论文部分内容阅读
摘要：针对6 mm厚6061-T6铝合金板材，设计制造了不同结构形式和尺寸规格的双轴肩搅拌摩擦焊工具，并对搅拌摩擦焊工具的结构形式和尺寸规格对焊接过程及焊接接头质量的影响进行了系统的分析研究：设计制造了两体式和三体式双轴肩搅拌摩擦焊工具，并对两种结构形式进行分析；设计制造了环状轴肩和凹面轴肩，通过焊接工艺试验得知凹面轴肩焊缝成形性优于环状轴肩；设计制造了正-反螺纹搅拌针、正螺纹搅拌针、整圆柱搅拌针和圆柱铣扁搅拌针；圆柱铣扁搅拌针焊缝焊接质量优于其他三种结构形式的搅拌针。采用凹面轴肩和圆柱铣扁搅拌针组装成的搅拌头，对6 mm厚6061-T6铝合金板材进行焊接，在主轴转速为800 r/min、焊接速度为150 mm/min工艺参数下，焊接接头得到最大抗拉强度值为220 MPa，达到母材抗拉强度（315 MPa）的70%。
关键词： 双轴肩搅拌摩擦焊； 焊接工艺； 铝合金
中图分类号： TG453
Abstract： In order to weld 6 mm thick 6061-T6 Al alloy plate， bobbin-tools of various structural forms and sizes were designed and manufactured. The effects of structural forms and sizes on the welding process and the quality of the welded joint were analyzed. Two poses bobbin tool and three postures bobbin tool were designed and manufactured. The characteristics of the two forms of the structure were analyzed. Ring-shaped tool shoulder and concave-shaped tool shoulder were designed and manufactured. The results show that the quality of the weld by concave-shaped shoulder was better than ring-shaped shoulder. Four kinds of pin were designed and manufactured， those were pin with both right-hand thread and left-hand thread， pin with right-hand thread， cylinder pin and milling flat cylindrical pin. The results show that the quality of the weld by milling flat cylindrical pin was better than others. Using bobbin tool assembled by concave-shaped shoulder and milling flat cylindrical pin， 6 mm thick 6061-T6 Al alloy plates were welded under the spindle speed of 800 r/min and the welding speed of 150 mm/min. The tensile strength of the joint was 220 MPa， which was 70% of base material（Rm=315 MPa）.
Key words： bobbin friction stir welding； welding process； Al alloy
0 前言
