汪洪峰, 左敦穩(wěn), 邵定林, 李 光, 董春林

(1.南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院,南京 210016;2.北京航空制造工程研究所,北京 100024)

7022鋁合金具有密度小、比強度高、導(dǎo)電與導(dǎo)熱性好等優(yōu)點,在航空、航天、船舶、汽車等工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。為了減輕飛機的結(jié)構(gòu)重量,提高速率和運載能力,7022鋁合金作為飛機結(jié)構(gòu)框架零件的使用材料正日益增加。但是傳統(tǒng)的熔化焊接方法焊接 7022鋁合金時容易形成熱裂紋和氣孔等缺陷,且變形較大,其對焊接過程中的相關(guān)因素比較敏感,造成焊接接頭韌性降低,限制了其在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用[1～3]。

攪拌摩擦焊(FSW)作為一種固相焊接技術(shù),是通過高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭與被焊材料表面間生成的摩擦熱而實現(xiàn)的固相連接。該技術(shù)一經(jīng)問世便得到了來自航空航天、船舶制造、軌道交通、汽車制造等多個行業(yè)的青睞,成為鋁合金最佳的焊接技術(shù)[4～6]。攪拌摩擦焊的焊接溫度一般低于被焊材料的熔點,故其可以避免傳統(tǒng)熔焊時被焊材料由于熔化而產(chǎn)生的氣孔、裂紋和變形等缺陷[7～12]。

飛機結(jié)構(gòu)件經(jīng)常暴露在惡劣天氣、氣流團(tuán)及海洋上空空氣影響,造成飛機結(jié)構(gòu)件與聯(lián)接件之間的摩擦磨損和腐蝕,故對飛機制造用的航空鋁合金進(jìn)行摩擦磨損和耐腐蝕性實驗研究是十分重要的,其關(guān)系到飛機的飛行安全。

本研究采用攪拌摩擦焊焊接了 7022鋁合金,并選用不同的攪拌頭轉(zhuǎn)速和焊接速率,研究其對焊接件的殘余應(yīng)力與變形、摩擦磨損和耐腐蝕等性能的影響,為其實際工程應(yīng)用提供相應(yīng)的理論基礎(chǔ)。

1 實驗方法

實驗選用10mm厚的鋁合金軋制板材 7022,熱處理狀態(tài)為 T6。7022鋁合金的主要化學(xué)成分如表1所示。實驗板坯的尺寸為 300mm×100mm× 10mm。將兩塊板坯進(jìn)行攪拌摩擦焊單道焊縫對接。實驗選用帶螺紋的圓臺形攪拌頭。用中國攪拌摩擦焊中心制造的FSW-2XB-020型懸臂式攪拌摩擦焊機,攪拌頭旋轉(zhuǎn)速率為300～600r/min,焊接速率為30～100mm/m in。焊接前后不需要對材料進(jìn)行任何處理。

表1 7022鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table1 Chem ical composition of 7022 aluminum alloy (mass fraction/%)

1.1 殘余應(yīng)力測試

板材焊接后,進(jìn)行殘余應(yīng)力測試,測量殘余應(yīng)力的X射線衍射儀為日本理學(xué)的MSF-3M應(yīng)力分析儀。為了準(zhǔn)確反映出 7022鋁合金攪拌摩擦后殘余應(yīng)力分布情況,在進(jìn)行測量時去除了各焊接試樣的邊界各點,取中間區(qū)域200mm×135mm的范圍內(nèi)的點。

1.2 摩擦磨損實驗

待殘余應(yīng)力測試結(jié)束,在焊接試樣焊縫中線切割出摩擦磨損試樣,其尺寸為10mm×10mm×5mm。摩擦磨損性能檢測采用中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所生產(chǎn)的 HT-500高溫摩擦磨損實驗機。檢測時方塊形試樣固定,鋼球(直徑為3mm,鋼球本身不自轉(zhuǎn))相對于試樣做圓周滑動。鋼球?qū)υ嚇邮┘雍愣ǖ拇怪眽毫為130g力,讓試樣與圓球發(fā)生滑動摩擦。轉(zhuǎn)動速率為560r/min,轉(zhuǎn)動半徑為2mm,轉(zhuǎn)動時間為6min。實驗過程中,根據(jù)摩擦系數(shù)隨時間變化的最大、最小值,確定平均摩擦系數(shù) μ。

