2219-T6静轴肩辅助搅拌摩擦焊组织与性能分析

2219-T6静轴肩辅助搅拌摩擦焊组织与性能分析作者：贺地求刘朋王海军王东曜赖瑞林来源：《湖南大学学报·自然科学版》2021年第08期摘要：为探究安装外部静止轴肩对搅拌摩擦焊接头成形和力学性能的影响，采用自主研制的外部静止轴肩辅助搅拌摩擦焊（Non-Rotational Shoulder Assisted Friction Stir Welding，NRSA-FSW）焊具对2219-T6铝合金4 mm厚板材进行对接焊试验，观察焊后接头表面成形情况. 采用拉伸和显微硬度试验对焊缝的力学性能进行测试，并与相同焊接参数下的搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding，FSW）进行对比分析. 使用金相显微镜和场发射扫描电镜对接头焊缝组织进行分析. 结果表明，由于静止轴肩的平动刮擦作用，NRSA-FSW相比FSW，接头表面更加光滑，无鱼鳞纹、飞边以及接头减薄现象. NRSA-FSW接头相比于FSW接头软化区有所增加，接头显微硬度分布更加均匀. NRSA-FSW接头平均抗拉强度323 MPa，达到母材的72%，抗拉强度同FSW相近 . NRSA-FSW焊核呈“U”状，焊缝组织无缺陷. 接头拉伸试验在焊核区（Nuggest-Zone，NZ）处断裂，为韧性断裂.关键词：搅拌摩擦焊;2219-T6铝合金;微观组织;力学性能中图分类号：TG453.9 文献标志码：AAnalysis of Microstructure and Mechanical Properties of 2219-T6Non-rotational Shoulder Assisted Friction Stir WeldingHE Diqiu1，2，LIU Peng1，WANG Haijun2，WANG Dongyao2，LAI Ruilin3（1. Light Alloy Research Institute，Central South University，Changsha 410083，China;2. State Key Laboratory of High Performance Complex Manufacturing，Central South University，Changsha 410083，China;3. State Key Laboratory of Powder Metallurgy，Central South University，Changsha 410083，China）Abstract：To investigate the effect of the external stationary shoulder on the formability and mechanical properties of friction stir welding joint，the self-developed NRSA-FSW （ non-rotational shoulder assisted friction stir welding ） was used to weld 2219-T6 aluminum alloy with the thickness of 4 mm plate. Mechanical properties of the joint were analyzed by tensile test and microhardness test. Optical microscopy and field emission scanning electron microscope were used to analyze the microstructure of the joint cross section. The results showed that the surface of