搅拌摩擦焊（FSW）作为一种固相焊接方法，具有焊接接头成形美观、综合力学性能良好、焊接变形小、绿色环保和无需焊材等优点，适用于铝合金、镁合金、钛合金、铜合金等金属材料焊接[1-2]，因此在搅拌摩擦焊接技术诞生的20多年时间里，搅拌摩擦焊在造船、 航空、航天及轨道交通等领域获得了广泛的推广和应用[3-4]。但常规搅拌摩擦焊接过程伴随较大的顶锻力，需要对工件背部进行刚性支撑，这一特点限制了搅拌摩擦焊接工艺方法在一些复杂结构件上的应用。双轴肩搅拌摩擦焊是一种新型的搅拌摩擦焊接方式，在双轴肩搅拌头中，由一个共用的搅拌针连接上下两个轴肩，每个轴肩分别与试件的两个表面接触，下轴肩代替了背部的刚性支撑垫板。这一改进大大降低了焊接过程中的顶锻压力，提高了诸如曲线、狭小空腔及筒体等复杂结构件搅拌摩擦焊接的可操作性，同时节省了制造刚性装置的成本。双轴肩搅拌摩擦焊可以同时对工件的上表面和下表面进行焊接，从根本上消除了未焊透或根部缺陷等问题[5-8]。目前国内诸多科研机构对双轴肩搅拌摩擦焊逐步开始进行研究，研究内容涉及双轴肩搅拌摩擦焊接机理、焊接装备、焊接工艺方法和接头性能等方面。6061铝合金是国际通用铝合金，具有较好的强度和塑性，并具有一定的耐蚀性。6061铝合金在船舶、轨道车辆等行业具有广泛的应用。本文针对6 mm厚6061-T6铝合金材料，设计开发了双轴肩搅拌头，并进行双轴肩搅拌摩擦焊接工艺试验研究，分析了不同结构形式、尺寸规格的搅拌头对焊接过程和焊接接头质量的影响。通过焊接工艺试验，获得了6 mm厚6061-T6铝合金双轴肩搅拌摩擦焊接最佳工艺规范参数。
1 试验设备与材料
1.1 试验设备
试验设备采用哈尔滨焊接研究所自主设计制造的JB-25型搅拌摩擦焊机，主轴最高转速为2 500 r/min，主轴倾角为±5°，最大焊接板厚（铝合金）为25 mm。 1.2 试验材料 试验材料为6 mm厚6061-T6铝合金，主要化学成分如表1所示。
2 搅拌工具研究
搅拌工具是双轴肩搅拌摩擦焊工艺方法的核心技术，搅拌头结构、轴肩形式及尺寸、搅拌针形式及尺寸是决定摩擦产热效率和高温材料塑性流动状态的关键因素，影响搅拌摩擦焊接成形及焊接接头质量[9-11]。
2.1 搅拌头结构
双轴肩搅拌头由上轴肩、搅拌针和下轴肩三部分构成，其结构有两体式和三体式之分：两体式结构的上轴肩和搅拌针为一体，与下轴肩配合安装；三体式结构的上轴肩、搅拌针和下轴肩三者各为一体，三者通过配合安装构成搅拌头。设计制造了图1a所示的两体式搅拌头和图1b所示的三体式搅拌头。
由于两体式搅拌头上轴肩和搅拌针为一体，搅拌头上轴肩和搅拌针加工受到空间限制，机械加工性差。三体式搅拌头上、下轴肩和搅拌针分别加工，机械加工性相对较好，容易保证尺寸精度。两体式和三体式搅拌头的搅拌针和下轴肩通过螺纹进行轴向定位安装，上下轴肩间距可以根据需要调整，并采用顶丝进行紧固，三体式搅拌头上轴肩和搅拌针同样采用螺纹轴向定位安装，并用顶丝紧固。
2.2 搅拌头轴肩形式及尺寸
在双轴肩搅拌摩擦焊接过程中，轴肩主要有三方面的作用：轴肩通过与工件表面间的摩擦，提供一部分焊接热量；控制高温塑性金属材料的流动，阻止高温塑性金属材料从上下表面流出，控制焊缝成形[12]；对高温塑性金属材料施加一定的顶锻压力，提高焊缝的成形质量。在焊接过程中，上下轴肩对被焊工件同时具有热的作用和力的作用，搅拌头轴肩的形式和尺寸直接决定了摩擦热作用和力作用的大小，进而影响了摩擦焊接效率、焊缝成形、接头组织状态以及焊接缺陷的形成等问题。综合考虑轴肩对被焊工件的摩擦热作用、力作用的情况，设计了图2a、2b所示的环状轴肩和凹面轴肩，轴肩尺寸如表2和表3所示。