摩擦磨損實驗前必須用無水乙醇超聲清洗試樣表面,再吹干試樣表面。磨損性能的表征方法采用磨損體積法。

1.3 耐腐蝕性實驗

在焊接試樣焊縫中線切割出耐腐蝕性實驗試樣,尺寸為10mm×10mm×5mm,然后將其放入盛有Na2SO4(pH=5)的溶液,放置時間為48 h,最后取出用去離子水沖洗并用無水乙醇拭擦其表面并吹干。利用SEM觀察腐蝕表面的形貌。

圖1 不同轉(zhuǎn)速、相同焊接速率下的焊接殘余應(yīng)力分布Fig.1 The distribution ofwelding residual stress under different rotating speed and the same welding speed (a)300r/min,5mm/min;(b)400r/min,50mm/min;(c)600r/min,50mm/min

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 殘余應(yīng)力場分布

圖1為不同的攪拌頭轉(zhuǎn)速,相同的焊接速率下的各焊接試樣表面的殘余應(yīng)力分布圖。從圖1可以看出,各種參數(shù)下的攪拌摩擦焊焊接殘余應(yīng)力均較小,最大和最小殘余壓應(yīng)力分別為 -97MPa和-0.011MPa;最大殘余拉應(yīng)力為80MPa和9.3MPa。從摩擦磨損性能和耐腐蝕性能考慮,圖 1c焊接參數(shù)最佳,因為其表面均為殘余壓應(yīng)力,這有利于試樣表面的耐磨損和耐腐蝕。但是從圖 1c右圖中還可看到其表面應(yīng)力集中比較多,而且整個表面應(yīng)力分布不均勻,其反過來降低了試樣的耐磨性和耐腐蝕性。圖 1a焊接參數(shù)下所獲得接頭的摩擦磨損性能和耐腐蝕性能最差,兩塊板材對接,其中一塊板材表面中間部位表現(xiàn)為大的拉應(yīng)力,而其余部位為壓應(yīng)力;另一塊板材卻全部表現(xiàn)為壓應(yīng)力,這說明整個焊接表面殘余應(yīng)力分布不均勻,引起的應(yīng)力集中最多,變形最大。從對稱性考慮,圖 1b焊接參數(shù)最好,首先在焊縫兩邊形成鮮明的對稱為36MPa的等值線,其次靠近邊界處也形成了對稱為-150 MPa的等值線。從焊縫向外分別有-40MPa,-78MPa和-120MPa對稱的等值線。而圖 1a和c卻沒有很好的形成這樣的對稱等值線。故圖 1b焊接參數(shù)能很好的抑制焊接變形。

圖2 相同轉(zhuǎn)速、不同焊接速率下的焊接殘余應(yīng)力分布Fig.2 The distribution ofwelding residual stress under the same rotating speed and different welding speed (a)300r/min,50mm/min;(b)400r/min,50mm/m in;(c)600r/m in,50mm/m in

