0 引言

5083-O铝合金属于不可热处理强化的铝镁系合金，其不仅具有较高的比强度和良好的焊接性，同时还具有一定的导电性和导热性，目前在医疗行业应用颇多。1991年，英国焊接研究所发明了一种新型的塑性固相连接技术［1］，称之为搅拌摩擦焊（FSW），焊接方法数字表示法是43［2］。与常规的熔化焊焊接方法相比，在搅拌摩擦焊焊接过程中没有烟尘、飞溅、热辐射，并且可以避免热裂纹、大变形及粗大组织等缺点［3］，在提高企业生产效率的同时也降低了制造成本，恰好能解决本公司所面临的主要产品质量问题。FSW作为最具有革命性的绿色无污染焊接连接技术［4］与医疗行业服务宗旨一脉相承，同时也符合“中国制造2025”提出创建智能工厂、构建绿色制造体制、建设绿色工厂的大趋势。

本文对5083-O铝合金试板进行了搅拌摩擦焊工艺试验，并分析了试验结果，验证了所选焊接工艺的适合性，成功地实现了搅拌摩擦焊在医疗设备中的首次批量生产应用。

舟山海域隶属宁波舟山港区，地处长江经济带与沿海运输国际航道交汇点，江海联运业务繁忙，水文条件复杂。沿岸水域流速大，流态多样，局部存在涡流和切变流。

1 试验材料与方法

试验选用Al－Mg合金中5083-O作为母材，焊接试板长500 mm，宽150 mm，厚15.5 mm，其规格确定依据为ISO 25239－4—2011和最终所焊产品焊缝厚度。试板编号为HP1504，母材的化学成分及力学性能分别见表 1［5］和表 2［6］。

“在我家里啊！”欧阳锋丈二和尚摸不着头脑，让他弄不明白的是，家里怎么会平白无故地多了一对陌生男女？再看看房间布置，床套、家具、窗帘都那么陌生，与家中的毫不搭调，妻子吕凌子也不在，心里直犯嘀咕：我这到底在哪？难道被不法分子绑架了不成？欧阳锋突地打了个激灵，酒醒了大半，发现自己竟然全裸着身子，小心问：我能不能先穿上衣服再说？

 

表1 母材的化学成分（质量分数）（%）

  

Si Fe Cu Mn Mg≤0.4 ≤0.4 ≤0.1 0.4～1.0 4.0～4.9 Cr Zn Ti 其他 Al 0.05～0.25 ≤0.25 ≤0.15 ≤0.15 余量

 

表2 母材的力学性能

  

状态 屈服强度Rp0.2/MPa 抗拉强度Rm/MPa 断后伸长率A50（%）O≥110 ≥270 ≥10

表3为焊缝拉伸试验结果。从表3的拉伸试验结果看出，对于试板HP1504而言，焊缝长度方向的力学性能是均匀的，焊缝起始位置测得抗拉强度值为294 MPa，焊缝末端抗拉强度值为291 MPa，且均断裂在高温软化区。结合表2中母材的力学性能指标，通过对比这2组数值可以看出，此FSW焊接接头实现了等强匹配或近等强匹配，符合ISO 25239－4—2011标准规定的非热处理强化铝合金焊缝强度与母材等强匹配的要求。

2 FSW接头性能检测及分析

渗透探伤执行的依据是ISO 3452－1—2013标准中的ⅡC d条，其结果符合ISO 23277—2015 2X级验收等级的要求，此试验结果表明，试板HP1601焊缝的表层及近表层焊接质量满足要求。射线探伤的范围是100%的焊缝区域和热影响区域，检测结果未发现未焊透、隧道孔、裂纹等缺陷，并达到ISO 10042—2006标准中B级的要求。宏观金相试样的观察结果如图2所示，未发现ISO 25239－5—2011标准和技术协议中的错边、隧道孔、裂纹等宏观缺陷，完全满足质量要求。

  

图1 试样截取位置

（1）成功地焊制了表面光洁且内部无缺陷的5083-O铝合金搅拌摩擦焊焊缝。

3 试验结果与分析

为了验证FSW焊接方法能够满足产品制作要求，结合产品自身的特点，基于ISO 25239－4—2011的要求，在对500 mm×150 mm×15.5 mm的试板施焊后，根据ISO 17637—2016对焊缝进行外观检查，质量接受标准为DIN EN ISO 10042—2006，质量接受等级为B级。外观检查合格后，依据EN ISO 17636-1—2013对焊缝进行X射线探伤。根据ISO 3452－1—2013进行渗透探伤，以检测焊缝表层及近表层是否有缺欠或缺欠的分布状态。在焊接试件上沿焊缝横向分别制取拉伸试样、弯曲试样和金相试样，具体位置如图1所示。

  

图2 焊缝横截面宏观金相形貌

焊前用机加工的方式清除试板表面特别是焊接区域的氧化膜，同时保证试板的平面度。采用双面焊成形工艺焊制搅拌摩擦焊接头，最终确定了最佳的工艺参数。第1道焊缝搅拌头轴肩直径为30 mm，搅拌针长度为12.5 mm，搅拌头旋转速度为600 r/min，焊接速度为200 mm/min，搅拌头倾角为2°。为了充分保证根部焊缝无未焊透缺陷，焊接第2道焊缝时，搅拌针长度为5 mm，保证2 mm深度方向的重合，第2道焊缝的其他工艺参数分别是：搅拌头轴肩直径为17 mm，搅拌头旋转速度为1 400 r/min，焊接速度为600 mm/min，搅拌头倾角为2°。