环状轴肩端面为两个同心环状凸起，主要尺寸参数包括环高h、内环直径d和外环直径D。搅拌头上、下轴肩采用相同的结构尺寸，针对不同结构尺寸的轴肩进行焊接工艺试验。通过试验发现，当环高h为0.5 mm时，由于环与环之间的环槽容积较大，在摩擦焊接过程中轴肩带动较多的高温塑性金属流动，金属材料流动大不容易控制，容易造成焊缝表面金属材料在返回侧堆积，而前进侧材料填充不充分，导致焊缝厚度在前进侧和后退侧产生差异，见图3a。当环高h为0.3 mm时，高温材料流动过程容易控制，表面依旧存在厚度差，但前进侧和后退侧厚度差减小。内环直径d和外环直径D大小影响摩擦产热和摩擦扭矩等热、力参数。当内环直径d为15 mm、外环直径D为21 mm时，焊缝表面宽度较大，并且摩擦扭矩较大，对搅拌针高温强度要求高，容易造成搅拌针断裂。当内环直径d为13 mm、外环直径D为19mm时，焊缝表面宽度适中，搅拌针寿命提高。试验证明，环状轴肩的尺寸参数h为0.3mm、d为13 mm、D为19 mm的环状轴肩成形相对较好，焊缝宽度适中，能够保证足够的摩擦产热量，同时摩擦扭矩不至于过大导致搅拌针断裂。但焊缝表面前进侧和后退侧高温塑性材料分布不均，产生厚度差，不容易消除。另外，外环台与轴肩边缘没有圆滑过渡，导致一部分高温金属在焊接过程中被环台排挤到返回侧形成飞边，见图3b，使焊缝区高温塑性金属材料减小，不利于焊缝成形。
鉴于环状轴肩存在的问题：焊缝表面材料流动不均及金属材料溢出，设计制造了凹面轴肩。凹面轴肩端面主要尺寸参数包括轴肩斜角α、 β，轴肩环直径d、D。凹面轴肩的设计思想是，轴肩圆环与轴肩边缘通过斜角β进行过渡，防止被焊材料过多地被排挤在焊缝边缘，有利于更多的高温塑性金属保留在轴肩凹槽内，形成焊缝，轴肩环直径d、D尺寸决定了环槽的容纳高温金属量、摩擦产热及摩擦顶锻力作用等，尺寸参数对焊接过程及接头质量影响如下：通过焊接工艺试验知，当轴肩斜角β为30°时，斜角过渡作用不明显，仍有一部分金属材料被轴肩摩擦排挤到返回侧形成较大飞边，当轴肩斜角β为15°时，大部分材料进入凹槽内部，在轴肩和搅拌针作用下形成焊缝，焊缝产生的飞边量减小。轴肩斜角α大小决定了凹槽容量，当α大小15°。轴肩环直径d为16 mm、D为20 mm时，焊缝成形良好，但焊缝宽度过大；轴肩环直径d为14 mm、D为16 mm时，在适当工艺参数下摩擦产热充分，能够满足摩擦焊接。通过工艺试验研究，当轴肩参数为表3第3组所示的参数时，具有较好的搅拌摩擦焊接成形性。从总体来看，凹面轴肩比环形轴肩焊接成形性好。
2.3 搅拌针形式及尺寸
在搅拌摩擦焊接中，搅拌针与被焊板材之间的作用力通过产热和塑性金属流动两个方面影响着整个焊接过程，围绕这两方面的影响设计了带螺纹搅拌针和圆柱搅拌针，螺纹搅拌针设计制造了正-反螺纹搅拌针（图4a）和正螺纹搅拌针（图4b），圆柱搅拌针设计制造了整圆柱型搅拌针（图4c）和圆柱铣扁搅拌针（图4d）。正-反螺纹和正螺纹搅拌针主要尺寸参数分别为螺纹尺寸M，整圆柱搅拌针主要尺寸参数为外径D，圆柱铣扁搅拌针主要尺寸参数为外径D和扁宽B。针对4种形式的搅拌针设计了不同尺寸规格，尺寸参数见表4。
针对4种不同形式的搅拌针进行焊接工艺试验，通过焊接工艺试验研究发现，正螺纹搅拌针使金属材料剧烈地朝板材上表面或下表面方向流动，当搅拌针顺时针旋转时，焊接界面产生的高温金属材料朝板材上表面流动，反之朝下表面流动。焊接界面高温金属单方向流动造成被焊工件在板厚方向上金属材料分布不均，一侧能够形成焊缝，而在另一侧由于高温金属填充不足形成表面的沟槽缺陷（图5）。在三种螺纹尺寸（M为10 mm，8 mm，6 mm）的情况下，焊接接头均会出现一侧形成焊缝，另一侧形成沟槽缺陷问题，这种形式的搅拌针焊接成形较差。为解决材料单向流动问题，设计制造了正-反螺纹型搅拌针，见图4，左侧为搅拌针的上部，为反螺纹，右侧为搅拌针下部，为正螺纹，焊接时正-反螺纹的分界位置位于板厚方向的中心。在焊接过程中，金属材料受到正、反螺纹两个相反方向的力的作用，金属材料朝相反的方向运动。当搅拌针顺时针旋转时，被焊工件上、下面金属材料在轴肩和搅拌针作用下由上下表面向中间流动，当搅拌针为逆时针旋转时，金属材料由板厚方向上的中间处向上下表面流动。