the joint processed by NRSA-FSW formed without fish scales，flash，and thinning，and represented smooth appearance due to the scrapping effect of the static shoulder. Compared with the joint processed by FSW （friction stir welding） under the same condition，the softening zone of the joint processed by NRAS-FSW increased，and the microhardness distribution of the joint was more uniform. The average ultimate tensile strength of joints processed by NRAS-FSW was 323 MPa，approaching 72%of the base material，which was similar to the joint processed by FSW. Defects were not observed in the joint processed by NRSA-FSW. NZ （nuggest-zone） appeared as a "U" shape and the joint fractured in the NZ during tensile tests，which was ductile fracture.Key words：friction stir welding;2219-T6 aluminum alloy;microstructure;mechanical propertiesFSW（Friction Stir Welding）作为新式固相连接技术，适用于传统熔焊不易焊接的金属材料. 在焊接过程中，FSW能够使连接材料进行塑性流动，而不是融化状态，故不存在熔焊缺陷，为镁、铝、铜以及合金材料提供了一种新型的焊接方法[1].虽然FSW焊接方式已被各工业领域广泛接受，但随着其在航空航天工业中的不断应用，发现传统的FSW技术在焊接合金化程度高的2系与7系高强铝合金时，出现焊接质量明显下降，焊接过程不稳定等突出问题[2-3].由于传统FSW特殊的焊缝成形机制，导致焊接工程中对工装夹具的要求较高，焊接后会在接头处留下鱼鳞纹、飞边、匙孔以及焊缝减薄等特征. Widener等[4]最先将静止轴肩应用到FSW当中，增加了焊缝表面的光洁度并对焊缝质量有所改善. Li等[5]研究了不同转速下NRSA-FSW接头的显微组织，认为NRSA-FSW有助于增加接头微观组织均匀性. 刘景麟等[6]就NRSA-FSW的温度与应力进行数值模拟分析，认为静止轴肩辅助工艺具有降低焊缝区域的温度峰值以及残余应力峰值的效果. 许志武等[7]研究了静止轴肩辅助技术在铝镁搅拌摩擦搭接焊的应用，认为静止轴肩有利于增强上下板之间的材料交换. 当前大多数NRSA-FSW研究着重于探究改变工艺参数对接头的微观组织与力学性能的影响. 关于FSW添加静止轴肩辅助后对接头造成的微观组织和力学性能改变方面还需要更进一步的探索. 本文创新性的采用可拆卸式的组合焊具，静止轴肩可直接安装在焊头外进行焊接试验，NRSA-FSW试验的内部运动焊头与FSW试验使用的焊头为同一个，最大限度的控制试验变量. 本试验对2219-T6高强铝合金4 mm厚板材在相同转速、行进速度和压深下，观察添加外部静止轴肩辅助的FSW对接头表面成形的影响，分析焊缝微观组织并对焊缝的力学性能同FSW进行对比分析.1 试验材料与方法试验使用240 mm×100 mm×4 mm的2219-T6铝合金板材作为焊接材料，表1为其化学成分组成. 