圖 2為相同的攪拌頭轉(zhuǎn)速,不同的焊接速率下的焊接各試樣的表面殘余應(yīng)力分布圖。從圖2中同樣看到攪拌摩擦焊接殘余應(yīng)力較小,分布相對其他的熔化焊接較均勻。從對稱的角度分析,圖 2中各圖殘余應(yīng)力分布都較對稱。其中對稱較好的為圖2a和c。圖2a中,在焊縫中心形成了24MPa的一條等值線,以其為對稱中心向外延伸,分別有對稱的 -2.8MPa,-30MPa,-57MPa和-83MPa的等值線。不足之處是在左下角處形成了應(yīng)力集中。圖2c中,在焊縫中心形成了18MPa的一條等值線,以其為對稱中心向外延伸,分別有對稱的-11MPa,-40MPa, -68MPa,-97MPa,-130MPa和-150MPa的等值線。從摩擦磨損性能和耐腐蝕性能分析圖 2a和 c,圖2c最佳,在焊縫中心其殘余應(yīng)力最小為18MPa。另外圖2c中應(yīng)力等值線分布較圖 2a均勻,且值也較大。這能很好提高材料表面的耐磨損和耐腐蝕性能。綜合分析,在攪拌頭轉(zhuǎn)速為400r/min,焊接速率為30mm/min時,焊接的試樣殘余應(yīng)力分布最均勻,變形最小。圖3為攪拌頭轉(zhuǎn)速為400r/min,焊接速率為30mm/min時焊接的試樣照片。

圖3 焊接試樣照片F(xiàn)ig.3 Photo of welded specimen

2.2 摩擦磨損性能評價

2.2.1 摩擦系數(shù)

圖4是實測的各焊接參數(shù)下的試樣的摩擦系數(shù)曲線圖譜。從圖 4可以看出,在攪拌轉(zhuǎn)速為 400r/ min,焊接速率為30mm/min時,得到了最小的平均摩擦系數(shù)為0.370;在攪拌轉(zhuǎn)速為600r/min,焊接速率為50mm/min時,焊接試樣的平均摩擦系數(shù)最大為0.554。圖4a,c和e下的焊接參數(shù)焊接的試樣的平均摩擦系數(shù)分別為 0.536,0.476和0.531。在相同的焊接速速條件下,即50mm/min,攪拌頭轉(zhuǎn)速為400r/min時,焊接試樣的平均殘余應(yīng)力最小,這從上面的殘余應(yīng)力分析可以清楚的分析出,因為此參數(shù)下的焊接試樣殘余應(yīng)力分布較對稱且表面多為壓應(yīng)力。比較圖4b,c和 d,并結(jié)合表2可以看出,在攪拌頭轉(zhuǎn)速一定的情況下,焊接試樣的平均摩擦系數(shù)隨著焊接速率的增加而增加。這也與殘余應(yīng)力分布有關(guān),在上一節(jié)分析中可以清楚的看到在攪拌頭轉(zhuǎn)速為400r/min,焊接速率為30mm/min時,其殘余應(yīng)力分布既均勻又對稱。

圖4 不同焊接參數(shù)下的摩擦系數(shù)Fig.4 Friction coefficient under differentwelding parameters (a)300r/min,50mm/min;(b)400r/min,30mm/min; (c)400r/min,50mm/min;(d)400r/min,100mm/min; (e)600r/min,50mm/min

2.2.2 磨損表面形貌

圖5為在相同的焊接速率,不同攪拌頭轉(zhuǎn)速條件下焊接試樣摩擦磨損的SEM照片,從照片可以看出,試樣摩擦表面流變層沿摩擦副相對滑動方向形成了薄片狀凸出物。在小球與試樣表面的接觸區(qū)域,薄片凸出物經(jīng)滑動后與接觸的表面分離,并引起表層材料發(fā)生相應(yīng)的塑性流動。同時從圖中還可以看到,在摩擦副接觸點的強度高于摩擦的鋁合金的剪切強度時,破壞將發(fā)生在離接觸面不遠(yuǎn)的軟材料表層內(nèi),因而軟材料轉(zhuǎn)移到較硬材料表面上,轉(zhuǎn)移硬材料上的粘著物又使軟材料表面出現(xiàn)劃痕,因此看到平行的劃痕,這說明在摩擦磨損實驗時,還伴隨著粘著磨損。故上述的磨損形式為塑變磨損和粘著磨損組合。另外從殘余應(yīng)力分布情況分析,可知 5b中磨損程度最輕,磨損的凹槽表面較均勻。