通过试验发现，正-反螺纹搅拌针在焊接过程中容易在板厚的1/2位置出现未焊合缺陷，缺陷贯穿整个焊缝，出现这种问题的原因如下：当搅拌针顺时针方向旋转时，板材上下表面的材料向中间流动过程中，不能结合为一体，导致在板厚中间位置出现贯穿焊缝的隧道缺陷；当搅拌针逆时针旋转时，板厚中间位置的金属材料在搅拌针作用下，向上下表面流动，导致焊缝厚度中间位置金属材料不足，出现隧道缺陷。 圆柱型搅拌针由于没有螺纹，在焊接过程中，金属材料在板厚方向上流动不像带螺纹搅拌针那样过于剧烈，在板厚中间的位置，高温金属材料充分，并且高温金属材料在顶锻压力的作用下能够实现冶金结合，从而板材在整个厚度方向上均实现焊接，消除内部隧道缺陷。圆柱铣扁型搅拌针与整圆柱型搅拌针相比，搅拌针在转动过程中搅动的金属材料与搅拌针体积之比提高，这样有利于促进金属材料的流动，能够将更多的金属材料从返回侧带到前进侧，有利于防止隧道缺陷的产生，圆柱铣扁型搅拌针比整圆柱型搅拌针具有更好的焊接工艺性。
3 搅拌摩擦焊接工艺参数研究
通过焊接工艺试验得出，所设计的圆柱铣扁搅拌针和凹面轴肩组装成的搅拌头具有较好的焊接工艺性。应用此搅拌头对厚度为6 mm的6061-T6铝合金板材进行焊接工艺试验研究，主要工艺参数包括主轴转速vr、焊接速度vf，焊接工艺参数见表5。
由工艺试验发现，使用圆柱铣扁搅拌针和凹面轴肩组装成的搅拌头，在表8的9组焊接工艺参数下进行焊接，焊接接头上下表面均成形良好，无表面沟槽等表面缺陷。对9组焊接接头进行拉伸试验，第5组工艺参数下的焊接接头抗拉强度为220 MPa，为9组焊接接头抗拉强度的最大值，达到母材抗拉强度（母材抗拉强度为315 MPa）的70%。图6为5号工件焊接接头焊缝形貌，焊缝上、下表面仅存在较小的飞边缺陷，在焊缝尾部为搅拌针焊接结束留下的缺口。
4 结论
（1）针对6 mm厚6061-T6铝合金板，凹面轴肩比圆环状轴肩焊接成形性好。
（2）圆柱铣扁型搅拌针比正-反螺纹搅拌针、正螺纹搅拌针和整圆柱搅拌针焊接成形性好，能够有效避免焊缝隧道缺陷的产生。
（3）采用轴肩斜角α为15°、 β为15°、轴肩环直径d为14 mm、D为16 mm的凹面轴肩，和扁宽B为5 mm、直径D为8 mm的搅拌针组装成搅拌头，能够实现厚度为6 mm的6061-T6铝合金双轴肩搅拌摩擦焊接，焊接接头成形良好，无表面沟槽缺陷和内部隧道缺陷。
（4）采用凹面轴肩和圆柱铣扁搅拌针组装成的搅拌头 ，在主轴转速为800 r/min、焊接速度为150 mm/min参数下，焊接接头抗拉强度为220 MPa，达到母材抗拉强度的70%。
参考文献
[1] 裴泽慧. 搅拌摩擦焊技术在有色金属焊接上的应用[J]. 有色矿冶， 2006， 22（6）： 57-59.
[2] 傅志红，黄明辉，周鹏展，等. 搅拌摩擦焊及其研究现状[J]. 焊接， 2002， （11）： 6-10.
[3] 栾国红，季亚娟，简波. 飞机轻金属结构的搅拌摩擦焊[J]. 航空制造技术， 2006， （12）： 50-53.
[4] 都青华，王雁飞. 高速动车组车体搅拌摩擦焊工艺研究[J]. 机车车辆工艺， 2012， （5）： 4-5.
[5] 苏斌，贺地求，杨坤玉，等. 3 mm厚6061铝合金板固定双轴肩搅拌摩擦焊接头的显微组织与拉伸性能[J]. 机械工程材料， 2013，37（5）： 59-61.
[6] 张健，李光，李从卿，等. 2219-T4铝合金双轴肩FSW与常规FSW接头性能对比研究[J]. 焊接， 2008（11）： 50-52.
[7] 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 and Technology of Welding and Joining，2009，14（3）：247-253.
[8] Hilgert J. Modeling bobbin tool friction stir welding [D]. Technische Universit？覿t Hamburg-Harburg， 2009.
[9] 张武，柯黎明，邢丽. 搅拌摩擦焊焊缝横截面塑性材料迁移行为分析[J]. 材料工程，2008，（2）：62-66.
