南京工业大学JMR&T用于板翅式换热器的3003-H112铝合金与304不锈钢搅拌摩擦焊接对接接头的显微组织及力学性能

图1a-d显示了固定转速300 rpm时不同偏移量下的焊缝表面形貌。焊缝两侧分布有半圆弧波纹与飞边，且飞边量随偏移量增大而增加。2.0 mm偏移量下可见明显沟槽（图1a），其形成与工具-钢界面剧烈摩擦产生的高热输入相关；随偏移量增至3.0 mm，沟槽逐渐消失，半圆弧波纹间距趋于均匀细密；进一步增至3.3 mm时，铝侧飞边堆积现象加剧，这与3003铝合金持续受热软化后被旋转搅拌头肩部挤压至表面有关。图1e、c、f分别为200 rpm、300 rpm、400 rpm转速下的接头形貌：低转速（200 rpm）时飞边量少，电弧波纹均匀致密（图1e）；随转速升高，焊缝表面飞边堆积逐渐增多。

图1.不同参数下焊缝的表面外观：（a） 300 rpm，2.0 mm；（b） 300 转/分，2.5 毫米；（c） 300 转/分，3.0 毫米；（d） 300 转/分，3.3 毫米；（e） 200 转/分，3.0 毫米；（f） 400 转/分，3.0 毫米。

图2为焊接接头的截面。在焊缝中心观察到一个大的凹陷，这是由坡口引起的，如图2a所示。许多钢碎片分布在靠近界面的铝合金侧。当偏移量较小时，大量的不锈钢变成碎片，然后在工具的旋转下搅拌到铝合金侧。当偏移增加到3.0 mm时，钩状结构断裂并被搅拌到RS侧，从而观察到一个大的钢碎片，如图2b所示。随着偏移量的进一步增加，大钢碎片在工具的强烈搅拌作用下被细化，因此钩状结构变得短，几乎无法检测到大钢碎片（图2c）。此外，随着转速的降低，焊缝的组织变得均匀且无大颗粒，如图2d所示。

图2.不同参数下焊接截面腐蚀的宏观图像：（a） 300 rpm，2.5 mm；（b） 300 转/分，3.0 毫米；（c） 300 转/分，3.3 毫米；（d） 200 转/分，3.0 毫米；（e） 400 rpm，3.0 毫米。

图3显示了焊接接头典型区域的微观组织。图3d为300 rpm转速、3.0 mm偏移量下横截面的TMAZ（热机械影响区），该区域晶粒因同时受热力与机械力作用而发生拉长与弯曲。SZ（搅拌区）在剧烈塑性变形与动态再结晶作用下形成以等轴晶粒为主的细化组织（图3e），此现象与Aktarer等在AA6061搅拌区观察到的晶粒细化结果一致。图3f显示AA3003侧形成的洋葱环结构，其成因在于材料经摩擦加热产生塑性流动，工具旋转前移过程中将材料挤压至后退侧，形成层状分布特征3。上述微观结构特征在不同焊接接头中具有一致性。

图3.不同焊接参数下TMAZ-RS与SZ（（a）、（d）、（g）、（j）、（m））、SZ（（b）、（e）、（h）、（k）、（n））和SZ中洋葱环（（c）、（f）、（i）、（l）、（o））界面的微观结构。

图4为焊接接头的应力-应变曲线。加载过程中，最小横截面积区域承受最大应力；由于焊接接头表面不平整且拉伸试样宽度固定，试样所受应力主要取决于焊缝最薄区域厚度。不同参数下试样延伸率存在差异，其变化由根部未熔透导致：1-5#试样未熔透距离分别为0.8、1.3、1.7、1.0、1.8 mm，对应延伸率依次为7.3%、6.1%、4.4%、5.5%、4.1%。结果表明，随未熔透距离增大，延伸率逐渐降低，此规律在应力-应变曲线中得到印证。

图4所示焊接接头的拉伸性能分析表明：1#试样焊缝表面存在沟槽，虽降低有效承载面积，但因其根部未熔透区域较小，部分抵消了沟槽缺陷的影响，故仍保持较高强度。随着偏移量增大，飞边量及根部未熔透距离递增，导致焊接接头抗拉强度逐渐降低。4#试样表现出最高抗拉强度（约137 MPa），这与其致密的焊缝组织及良好的熔透性密切相关。断裂行为分析显示，裂纹均起源于焊缝根部（图4c红色箭头所示）；进一步加载后，部分试样在铝/钢界面断裂，其余则断裂于铝侧搅拌区（图4b、c黄色箭头所示）

图4.焊接接头的拉伸性能：（a） 应力-应变曲线；（b） 接头断裂后的正面照片；（c） 接头断裂后的侧面照片。