高速静止轴肩搅拌摩擦焊搭接异种铝合金的微观组织与力学性能研究

本刊推荐：为解决传统熔焊铝合金出现的凝固裂纹、气孔及变形等问题，研究人员开展了高速静止轴肩搅拌摩擦焊（SSFSW）技术研究。通过以1.5 m/min高速焊接异质铝合金AA6082-T6/AA6005A-T6，发现焊缝区动态再结晶晶粒细化至2.3μm，硬度最低降至65 HV，搭接剪切强度达136 MPa。该技术为交通运输领域轻量化结构提供了高效低热输入焊接新方案。

　　

随着交通运输领域对轻量化需求的日益增长，铝合^?金凭借其高比强度和优良耐腐蚀性成为理想材料。然而传统熔焊技术面临凝固裂纹、气孔和变形等瓶颈，而搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding, FSW）作为固相连接技术虽能避免熔焊缺陷，却因旋转肩部产生高热输入导致热影响区（Heat-Affected Zone, HAZ）过宽、组织不均匀等问题。静止轴肩搅拌摩擦焊（Stationary Shoulder Friction Stir Welding, SSFSW）通过肩部静止、仅针旋转的设计，将热量集中于焊缝中心，显著改善焊接对称性与组织均匀性，但以往研究多局限于0.5 m/min以下低速焊接。能否实现高速SSFSW并保证接头质量，成为推动该技术工业应用的关键挑战。

为突破速度限制，瑞典大学West分校的研究团队在《Welding in the World》发表最新成果，系统探究了1.5 m/min高速SSFSW对AA6082-T6与AA6005A-T6异种铝合金搭接接头的微观组织与力学性能影响。研究通过优化工具旋转速度（1000-1500 rpm）、轴向力（5000-8000 N）与针入深度（3.2-3.5 mm）等参数，发现高速焊接可降低热输入，缩小HAZ范围，并促进焊缝区动态再结晶形成2.3μm超细晶粒。尽管焊缝中出现钩状缺陷与根部微孔，但搭接剪切测试显示接头强度最高达144 MPa，断口韧窝占比60%-70%，证明其具备优良的韧性与工程应用潜力。

关键技术方法包括：采用机器人化SSFSW系统（ABB IRB 700/1000型）搭配H13钢制工具（肩部直径12 mm，针部直径5 mm）；通过光学显微镜与扫描电镜（SEM）进行微观组织表征；运用电子背散射衍射（EBSD）分析晶界取向与再结晶行为；利用维氏硬度映射（400-500个测点）评估软化行为；依据ASTM E8/E8M-21标准进行搭接剪切试验。

焊接缺陷与材料流动特征

通过宏观形貌分析发现，提高轴向力至8000 N可有效抑制表面隧道缺陷与根部微孔。前进侧（AS）因工具旋转与焊接方向一致，材料流动更充分，而后退侧（RS）则呈现较窄的热力影响区（Thermomechanically Affected Zone, TMAZ）。SSFSW-6试样因降低针入深度（3.2 mm）并提高转速至1500 rpm，界面材料混合程度最优。

动态再结晶与晶粒细化机制

EBSD分析揭示焊缝区平均晶粒尺寸由基材50-100μm细化至2.3μm，高角度晶界比例达70%。核平均误取向（Kernel Average Misorientation, KAM）图显示再结晶区域局部应变较低，而晶粒取向扩展（Grain Orientation Spread, GOS）图证实动态再结晶主导了组织均匀化过程。该现象与Yu等学者提出的铝合^?金FSW再结晶模型高度吻合。

硬度分布与软化行为

维氏硬度映射显示HAZ硬度最低降至65 HV（基材硬度110-115 HV）。SSFSW-2因焊接速度提高至1.5 m/min，热输入减少，HAZ软化程度较SSFSW-1减轻约20%。硬度最低点位于针部与上板界面区域，该处成为应力集中与裂纹萌生的主要位置。

断裂机理与性能关联

搭接剪切试验中所有试样均从AS钩状缺陷处启裂，沿软化HAZ向隧道缺陷扩展。SSFSW-6因界面机械锁合效应增强，平均破坏载荷达2.78 kN（强度144 MPa）。断口分析显示底部存在无韧窝脆性层，而中上部区域密集韧窝证实微孔聚集的韧性断裂本质。该断裂模式与焊核区（Nugget Zone）高比例再结晶组织形成的强韧协同机制密切相关。

本研究证实高速SSFSW（1.5 m/min）可实现异种铝合^?金高质量搭接连接，其核心优势在于通过降低热输入控制HAZ软化，同时利用动态再结晶获得超细晶组织。尽管钩状缺陷仍为断裂主导因素，但根部微孔对强度影响微弱。该技术为交通运输领域轻量化结构件高效制造提供了新途径，尤其适用于电池托盘等大尺度组件生产。未来需进一步优化工具几何形状与参数匹配，以消除界面缺陷并提升接头疲劳性能。