[10] 王希靖，李晶，达朝炳. FSW中搅拌针作用力及其影响的研究[J]. 兰州理工大学学报，2006，32（1）：11-14.
[11] 刘日明，孙成凯，党青敏，等. 搅拌摩擦焊工具的研究现状[J]. 机械设计与制造，2004（4）：45-46.
[12] 王大勇，冯吉才，王攀峰，等. 搅拌摩擦焊用搅拌头研究现状与发展趋势[J]. 焊接，2004（6）：6-10.
关键词： 双轴肩搅拌摩擦焊； 焊接工艺； 铝合金
中图分类号： TG453
Abstract： In order to weld 6 mm thick 6061-T6 Al alloy plate， bobbin-tools of various structural forms and sizes were designed and manufactured. The effects of structural forms and sizes on the welding process and the quality of the welded joint were analyzed. Two poses bobbin tool and three postures bobbin tool were designed and manufactured. The characteristics of the two forms of the structure were analyzed. Ring-shaped tool shoulder and concave-shaped tool shoulder were designed and manufactured. The results show that the quality of the weld by concave-shaped shoulder was better than ring-shaped shoulder. Four kinds of pin were designed and manufactured， those were pin with both right-hand thread and left-hand thread， pin with right-hand thread， cylinder pin and milling flat cylindrical pin. The results show that the quality of the weld by milling flat cylindrical pin was better than others. Using bobbin tool assembled by concave-shaped shoulder and milling flat cylindrical pin， 6 mm thick 6061-T6 Al alloy plates were welded under the spindle speed of 800 r/min and the welding speed of 150 mm/min. The tensile strength of the joint was 220 MPa， which was 70% of base material（Rm=315 MPa）.
Key words： bobbin friction stir welding； welding process； Al alloy
0 前言
