攪拌摩擦焊是一種固相焊接新技術，具有綠色、優質等特點，在軌道交通、航天制造和船舶制造等領域應用廣泛。攪拌摩擦焊攪拌頭的軸中線與工件接觸面法線會呈現一定角度，且這一角度一般為2°～5°。這有利于改善焊接時材料的流動方式，增加熱量流動，減小殘余應力。隨著攪拌摩擦焊技術的發展，機器人攪拌摩擦焊在工程上有著重要的應用。但是，因為有傾角的存在，在機器人焊接曲線和曲面的焊縫時，攪拌頭的傾角要實時調節，這會使焊接工序更加繁瑣，焊接設備更加復雜，提升了焊接的難度。采用無傾角的焊接方法對機器人攪拌摩擦焊的發展具有重要的作用。

     6061鋁合金主要含Mg和Si兩種合金元素，并以Mg₂Si為主要的強化相，同時其具有低密度、耐蝕性、易成形等特性。本研究采用5mm厚6061-T4鋁合金板進行無傾角的攪拌摩擦焊焊接，研究不同焊接參數對接頭性能和組織的影響，以期為機器人攪拌摩擦焊的應用提供參考。

      試驗材料為6061-T4鋁合金板，其化學成分見表1,板材尺寸為150mm×60mm×5mm。根據以往的經驗設計了無傾角的攪拌頭，其中攪拌頭的軸肩向內呈現一部分的傾角，為外高內低的形式，同時攪拌頭也設計增加了阿基米德螺線型花紋，并且在攪拌針上面加上左旋螺紋。攪拌頭尺寸示意圖見圖1。將兩塊鋁板打磨去除毛刺以及氧化膜，置于工裝上，使其對接整齊嚴密。使用FSW1609K型攪拌摩擦焊機上進行焊接試驗。進給速度固定為300mm/min, 主軸轉速分別為600、800、1000、1200、1400和1600r/min具體的焊接參數見表2。

                                                                                                                                                   表1 6061鋁合金主要的化學成分（%）

圖1 攪拌頭尺寸示意圖

表2 6061 FSW工藝試驗參數

圖2 拉伸試樣尺寸

圖3為不同工藝下焊縫的表面形貌。可以看出，當焊接轉速較低時(600、800r/min),攪拌摩擦焊焊縫表面成形粗糙，局部位置出現了金屬顆粒、毛刺與飛邊，這是由于焊接過程中攪拌頭產熱較少，金屬的塑性流動不足，造成軸肩與金屬板材之間發生粘連，導致金屬顆粒和毛刺產生。當主軸轉速提高到1000r/min后，焊縫的表面成形明顯改善，但是仍然存在細小的毛刺。繼續將焊接轉速增大至1200r/min及以上時，發現焊縫表面成形光滑，紋理清晰均勻且無毛刺產生。

不同焊接工藝下焊縫截面的宏觀形貌見圖4。可以看出，當焊接轉速較低(600、800r/min)時，焊縫底部存在隧道型缺陷；隨著轉速增加，當轉速達到1000r/min及以上時，焊縫隧道型缺陷消除。在FSW焊接過程中，焊接熱輸入量對焊縫成形起著至關重要的作用。而在攪拌摩擦焊過程中的能量和溫度可由焊接工藝參數表述，具體如下：

(a)600r/min (b)800r/min (c)1000r/min (d)1200r/min (e)1400r/min (f)1600r/min

圖3 焊縫的表面成形圖樣

a)600r/min (b)800r/min (c)1000r/min (d)1200r/min (e)1400r/min (f)1600r/min

圖4 焊縫橫截面宏觀形貌

(a)第二相分布 (b)粗大相成分

圖5 6061-T4 鋁合金母材第二相分析

圖6 焊核區第二相分布及EDS分析

圖7 焊縫顯微硬度分布

可以發現，與焊縫中心的距離不同，硬度也不同：母材區>焊核區>熱機影響區>熱影響區。母材的平均硬度(HV)最高，達到72。同時可以觀察焊核區由等軸晶細粒組成，因為受到細晶強化的影響，所以焊核區的平均硬度會高于熱影響區和熱機影響區的平均硬度。熱機影響區在焊接過程中受到的動態再結晶程度不如焊核區，其內部晶粒被拉長，使其硬度降低。同時熱影響區在攪拌摩擦焊焊接熱循環的作用下，內部微觀組織發生動態回復，晶粒粗化，導致其平均硬度最低。

圖8 各個工藝參數焊縫的力學性能

a)600r/min  (b)1200r/min (c)1600r/min

圖9 不同轉速下焊縫斷口形貌

研究結論