出现明显颈缩。通过观察断裂后的试样，可见试样L10-1断裂在试样中部焊核区，L10-2及L10-3断裂在母材区，断口均大致呈45°剪切断裂，，表2为试样拉伸试验结果，通过求平均值后确定100%湿度下FSW接头试样的屈服强度为230MPa，抗拉强度为358.4MPa，延伸率为12.32%。
3. 2 90%湿度下试件拉伸试验结果
90%湿度下搅拌摩擦焊接头的拉伸试样编号分别为L9-1、L9-2、L9-3在拉伸过程中，试样断裂前在焊核区及热影响区出现明显颈缩，通过观察断裂后的试样，可见试样L9-2、L9-3断裂在试样中部焊核区，L9-1断裂在母材区，三个试件断口均大致呈45°剪切断裂，表3为试样拉伸试验结果，通过求平均值后确定90%湿度下FSW接头试样的屈服强度为240MPa，抗拉强度为353.2MPa，延伸率为11.54%。
3. 3 80%湿度下试件拉伸试验结果
80%湿度下搅拌摩擦焊接头的拉伸试样编号分别为L8-1、L8-2、L8-3，在拉伸过程中，试样断裂前在焊核区及热影响区出现明显颈缩，通过观察断裂后的试样，可见试样L8-3断裂在试样中部焊核区，L8-1及L8-2断裂在母材区，三个试件断口均大致呈45°剪切断裂，表4为试样拉伸试验结果，通过求平均值后确定80%湿度下FSW接头试样的屈服强度为229MPa，抗拉强度为353.6MPa，延伸率为13.95%。 4 不同湿度下拉伸试件断口
4.1100%湿度下FSW接头拉伸试件断口
100%湿度下的FSW接头拉伸断口取L10-1，对应的断裂位置为焊核区，断口的宏观形貌如图7所示，对应的微观断口形貌如图8所示。从图7中可见，宏观上启裂部位位于中部焊核区，启裂部位可见材料呈片层状交叠并且形状呈弧形，说明板材表面由于材料塑形流动会形成沿焊接方向的片层状材料交叠层，层间材料的结合力较弱，拉伸断裂时裂纹从该处萌生。从图8a）中同样可见层状的材料交叠层，高倍下可见微观上层间发生剥离主要为韧性断裂，由于断口放置时间较长，经清洗后韧窝表面仍被氧化膜覆盖。从8b）可见放射区中存在河流花样，微观上表现出微观塑形断裂特征，断口中可见典型的韧窝形貌，各处的韧窝尺寸差别不断说明材料性能比较均匀。剪切唇部位如图8c）所示，宏观上面积较大，微观上可见大量的韧窝，说明材料韧性较好。
4.2 90%湿度下FSW接头拉伸试件断口
90%湿度下的FSW接头拉伸断口取L9-3，对应的断裂位置为焊核区，断口的宏观形貌如图4-9所示，对应的微观断口形貌如图4-10所示。从图4-9中可见，宏观上启裂部位位于中部焊核区，启裂部位可见材料呈片层状交叠并且形状呈弧形，启裂部位材料分层现象比较严重，材料在焊缝纵向及横向均出现分层现象，同时在焊缝横向上层间存在二次裂纹，说明该处结合力较弱，拉伸斷裂时裂纹从该处萌生。从图4-10a）中同样可见层状的材料交叠层，高倍下可见微观上层间发生剥离主要为韧性断裂，该部位存在大量的韧窝。宏观上可见放射区面积较小，微观上从4-10b）中可见典型的韧窝形貌，各处的韧窝较深、尺寸差别不大说明材料性能均匀良好。剪切唇部位宏观上面积较大，微观上如图4-10c）所示，该部位可见大量的韧窝，韧窝较大较深说明材料韧性较好。
4.3 80%湿度下FSW接头拉伸试件断口
80%湿度下的FSW接头拉伸断口取L8-1，对应的断裂位置为热影响区，断口的宏观形貌如图4-11所示，对应的微观断口形貌如图4-12所示。从图4-11中可见，宏观上断口整体比较平整，断口中部为裂纹源区（星芒区），从源区向断口四周均可见放射线，边缘处为剪切唇。从图4-12a）中可见源区发生微孔聚集，微观上主要为韧性断裂呈韧窝形貌。从图4-12b）中可见放射区存在放射线，微观上该区断口中可见典型的韧窝形貌，各处的韧窝较深说明材料性能良好。剪切唇部位宏观上面积较大，微观上如图4-12c）所示，该部位存在大量的剪切型韧窝，说明该区域主要受剪切力破坏。
5结论
在对不同湿度下7N01铝合金材料搅拌摩擦焊对接构件进行性能评价的过程中，进行了横向拉伸、断口分析试验，结论如下：
（1）不同湿度下FSW拉伸试件的平均抗拉强度均在350MPa左右，屈服强度均在230MPa附近，不同湿度FSW接头的抗拉强度、屈服强度及延伸率差异较小，但80%、90%、100%高湿度下进行焊接，接头的抗拉强度及屈服强度相对于正常湿度会稍有上升。
（2）根据不同湿度下的拉伸断口形貌可知，当接头启裂部位位于焊核区时，由于塑形搅拌作用裂纹源区材料分层现象比较严重，大部分接头可见沿着焊缝纵向的片层状的弧形交叠层，层间结合力较弱；启裂部位位于热影响区时断口比较平整，微观上发生微孔聚集形成裂纹源。从接头的放射区及剪切唇部位微观组织来看，接头对应部位的微观塑形良好，性能比较均匀，此外结合拉伸性能可知，不同的启裂位置对接头强度的影响不大。
参考文献
[1] CHALMERSRE.The friction Welding Advantage.Manufacturing Engineering.2001，126（5）： 64-68.
[2] 林三宝，赵衍华，吴林.搅拌摩擦焊的应用现状和发展前景.现代焊接， 2004（2）：64-68.