搅拌摩擦焊（FSW）作为一种固相焊接方法，具有焊接接头成形美观、综合力学性能良好、焊接变形小、绿色环保和无需焊材等优点，适用于铝合金、镁合金、钛合金、铜合金等金属材料焊接[1-2]，因此在搅拌摩擦焊接技术诞生的20多年时间里，搅拌摩擦焊在造船、 航空、航天及轨道交通等领域获得了广泛的推广和应用[3-4]。但常规搅拌摩擦焊接过程伴随较大的顶锻力，需要对工件背部进行刚性支撑，这一特点限制了搅拌摩擦焊接工艺方法在一些复杂结构件上的应用。双轴肩搅拌摩擦焊是一种新型的搅拌摩擦焊接方式，在双轴肩搅拌头中，由一个共用的搅拌针连接上下两个轴肩，每个轴肩分别与试件的两个表面接触，下轴肩代替了背部的刚性支撑垫板。这一改进大大降低了焊接过程中的顶锻压力，提高了诸如曲线、狭小空腔及筒体等复杂结构件搅拌摩擦焊接的可操作性，同时节省了制造刚性装置的成本。双轴肩搅拌摩擦焊可以同时对工件的上表面和下表面进行焊接，从根本上消除了未焊透或根部缺陷等问题[5-8]。目前国内诸多科研机构对双轴肩搅拌摩擦焊逐步开始进行研究，研究内容涉及双轴肩搅拌摩擦焊接机理、焊接装备、焊接工艺方法和接头性能等方面。6061铝合金是国际通用铝合金，具有较好的强度和塑性，并具有一定的耐蚀性。6061铝合金在船舶、轨道车辆等行业具有广泛的应用。本文针对6 mm厚6061-T6铝合金材料，设计开发了双轴肩搅拌头，并进行双轴肩搅拌摩擦焊接工艺试验研究，分析了不同结构形式、尺寸规格的搅拌头对焊接过程和焊接接头质量的影响。通过焊接工艺试验，获得了6 mm厚6061-T6铝合金双轴肩搅拌摩擦焊接最佳工艺规范参数。
1 试验设备与材料
1.1 试验设备
试验设备采用哈尔滨焊接研究所自主设计制造的JB-25型搅拌摩擦焊机，主轴最高转速为2 500 r/min，主轴倾角为±5°，最大焊接板厚（铝合金）为25 mm。 1.2 试验材料 试验材料为6 mm厚6061-T6铝合金，主要化学成分如表1所示。
2 搅拌工具研究
搅拌工具是双轴肩搅拌摩擦焊工艺方法的核心技术，搅拌头结构、轴肩形式及尺寸、搅拌针形式及尺寸是决定摩擦产热效率和高温材料塑性流动状态的关键因素，影响搅拌摩擦焊接成形及焊接接头质量[9-11]。
2.1 搅拌头结构
双轴肩搅拌头由上轴肩、搅拌针和下轴肩三部分构成，其结构有两体式和三体式之分：两体式结构的上轴肩和搅拌针为一体，与下轴肩配合安装；三体式结构的上轴肩、搅拌针和下轴肩三者各为一体，三者通过配合安装构成搅拌头。设计制造了图1a所示的两体式搅拌头和图1b所示的三体式搅拌头。
由于两体式搅拌头上轴肩和搅拌针为一体，搅拌头上轴肩和搅拌针加工受到空间限制，机械加工性差。三体式搅拌头上、下轴肩和搅拌针分别加工，机械加工性相对较好，容易保证尺寸精度。两体式和三体式搅拌头的搅拌针和下轴肩通过螺纹进行轴向定位安装，上下轴肩间距可以根据需要调整，并采用顶丝进行紧固，三体式搅拌头上轴肩和搅拌针同样采用螺纹轴向定位安装，并用顶丝紧固。
2.2 搅拌头轴肩形式及尺寸
在双轴肩搅拌摩擦焊接过程中，轴肩主要有三方面的作用：轴肩通过与工件表面间的摩擦，提供一部分焊接热量；控制高温塑性金属材料的流动，阻止高温塑性金属材料从上下表面流出，控制焊缝成形[12]；对高温塑性金属材料施加一定的顶锻压力，提高焊缝的成形质量。在焊接过程中，上下轴肩对被焊工件同时具有热的作用和力的作用，搅拌头轴肩的形式和尺寸直接决定了摩擦热作用和力作用的大小，进而影响了摩擦焊接效率、焊缝成形、接头组织状态以及焊接缺陷的形成等问题。综合考虑轴肩对被焊工件的摩擦热作用、力作用的情况，设计了图2a、2b所示的环状轴肩和凹面轴肩，轴肩尺寸如表2和表3所示。
环状轴肩端面为两个同心环状凸起，主要尺寸参数包括环高h、内环直径d和外环直径D。搅拌头上、下轴肩采用相同的结构尺寸，针对不同结构尺寸的轴肩进行焊接工艺试验。通过试验发现，当环高h为0.5 mm时，由于环与环之间的环槽容积较大，在摩擦焊接过程中轴肩带动较多的高温塑性金属流动，金属材料流动大不容易控制，容易造成焊缝表面金属材料在返回侧堆积，而前进侧材料填充不充分，导致焊缝厚度在前进侧和后退侧产生差异，见图3a。当环高h为0.3 mm时，高温材料流动过程容易控制，表面依旧存在厚度差，但前进侧和后退侧厚度差减小。内环直径d和外环直径D大小影响摩擦产热和摩擦扭矩等热、力参数。当内环直径d为15 mm、外环直径D为21 mm时，焊缝表面宽度较大，并且摩擦扭矩较大，对搅拌针高温强度要求高，容易造成搅拌针断裂。当内环直径d为13 mm、外环直径D为19mm时，焊缝表面宽度适中，搅拌针寿命提高。试验证明，环状轴肩的尺寸参数h为0.3mm、d为13 mm、D为19 mm的环状轴肩成形相对较好，焊缝宽度适中，能够保证足够的摩擦产热量，同时摩擦扭矩不至于过大导致搅拌针断裂。但焊缝表面前进侧和后退侧高温塑性材料分布不均，产生厚度差，不容易消除。另外，外环台与轴肩边缘没有圆滑过渡，导致一部分高温金属在焊接过程中被环台排挤到返回侧形成飞边，见图3b，使焊缝区高温塑性金属材料减小，不利于焊缝成形。