试验所用的NRSA-FSW焊具以及试验平台均为中南大学自行研制，焊接形式为单道对接焊. 试验前，先对FSW和NRSA-FSW进行工艺窗口探索，本次试验所用NRSA-FSW和FSW的焊接参数均为主轴转速1 200 r/min，行进速度150 mm/min，压深3.8 mm，NRSA-FSW 和FSW均使用无倾角焊接. 图1为NRSA-FSW焊头局部示意图，其中搅拌头的轴肩宽度为9.8 mm，搅拌针顶部直径为3.5 mm，根部直径为4 mm，针长3.8 mm，外部的辅助静止轴肩直径为12.6 mm. 焊接前，使用铣刀对板材对接面进行铣削处理，从而保证对接贴合无缝隙，并使用角磨机打磨材料上下表面去除其氧化膜.本次分析试验是材料在焊后自然时效7 d 后进行的. 垂直于焊缝截取拉伸样和金相试样，由凯勒试剂（2 mL HF + 3 mL FCL + 5 mL HNO3 + 190 mL H2O）腐蚀后借助超景深三维显微镜观察和分析焊缝宏观形貌以及接头各区域的显微组织. 显微硬度测试采用数字式显微硬度计，试验加载载荷为500 g、加载时间为15 s;拉伸试验采用电子万能试验机，其拉伸速度为2 mm/min. 拉伸试验结束后，截取试样焊核部分将其两端合并、冷镶，经打磨腐蚀后使用超景深三维显微镜对拉伸断裂位置进行分析;使用场发射扫描电镜观察接头拉伸断口形貌并对接头横截面粗大颗粒分布进行分析;使用X射线能谱分析仪（Energy Dispersive Spectrometer，EDS）分析材料粗大颗粒元素组成.2 试验结果和分析2.1 焊缝表面成形图2（a）（b）为NRSA-FSWRF和FSW的焊缝接头表面形貌. 图2（c）（d）为NRSA-FSW和FSW光学表面轮廓分析图. NRSA-FSW接头宽度为11.8 mm，尺寸大于内部动轴肩，小于外部静止轴肩，FSW焊缝宽度为9.8 mm，与轴肩宽度一致. 在图2（a）（b）中可以看到，FSW接头沿焊缝走向为分布规律的半圆弧状“鱼鳞纹”结构，圆弧直径与轴肩直径一致，焊缝两侧有少量飞边. NRSA-FSW接头表面相对光滑，成形良好，沿焊接行进方向有轻微刮擦痕迹. FSW在焊接行进过程中，搅拌头会存在短暂的停留，停留期间材料表层塑性材料会从搅拌头外缘挤压出来，在后退侧形成半圆形叠纹的“鱼鳞纹”[8]. NRSA-FSW焊接过程中随着焊接的行进，由于后方辅助静止轴肩的平动，会将前方动轴肩新生成的鱼鳞纹抹平，继而形成相对光滑的焊接面.NRSA-FSW焊接过程中，内部转动搅拌头、辅助静轴肩、母材、底部垫板之间会形成封闭的挤压模. 外部静轴肩可以将塑性金属材料封闭在挤压模内，外部静轴肩在顶锻、挤压和回填由内部旋转焊头挤出的金属而形成焊缝的过程中起到关键作用，几乎不会产生因挤压模内塑性金属外溢而造成飞边[9-10].焊接方向选取检测线，由图2（c）（d）可以看出，NRSA-FSW 表面呈现平滑曲线，而FSW表面则呈现出波纹状曲线. 沿着焊接方向为横坐标，板厚方向为纵坐标，选取中间段曲线相对平稳部分横坐标在100 μm范围内，NRSA-FSW纵坐标波动范围为3～7 μm，而FSW波动范围为20～25 μm，可见NRSA-FSW可显著提高焊接表面平整度.2.2 焊缝接头组织分析图3（a）为NRSA-FSW超景深三维显微镜下的接头显微组织图像，焊缝整体形貌呈现上宽下窄的“U”状. 接头由位于焊缝中心的NZ、NZ两侧热机影响区（Thermo-Mechanically Affected Zone，TMAZ）和TMAZ外侧的热影响区（Heat Affected Zone，HAZ）以及母材區（Base-Metal，BM）组成. 在NZ可以观察到层状叠加的洋葱环组织. 洋葱环的形成是由于焊接过程中搅拌针附近材料受到剪切力作用，从搅拌针顶端带动到搅拌针底端，焊核组织受挤压形成的带状结构[11].FSW（Friction Stir Welding）作为新式固相连接技术，适用于传统熔焊不易焊接的金属材料. 