 

表3 拉伸试验结果

  

试样编号 抗拉强度/MPa屈服强度/MPa 断后伸长率A50（%） 断裂位置HP1504－2－1 294 146 24 高温软化区HP1504－2－6 291 146 24 高温软化区

弯曲试验按标准ISO 5173—2016进行，测试了4组试样，具体结果见表4。在弯曲试验过程中，未发现任何方向上有大于3 mm的缺陷，因此弯曲试验结果满足要求。

 

表4 弯曲试验结果

  

试样编号 弯曲直径/mm 弯曲角度/（°） 试验结果HP1504－2－2 60 180 合格HP1504－2－3 60 180 合格HP1504－2－4 60 180 合格HP1504－2－5 60 180 合格

4 搅拌摩擦焊焊接缺陷简析

对防错系统检查可以发现故障，极大地提高可靠性。自检技术分为离线自检与在线自检。离线自检为定期对防错系统进行检查，发现固定性故障，只有无故障才可以开始工作。在线自检为边工作边自检，可以发现偶然性故障。每次开机后进行自检，自检方法有重复自检、再生输入自检、输出自检、校验自检与全信息自检[9]。通过上述措施来保证其在3个月内不发生故障。

搅拌摩擦焊除了无需焊材和保护气体、热输入小、无弧光和烟尘等优势外，随着研究及实际应用的深入，其缺点也逐渐显现，ISO 25239－5—2011中将其缺陷分为两大类，即表面缺陷和内部缺陷。表面缺陷通常用肉眼或借助放大镜可以观察到，如飞边、未焊透、错边、未填满等；内部缺陷主要有孔洞、钩状缺陷等［7］。若材料焊接面焊前处理不干净，加之搅拌摩擦焊 “自清洁”功能不佳，在焊缝截面处，由于原始连接界面上的杂质或氧化物等在搅拌不充分的情况下易产生一种连续折线状缺陷，如图3所示，这就是常说的搅拌摩擦焊（FSW）固有的“弱连接”缺陷［8-9］。现实中发现此缺陷不仅在焊缝长度方向有分布，沿焊缝横截面方向亦有分布，图3中的 “弱连接”缺陷是沿焊缝截面方向分布的。在日常生产中，要避免或减小此缺陷发生的概率，被焊工件焊接区域氧化层、油污及其他不清洁之物的清理程度至关重要。

  

图3 焊缝中的连接折线缺陷

5 结论

焊接接头宏观金相分析依据ISO 17639—2013标准，以观察熔合面的质量状态。同时，根据ISO 4136—2012和ISO 5173—2016标准要求，对焊缝进行了破坏性试验，即拉伸试验和弯曲试验，以检测焊缝的力学性能。

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（2）采用搅拌摩擦焊方法焊接 15.5 mm厚的5083－O铝合金时，在首道焊缝搅拌头旋转速度为600 r/min，焊接速度为200 mm/min，第2道焊缝搅拌头旋转速度为1 400 r/min，焊接速度为600 mm/min时，焊缝抗拉强度分别达294 MPa和291 MPa，断后伸长率达20%以上，实现了等强匹配或近等强匹配。

（3）无损检测结果和破坏性试验检测的结果表明，设计的焊接工艺是可行的，此项焊接工艺评定是合格的，可以用于生产。

（4）在日常的产品生产中，每一个工序环节应该严格按照工艺要求执行到位，以避免批量性地出现焊接质量问题。

参考文献：

［1］Mishra R S， Ma Z Y.Friction stir welding and processing［J］.Materials Science and Engineering R， 2005（50）： 1－5.

［2］BS EN ISO 4063—2000 Welding and Allied Processes-Nomenclature of Processes and Reference Numbers［S］.

［3］孙宜华，杜 良.搅拌摩擦焊的研究进展与应用［J］.新技术新工艺， 2011（6）： 70－73.

［4］A WALDRON D J， ROBERTS R W.Friction stir welding a revolutionary new joining method［J］.Aerospace Automated Fastening Conference and Exposition， 1998（9）： 15－17.

［5］DIN EN 573－3—2013 Aluminium and Aluminium Alloys-Chemical Composition and Form of Wrought Products-Part 3：Chemical Composition and Form of Products［S］.

［6］DIN EN 475－2 Aluminium and Aluminium Alloys-Extruded Rod/Bar， Tube and Profiles-Part 2： Mechanical Properties［S］.

［7］ISO 25239－5—2011 Friction Stir Welding-Aluminiumn-Part 5：Quality and Inspection Requirements［S］.

［8］Yutaka S Sato， Hideaki Takauchi， Seung Hwan C Park， et al.Characteristics of the kissing bond in friction stir welded Al-alloy 1050［J］.Material Science and Engineering： A， 2005， 405（12）：333－338.

［9］Zhou Caizhi， Yang Xinqi and Luan Guohong.Effect of root flaws on the fatigue property of friction stir welds in 2024－T3 aluminiumn alloys［J］.Materials Science and Engineering A， 2006， 418（1/2）：155－160.