鉴于环状轴肩存在的问题：焊缝表面材料流动不均及金属材料溢出，设计制造了凹面轴肩。凹面轴肩端面主要尺寸参数包括轴肩斜角α、 β，轴肩环直径d、D。凹面轴肩的设计思想是，轴肩圆环与轴肩边缘通过斜角β进行过渡，防止被焊材料过多地被排挤在焊缝边缘，有利于更多的高温塑性金属保留在轴肩凹槽内，形成焊缝，轴肩环直径d、D尺寸决定了环槽的容纳高温金属量、摩擦产热及摩擦顶锻力作用等，尺寸参数对焊接过程及接头质量影响如下：通过焊接工艺试验知，当轴肩斜角β为30°时，斜角过渡作用不明显，仍有一部分金属材料被轴肩摩擦排挤到返回侧形成较大飞边，当轴肩斜角β为15°时，大部分材料进入凹槽内部，在轴肩和搅拌针作用下形成焊缝，焊缝产生的飞边量减小。轴肩斜角α大小决定了凹槽容量，当α大小15°。轴肩环直径d为16 mm、D为20 mm时，焊缝成形良好，但焊缝宽度过大；轴肩环直径d为14 mm、D为16 mm时，在适当工艺参数下摩擦产热充分，能够满足摩擦焊接。通过工艺试验研究，当轴肩参数为表3第3组所示的参数时，具有较好的搅拌摩擦焊接成形性。从总体来看，凹面轴肩比环形轴肩焊接成形性好。
2.3 搅拌针形式及尺寸
在搅拌摩擦焊接中，搅拌针与被焊板材之间的作用力通过产热和塑性金属流动两个方面影响着整个焊接过程，围绕这两方面的影响设计了带螺纹搅拌针和圆柱搅拌针，螺纹搅拌针设计制造了正-反螺纹搅拌针（图4a）和正螺纹搅拌针（图4b），圆柱搅拌针设计制造了整圆柱型搅拌针（图4c）和圆柱铣扁搅拌针（图4d）。正-反螺纹和正螺纹搅拌针主要尺寸参数分别为螺纹尺寸M，整圆柱搅拌针主要尺寸参数为外径D，圆柱铣扁搅拌针主要尺寸参数为外径D和扁宽B。针对4种形式的搅拌针设计了不同尺寸规格，尺寸参数见表4。
针对4种不同形式的搅拌针进行焊接工艺试验，通过焊接工艺试验研究发现，正螺纹搅拌针使金属材料剧烈地朝板材上表面或下表面方向流动，当搅拌针顺时针旋转时，焊接界面产生的高温金属材料朝板材上表面流动，反之朝下表面流动。焊接界面高温金属单方向流动造成被焊工件在板厚方向上金属材料分布不均，一侧能够形成焊缝，而在另一侧由于高温金属填充不足形成表面的沟槽缺陷（图5）。在三种螺纹尺寸（M为10 mm，8 mm，6 mm）的情况下，焊接接头均会出现一侧形成焊缝，另一侧形成沟槽缺陷问题，这种形式的搅拌针焊接成形较差。为解决材料单向流动问题，设计制造了正-反螺纹型搅拌针，见图4，左侧为搅拌针的上部，为反螺纹，右侧为搅拌针下部，为正螺纹，焊接时正-反螺纹的分界位置位于板厚方向的中心。在焊接过程中，金属材料受到正、反螺纹两个相反方向的力的作用，金属材料朝相反的方向运动。当搅拌针顺时针旋转时，被焊工件上、下面金属材料在轴肩和搅拌针作用下由上下表面向中间流动，当搅拌针为逆时针旋转时，金属材料由板厚方向上的中间处向上下表面流动。通过试验发现，正-反螺纹搅拌针在焊接过程中容易在板厚的1/2位置出现未焊合缺陷，缺陷贯穿整个焊缝，出现这种问题的原因如下：当搅拌针顺时针方向旋转时，板材上下表面的材料向中间流动过程中，不能结合为一体，导致在板厚中间位置出现贯穿焊缝的隧道缺陷；当搅拌针逆时针旋转时，板厚中间位置的金属材料在搅拌针作用下，向上下表面流动，导致焊缝厚度中间位置金属材料不足，出现隧道缺陷。 圆柱型搅拌针由于没有螺纹，在焊接过程中，金属材料在板厚方向上流动不像带螺纹搅拌针那样过于剧烈，在板厚中间的位置，高温金属材料充分，并且高温金属材料在顶锻压力的作用下能够实现冶金结合，从而板材在整个厚度方向上均实现焊接，消除内部隧道缺陷。圆柱铣扁型搅拌针与整圆柱型搅拌针相比，搅拌针在转动过程中搅动的金属材料与搅拌针体积之比提高，这样有利于促进金属材料的流动，能够将更多的金属材料从返回侧带到前进侧，有利于防止隧道缺陷的产生，圆柱铣扁型搅拌针比整圆柱型搅拌针具有更好的焊接工艺性。