在焊接过程中，FSW能够使连接材料进行塑性流动，而不是融化状态，故不存在熔焊缺陷，为镁、铝、铜以及合金材料提供了一种新型的焊接方法[1].虽然FSW焊接方式已被各工业领域广泛接受，但随着其在航空航天工业中的不断应用，发现传统的FSW技术在焊接合金化程度高的2系与7系高强铝合金时，出现焊接质量明显下降，焊接过程不稳定等突出问题[2-3].由于传统FSW特殊的焊缝成形机制，导致焊接工程中对工装夹具的要求较高，焊接后会在接头处留下鱼鳞纹、飞边、匙孔以及焊缝减薄等特征. Widener等[4]最先将静止轴肩应用到FSW当中，增加了焊缝表面的光洁度并对焊缝质量有所改善. Li等[5]研究了不同转速下NRSA-FSW接头的显微组织，认为NRSA-FSW有助于增加接头微观组织均匀性. 刘景麟等[6]就NRSA-FSW的温度与应力进行数值模拟分析，认为静止轴肩辅助工艺具有降低焊缝区域的温度峰值以及残余应力峰值的效果. 许志武等[7]研究了静止轴肩辅助技术在铝镁搅拌摩擦搭接焊的应用，认为静止轴肩有利于增强上下板之间的材料交换. 当前大多数NRSA-FSW研究着重于探究改变工艺参数对接头的微观组织与力学性能的影响. 关于FSW添加静止轴肩辅助后对接头造成的微观组织和力学性能改变方面还需要更进一步的探索. 本文创新性的采用可拆卸式的组合焊具，静止轴肩可直接安装在焊头外进行焊接试验，NRSA-FSW试验的内部运动焊头与FSW试验使用的焊头为同一个，最大限度的控制试验变量. 本试验对2219-T6高强铝合金4 mm厚板材在相同转速、行进速度和压深下，观察添加外部静止轴肩辅助的FSW对接头表面成形的影响，分析焊缝微观组织并对焊缝的力学性能同FSW进行对比分析.1 试验材料与方法试验使用240 mm×100 mm×4 mm的2219-T6铝合金板材作为焊接材料，表1为其化学成分组成. 试验所用的NRSA-FSW焊具以及试验平台均为中南大学自行研制，焊接形式为单道对接焊. 试验前，先对FSW和NRSA-FSW进行工艺窗口探索，本次试验所用NRSA-FSW和FSW的焊接参数均为主轴转速1 200 r/min，行进速度150 mm/min，压深3.8 mm，NRSA-FSW 和FSW均使用无倾角焊接. 图1为NRSA-FSW焊头局部示意图，其中搅拌头的轴肩宽度为9.8 mm，搅拌针顶部直径为3.5 mm，根部直径为4 mm，针长3.8 mm，外部的辅助静止轴肩直径为12.6 mm. 焊接前，使用铣刀对板材对接面进行铣削处理，从而保证对接贴合无缝隙，并使用角磨机打磨材料上下表面去除其氧化膜.本次分析试验是材料在焊后自然时效7 d 后进行的. 垂直于焊缝截取拉伸样和金相试样，由凯勒试剂（2 mL HF + 3 mL FCL + 5 mL HNO3 + 190 mL H2O）腐蚀后借助超景深三维显微镜观察和分析焊缝宏观形貌以及接头各区域的显微组织. 显微硬度测试采用数字式显微硬度计，试验加载载荷为500 g、加载时间为15 s;拉伸试验采用电子万能试验机，其拉伸速度为2 mm/min. 拉伸试验结束后，截取试样焊核部分将其两端合并、冷镶，经打磨腐蚀后使用超景深三维显微镜对拉伸断裂位置进行分析;使用場发射扫描电镜观察接头拉伸断口形貌并对接头横截面粗大颗粒分布进行分析;使用X射线能谱分析仪（Energy Dispersive Spectrometer，EDS）分析材料粗大颗粒元素组成.2 试验结果和分析2.1 焊缝表面成形图2（a）（b）为NRSA-FSWRF和FSW的焊缝接头表面形貌. 图2（c）（d）为NRSA-FSW和FSW光学表面轮廓分析图. NRSA-FSW接头宽度为11.8 mm，尺寸大于内部动轴肩，小于外部静止轴肩，FSW焊缝宽度为9.8 mm，与轴肩宽度一致. 