目前國內外許多學者都在進行攪拌摩擦焊焊接過程塑性金屬流動的可視化工作，并且提出了大量的方法，如嵌入示蹤粒子法、鋼球示蹤法，異種鋁合金金相組織顯示法等等[1-7]。研究將兩種鋁合金通過攪拌摩擦焊連接，焊后制成金相試樣，通過兩種鋁合金顯微組織在同一腐蝕液下呈現的截然不同形貌的對比，觀察攪拌摩擦焊焊縫金屬的流動特性。1 試驗材料及方法 試驗選用的材料為LY12和LF2兩種鋁合金，其化學成分見表1。試驗在自制的FSW焊機上進行，選用的焊接參數見表2，焊接參數由焊機控制系統的MCGS組態軟件實時檢測記錄[8]。具體試驗過程如下：采用3mmLF2和6mmLY12搭接以及6mmLF2和6mmLY12對接，分別進行攪拌摩擦焊試驗。焊后按照觀測要求，分別截取不同位置的橫、縱截面，用Keller's腐蝕劑腐蝕30秒后制成金相試樣，在XJP-200光學顯微鏡下觀察焊縫顯微組織。由于兩種材料不同的耐腐蝕性能，LY12耐腐蝕性較弱，顯微組織較暗，而LF2耐腐蝕性較強，顯微組織則較亮，因而試樣呈現明暗兩種顯微組織的分布，通過不同組織外觀顯示了鋁合金攪拌摩擦焊的流場分布。 表1 LY12與LF2鋁合金的化學成分對比（wt%） 型號 Mg Mn Fe Si Cu LF2 2.0-2.8 0.15-0.40 0.400.40 0.10 LY12 1.2-1.8 0.3-0.9 —— 3.8-4.9 表2焊接參數 焊接參數軸肩/攪拌針直徑D/d（mm）攪拌針長度l（mm）旋轉速度ω（r/min）焊接速度v（mm/min）焊接能量P（W） 搭接接頭 32 /10 8.5 1025 16 6435 對接接頭 24 /8 5.5 1250 42 5960 2 試驗結果分析2.1 3mmLF2和6mmLY12搭接結果分析 通過將3mmLF2和6mmLY12搭接觀測攪拌摩擦焊塑性金屬的豎直方向的流動狀況，接頭組織分布如圖1所示，接頭上層為3mmLF2，下層為6mm LY12。因耐腐蝕性不同，LF2呈現較亮的組織，而LY12則呈現較暗的組織。根據組織形態的不同，焊縫接頭可分為五個區：A區為黑白相間的薄層混合區，主要受攪拌針的旋轉擠壓作用剪切滑移過渡形成，局部放大如圖2-1所示；B區為下層金屬向前、向上流動區，向上流動高度高于被搭接板材的 厚度，主要受到摩擦頭軸肩后部對焊縫金屬的頂鍛摩擦作用所致；C區為洋蔥圓環區，縱截面放大圖2-3可以看到明顯的分層過渡跡象，這是由于攪拌摩擦頭旋轉前進使前方的塑化金屬受到攪拌針的旋轉擠壓作用向后流動，并呈周期性的向后轉移，并且在圖中的S處可以觀察到明顯的拐點區，說明該處流動模式發生變化；D區為底部擠壓區，由于攪拌針的長度略小于板材厚度以及摩擦頭的旋轉擠壓使塑性金屬在C區的流動模式在該區發生斷裂，形成塑性金屬的無序混合，該區也是焊縫接頭的薄弱區；E區為旋轉流動區，位于焊縫上層，主要受摩擦頭軸肩的旋轉摩擦作用，焊縫金屬由返回側向前進側轉移。 圖1 3mmLF2和6mmLY12搭接焊縫組織宏觀圖 圖2 典型區域放大圖2-1 A區放大圖；2-2 D區放大； 2-3 C區放大2.2 6mmLF2和6mmLY12對接結果分析 通過將6mmLF2和6mmLY12對接觀測攪拌摩擦焊塑性金屬的水平流動狀況，接頭組織分布示意如圖3所示，接頭左側為LF2，右側為LY12。因耐腐蝕性不同，接頭兩側呈現明暗不同的組織分布。焊縫對接接頭分區與搭接接頭相同，圖3中A、B、C、D、E五個分區分別對應圖1中的A、B、C、D、E五個分區。此外，從圖3中可以觀察到焊縫前進側母材與焊縫分界線比較明顯，而返回側母材與焊縫分界線比較模糊，說明焊縫兩側塑性金屬流動模式并不相同；焊核形狀關于焊縫中心線并不對稱，而是偏向返回側，說明塑性金屬流動也偏向返回側，這也驗證了攪拌摩擦焊對稱位置上前進側溫度低于返回側溫度的不對稱的溫度場分布[9]；同樣可以發現在焊縫上部，受摩擦頭軸肩旋轉摩擦作用的影響，塑性金屬更多的是從返回側進入前進側，如E區所示；而在焊縫下部塑性金屬更多的是從前進側進入返回側，如C、D區所示；而在A、C區，可以觀察到塑性金屬的黑白相間的分層過渡現象。 圖3 6mmLF2和6mmLY12對接焊縫組織宏觀圖3 結論 （1）采用異種鋁合金攪拌摩擦焊的不同顯微組織觀測塑性金屬流動情況，該方法簡單直觀。 （2）焊縫金屬流動模式關于焊縫中心并不對稱，按流動特征不同焊縫大致分為五個分區。 （3）可以觀察到清晰的洋蔥圓環區和薄層間混結構。 （4）攪拌針兩側焊縫下層金屬有向前、向上流動的趨勢，向上流動高度高于被搭接板材的厚度。 對應牌號：國標：2A12(LY12) GB/T 3190-1996 ISO：AlCu4Mg1 ISO 209.1-1989 日標：A2024 JIS H4000-1999 JISH4040-1999 非標：24530 IS5902 法標：2024（A-USG1) NF A50-411 NF A50-451 美標：2024 AA