3 搅拌摩擦焊接工艺参数研究
通过焊接工艺试验得出，所设计的圆柱铣扁搅拌针和凹面轴肩组装成的搅拌头具有较好的焊接工艺性。应用此搅拌头对厚度为6 mm的6061-T6铝合金板材进行焊接工艺试验研究，主要工艺参数包括主轴转速vr、焊接速度vf，焊接工艺参数见表5。
由工艺试验发现，使用圆柱铣扁搅拌针和凹面轴肩组装成的搅拌头，在表8的9组焊接工艺参数下进行焊接，焊接接头上下表面均成形良好，无表面沟槽等表面缺陷。对9组焊接接头进行拉伸试验，第5组工艺参数下的焊接接头抗拉强度为220 MPa，为9组焊接接头抗拉强度的最大值，达到母材抗拉强度（母材抗拉强度为315 MPa）的70%。图6为5号工件焊接接头焊缝形貌，焊缝上、下表面仅存在较小的飞边缺陷，在焊缝尾部为搅拌针焊接结束留下的缺口。
4 结论
（1）针对6 mm厚6061-T6铝合金板，凹面轴肩比圆环状轴肩焊接成形性好。
（2）圆柱铣扁型搅拌针比正-反螺纹搅拌针、正螺纹搅拌针和整圆柱搅拌针焊接成形性好，能够有效避免焊缝隧道缺陷的产生。
（3）采用轴肩斜角α为15°、 β为15°、轴肩环直径d为14 mm、D为16 mm的凹面轴肩，和扁宽B为5 mm、直径D为8 mm的搅拌针组装成搅拌头，能够实现厚度为6 mm的6061-T6铝合金双轴肩搅拌摩擦焊接，焊接接头成形良好，无表面沟槽缺陷和内部隧道缺陷。
（4）采用凹面轴肩和圆柱铣扁搅拌针组装成的搅拌头 ，在主轴转速为800 r/min、焊接速度为150 mm/min参数下，焊接接头抗拉强度为220 MPa，达到母材抗拉强度的70%。
参考文献
[1] 裴泽慧. 搅拌摩擦焊技术在有色金属焊接上的应用[J]. 有色矿冶， 2006， 22（6）： 57-59.
[2] 傅志红，黄明辉，周鹏展，等. 搅拌摩擦焊及其研究现状[J]. 焊接， 2002， （11）： 6-10.
[3] 栾国红，季亚娟，简波. 飞机轻金属结构的搅拌摩擦焊[J]. 航空制造技术， 2006， （12）： 50-53.
[4] 都青华，王雁飞. 高速动车组车体搅拌摩擦焊工艺研究[J]. 机车车辆工艺， 2012， （5）： 4-5.
[5] 苏斌，贺地求，杨坤玉，等. 3 mm厚6061铝合金板固定双轴肩搅拌摩擦焊接头的显微组织与拉伸性能[J]. 机械工程材料， 2013，37（5）： 59-61.
[6] 张健，李光，李从卿，等. 2219-T4铝合金双轴肩FSW与常规FSW接头性能对比研究[J]. 焊接， 2008（11）： 50-52.
[7] 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 and Technology of Welding and Joining，2009，14（3）：247-253.
[8] Hilgert J. Modeling bobbin tool friction stir welding [D]. Technische Universit？覿t Hamburg-Harburg， 2009.
[9] 张武，柯黎明，邢丽. 搅拌摩擦焊焊缝横截面塑性材料迁移行为分析[J]. 材料工程，2008，（2）：62-66.
[10] 王希靖，李晶，达朝炳. FSW中搅拌针作用力及其影响的研究[J]. 兰州理工大学学报，2006，32（1）：11-14.
[11] 刘日明，孙成凯，党青敏，等. 搅拌摩擦焊工具的研究现状[J]. 机械设计与制造，2004（4）：45-46.
[12] 王大勇，冯吉才，王攀峰，等. 搅拌摩擦焊用搅拌头研究现状与发展趋势[J]. 焊接，2004（6）：6-10.