在图2（a）（b）中可以看到，FSW接头沿焊缝走向为分布规律的半圆弧状“鱼鳞纹”结构，圆弧直径与轴肩直径一致，焊缝两侧有少量飞边. NRSA-FSW接头表面相对光滑，成形良好，沿焊接行进方向有轻微刮擦痕迹. FSW在焊接行进过程中，搅拌头会存在短暂的停留，停留期间材料表层塑性材料会从搅拌头外缘挤压出来，在后退侧形成半圆形叠纹的“鱼鳞纹”[8]. NRSA-FSW焊接过程中随着焊接的行进，由于后方辅助静止轴肩的平动，会将前方动轴肩新生成的鱼鳞纹抹平，继而形成相对光滑的焊接面.NRSA-FSW焊接过程中，内部转动搅拌头、辅助静轴肩、母材、底部垫板之间会形成封闭的挤压模. 外部静轴肩可以将塑性金属材料封闭在挤压模内，外部静轴肩在顶锻、挤压和回填由内部旋转焊头挤出的金属而形成焊缝的过程中起到关键作用，几乎不会产生因挤压模内塑性金属外溢而造成飞边[9-10].焊接方向选取检测线，由图2（c）（d）可以看出，NRSA-FSW 表面呈现平滑曲线，而FSW表面则呈现出波纹状曲线. 沿着焊接方向为横坐标，板厚方向为纵坐标，选取中间段曲线相对平稳部分横坐标在100 μm范围内，NRSA-FSW纵坐标波动范围为3～7 μm，而FSW波动范围为20～25 μm，可见NRSA-FSW可显著提高焊接表面平整度.2.2 焊缝接头组织分析图3（a）为NRSA-FSW超景深三维显微镜下的接头显微组织图像，焊缝整体形貌呈现上宽下窄的“U”状. 接头由位于焊缝中心的NZ、NZ两侧热机影响区（Thermo-Mechanically Affected Zone，TMAZ）和TMAZ外侧的热影响区（Heat Affected Zone，HAZ）以及母材区（Base-Metal，BM）组成. 在NZ可以观察到层状叠加的洋葱环组织. 洋葱环的形成是由于焊接过程中搅拌针附近材料受到剪切力作用，从搅拌针顶端带动到搅拌针底端，焊核组织受挤压形成的带状结构[11].FSW（Friction Stir Welding）作为新式固相连接技术，适用于传统熔焊不易焊接的金属材料. 在焊接过程中，FSW能够使连接材料进行塑性流动，而不是融化状态，故不存在熔焊缺陷，为镁、铝、铜以及合金材料提供了一种新型的焊接方法[1].虽然FSW焊接方式已被各工业领域广泛接受，但随着其在航空航天工业中的不断应用，发现传统的FSW技术在焊接合金化程度高的2系与7系高强铝合金时，出现焊接质量明显下降，焊接过程不稳定等突出问题[2-3].由于传统FSW特殊的焊缝成形机制，导致焊接工程中对工装夹具的要求较高，焊接后会在接头处留下鱼鳞纹、飞边、匙孔以及焊缝减薄等特征. Widener等[4]最先将静止轴肩应用到FSW当中，增加了焊缝表面的光洁度并对焊缝质量有所改善. Li等[5]研究了不同转速下NRSA-FSW接头的显微组织，认为NRSA-FSW有助于增加接头微观组织均匀性. 刘景麟等[6]就NRSA-FSW的温度与应力进行数值模拟分析，认为静止轴肩辅助工艺具有降低焊缝区域的温度峰值以及残余应力峰值的效果. 许志武等[7]研究了静止轴肩辅助技术在铝镁搅拌摩擦搭接焊的应用，认为静止轴肩有利于增强上下板之间的材料交换. 当前大多数NRSA-FSW研究着重于探究改变工艺参数对接头的微观组织与力学性能的影响. 关于FSW添加静止轴肩辅助后对接头造成的微观组织和力学性能改变方面还需要更进一步的探索. 本文创新性的采用可拆卸式的组合焊具，静止轴肩可直接安装在焊头外进行焊接试验，NRSA-FSW试验的内部运动焊头与FSW试验使用的焊头为同一个，最大限度的控制试验变量. 本试验对2219-T6高强铝合金4 mm厚板材在相同转速、行进速度和压深下，观察添加外部静止轴肩辅助的FSW对接头表面成形的影响，分析焊缝微观组织并对焊缝的力学性能同FSW进行对比分析.1 试验材料与方法试验使用240 mm×100 mm×4 mm的2219-T6铝合金板材作为焊接材料，表1为其化学成分组成. 试验所用的NRSA-FSW焊具以及试验平台均为中南大学自行研制，焊接形式为单道对接焊. 试验前，先对FSW和NRSA-FSW进行工艺窗口探索，本次试验所用NRSA-FSW和FSW的焊接参数均为主轴转速1 200 r/min，行进速度150 mm/min，压深3.8 mm，NRSA-FSW 和FSW均使用无倾角焊接. 