圖5 不同焊接參數(shù)下摩擦磨損SEM照片F(xiàn)ig.5 SEM morphology of wearing surface under different welding parameloy (a)300r/min,50mm/min; (b)400r/m in,50mm/min;(c)600r/min,50mm/min

2.2.3 磨損體積與比磨損率

磨損體積Vw的計算公式為

式中Vw為試樣磨損體積(mm3),h為磨痕深度(mm),b為磨痕寬度(mm),r為磨痕軌道半徑(mm)。

比磨損率定義公式為

式中K為比磨損率(mm3?N-1?m-1),P為法向施加載荷(N),S為滑動距離(m)。

采用MicroXAM Surface Mapping Microscrope三維形貌儀對各摩擦磨損實驗試樣進(jìn)行了形貌觀測,圖6a～e是不同焊接參數(shù)下的試樣摩擦磨損實驗的三維形貌觀測圖,從圖中可見到各試樣的磨痕深度h和磨痕寬度 b;實驗過程中,磨痕軌道半徑 r為2mm,通過公式(1)和(2)可分別算出各試樣的磨損體積Vw和比磨損率K,見表2。從表2可以看到,在攪拌頭轉(zhuǎn)速為400r/min,焊接速率為30mm/min時,焊接試樣的磨損量最少。因此選擇合理的焊接參數(shù),可以改善 7022鋁合金焊接件的摩擦磨損性能。

圖6 不同焊接參數(shù)下各試樣的磨損三維形貌圖Fig.6 The wearing 3D topography of each specimen under different welding parameters (a)300r/min,50mm/min;(b)400r/min,30mm/min; (c)400r/min,50mm/min;(d)400r/min,100mm/min; (e)600r/min,50mm/min

表2 試樣磨損體積與比磨損率Table 2 Wear volume and specific wear rate of specimen

2.3 耐腐蝕性能評價

從圖 7中可以清楚的看到,在攪拌頭轉(zhuǎn)速為400r/min,焊接速率為30mm/min時試樣的耐腐蝕性能最佳。另外從圖中還可以看到試樣表面屬于局部腐蝕,腐蝕不均勻。腐蝕形式還是以點腐蝕為主。腐蝕產(chǎn)物以不規(guī)則形狀零星分布在試樣表面,腐蝕產(chǎn)物密集分布,呈團(tuán)狀、線狀和點狀等。能譜分析表明,表面腐蝕產(chǎn)物含有Al,Zn,Mg,S和O等元素,其主要產(chǎn)物為Al,Zn和Mg的氧化物及硫酸鋁等。

圖7 不同焊接參數(shù)下的腐蝕SEM照片F(xiàn)ig.7 SEM morphology of corrosion surface under differentwelding parameters (a)300r/min,50mm/min;(b)400r/min,30mm/min; (c)400r/min,50mm/m in;(d)400r/min,100mm/min;(e)600r/m in,50mm/min

3 結(jié)論

(1)在攪拌頭轉(zhuǎn)速為 400r/min,焊接速率為30mm/min時焊接的試樣,其殘余應(yīng)力分布、摩擦磨損性能和耐腐蝕性均最佳。

(2)7022鋁合金攪拌摩擦焊接,其表面的殘余應(yīng)力較小,且以壓應(yīng)力分布為主,僅焊縫周圍為拉應(yīng)力,這大大提高了焊接材料的使用性能,降低了焊接變形。

(3)焊接試樣的腐蝕屬于點腐蝕,其腐蝕的產(chǎn)物含有Al,Zn,Mg,S和O等元素,主要產(chǎn)物為Al,Zn和Mg的氧化物及硫酸鋁等。

(4)7022鋁合金攪拌摩擦焊接,其表面的摩擦系數(shù)相對比較穩(wěn)定,磨損形式主要為塑變磨損和磨粒磨損組合,磨損表面比較平整。

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