图1为NRSA-FSW焊头局部示意图，其中搅拌头的轴肩宽度为9.8 mm，搅拌针顶部直径为3.5 mm，根部直径为4 mm，针长3.8 mm，外部的辅助静止轴肩直径为12.6 mm. 焊接前，使用铣刀对板材对接面进行铣削处理，从而保证对接贴合无缝隙，并使用角磨机打磨材料上下表面去除其氧化膜.本次分析试验是材料在焊后自然时效7 d 后进行的. 垂直于焊缝截取拉伸样和金相试样，由凯勒试剂（2 mL HF + 3 mL FCL + 5 mL HNO3 + 190 mL H2O）腐蚀后借助超景深三维显微镜观察和分析焊缝宏观形貌以及接头各区域的显微组织. 显微硬度测试采用数字式显微硬度计，试验加载载荷为500 g、加载时间为15 s;拉伸试验采用电子万能试验机，其拉伸速度为2 mm/min. 拉伸试验结束后，截取试样焊核部分将其两端合并、冷镶，经打磨腐蚀后使用超景深三维显微镜对拉伸断裂位置进行分析;使用场发射扫描电镜观察接头拉伸断口形貌并对接头横截面粗大颗粒分布进行分析;使用X射线能谱分析仪（Energy Dispersive Spectrometer，EDS）分析材料粗大颗粒元素组成.2 试验结果和分析2.1 焊缝表面成形图2（a）（b）为NRSA-FSWRF和FSW的焊缝接头表面形貌. 图2（c）（d）为NRSA-FSW和FSW光学表面轮廓分析图. NRSA-FSW接头宽度为11.8 mm，尺寸大于内部动轴肩，小于外部静止轴肩，FSW焊缝宽度为9.8 mm，与轴肩宽度一致. 在图2（a）（b）中可以看到，FSW接头沿焊缝走向为分布规律的半圆弧状“鱼鳞纹”结构，圆弧直径与轴肩直径一致，焊缝两侧有少量飞边. NRSA-FSW接头表面相对光滑，成形良好，沿焊接行进方向有轻微刮擦痕迹. FSW在焊接行进过程中，搅拌头会存在短暂的停留，停留期间材料表层塑性材料会从搅拌头外缘挤压出来，在后退侧形成半圆形叠纹的“鱼鳞纹”[8]. NRSA-FSW焊接过程中随着焊接的行进，由于后方辅助静止轴肩的平动，会将前方动轴肩新生成的鱼鳞纹抹平，继而形成相对光滑的焊接面.NRSA-FSW焊接过程中，内部转动搅拌头、辅助静轴肩、母材、底部垫板之间会形成封闭的挤压模. 外部静轴肩可以将塑性金属材料封闭在挤压模内，外部静轴肩在顶锻、挤压和回填由内部旋转焊头挤出的金属而形成焊缝的过程中起到关键作用，几乎不会产生因擠压模内塑性金属外溢而造成飞边[9-10].焊接方向选取检测线，由图2（c）（d）可以看出，NRSA-FSW 表面呈现平滑曲线，而FSW表面则呈现出波纹状曲线. 沿着焊接方向为横坐标，板厚方向为纵坐标，选取中间段曲线相对平稳部分横坐标在100 μm范围内，NRSA-FSW纵坐标波动范围为3～7 μm，而FSW波动范围为20～25 μm，可见NRSA-FSW可显著提高焊接表面平整度.2.2 焊缝接头组织分析图3（a）为NRSA-FSW超景深三维显微镜下的接头显微组织图像，焊缝整体形貌呈现上宽下窄的“U”状. 接头由位于焊缝中心的NZ、NZ两侧热机影响区（Thermo-Mechanically Affected Zone，TMAZ）和TMAZ外侧的热影响区（Heat Affected Zone，HAZ）以及母材区（Base-Metal，BM）组成. 在NZ可以观察到层状叠加的洋葱环组织. 洋葱环的形成是由于焊接过程中搅拌针附近材料受到剪切力作用，从搅拌针顶端带动到搅拌针底端，焊核组织受挤压形成的带状结构[11].FSW（Friction Stir Welding）作为新式固相连接技术，适用于传统熔焊不易焊接的金属材料. 在焊接过程中，FSW能够使连接材料进行塑性流动，而不是融化状态，故不存在熔焊缺陷，为镁、铝、铜以及合金材料提供了一种新型的焊接方法[1].虽然FSW焊接方式已被各工业领域广泛接受，但随着其在航空航天工业中的不断应用，发现传统的FSW技术在焊接合金化程度高的2系与7系高强铝合金时，出现焊接质量明显下降，焊接过程不稳定等突出问题[2-3].由于传统FSW特殊的焊缝成形机制，导致焊接工程中对工装夹具的要求较高，焊接后会在接头处留下鱼鳞纹、飞边、匙孔以及焊缝减薄等特征. Widener等[4]最先将静止轴肩应用到FSW当中，增加了焊缝表面的光洁度并对焊缝质量有所改善. Li等[5]研究了不同转速下NRSA-FSW接头的显微组织，认为NRSA-FSW有助于增加接头微观组织均匀性. 刘景麟等[6]就NRSA-FSW的温度与应力进行数值模拟分析，认为静止轴肩辅助工艺具有降低焊缝区域的温度峰值以及残余应力峰值的效果. 许志武等[7]研究了静止轴肩辅助技术在铝镁搅拌摩擦搭接焊的应用，认为静止轴肩有利于增强上下板之间的材料交换. 当前大多数NRSA-FSW研究着重于探究改变工艺参数对接头的微观组织与力学性能的影响. 关于FSW添加静止轴肩辅助后对接头造成的微观组织和力学性能改变方面还需要更进一步的探索. 本文创新性的采用可拆卸式的组合焊具，静止轴肩可直接安装在焊头外进行焊接试验，NRSA-FSW试验的内部运动焊头与FSW试验使用的焊头为同一个，最大限度的控制试验变量. 本试验对2219-T6高强铝合金4 mm厚板材在相同转速、行进速度和压深下，观察添加外部静止轴肩辅助的FSW对接头表面成形的影响，分析焊缝微观组织并对焊缝的力学性能同FSW进行对比分析.1 试验材料与方法试验使用240 mm×100 mm×4 mm的2219-T6铝合金板材作为焊接材料，表1为其化学成分组成. 试验所用的NRSA-FSW焊具以及试验平台均为中南大学自行研制，焊接形式为单道对接焊. 试验前，先对FSW和NRSA-FSW进行工艺窗口探索，本次试验所用NRSA-FSW和FSW的焊接参数均为主轴转速1 200 r/min，行进速度150 mm/min，压深3.8 mm，NRSA-FSW 和FSW均使用无倾角焊接. 图1为NRSA-FSW焊头局部示意图，其中搅拌头的轴肩宽度为9.8 mm，搅拌针顶部直径为3.5 mm，根部直径为4 mm，针长3.8 mm，外部的辅助静止轴肩直径为12.6 mm. 焊接前，使用铣刀对板材对接面进行铣削处理，从而保证对接贴合无缝隙，并使用角磨机打磨材料上下表面去除其氧化膜.本次分析试验是材料在焊后自然时效7 d 后进行的. 垂直于焊缝截取拉伸样和金相试样，由凯勒试剂（2 mL HF + 3 mL FCL + 5 mL HNO3 + 190 mL H2O）腐蚀后借助超景深三维显微镜观察和分析焊缝宏观形貌以及接头各区域的显微组织. 显微硬度测试采用数字式显微硬度计，试验加载载荷为500 g、加载时间为15 s;拉伸试验采用电子万能试验机，其拉伸速度为2 mm/min. 拉伸试验结束后，截取试样焊核部分将其两端合并、冷镶，经打磨腐蚀后使用超景深三维显微镜对拉伸断裂位置进行分析;使用场发射扫描电镜观察接头拉伸断口形貌并对接头横截面粗大颗粒分布进行分析;使用X射线能谱分析仪（Energy Dispersive Spectrometer，EDS）分析材料粗大颗粒元素组成.2 试验结果和分析2.1 焊缝表面成形图2（a）（b）为NRSA-FSWRF和FSW的焊缝接头表面形貌. 图2（c）（d）为NRSA-FSW和FSW光学表面轮廓分析图. NRSA-FSW接头宽度为11.8 mm，尺寸大于内部动轴肩，小于外部静止轴肩，FSW焊缝宽度为9.8 mm，与轴肩宽度一致. 在图2（a）（b）中可以看到，FSW接头沿焊缝走向为分布规律的半圆弧状“鱼鳞纹”结构，圆弧直径与轴肩直径一致，焊缝两侧有少量飞边. NRSA-FSW接头表面相对光滑，成形良好，沿焊接行进方向有轻微刮擦痕迹. FSW在焊接行进过程中，搅拌头会存在短暂的停留，停留期间材料表层塑性材料会从搅拌头外缘挤压出来，在后退侧形成半圆形叠纹的“鱼鳞纹”[8]. NRSA-FSW焊接过程中随着焊接。