任香會(huì)，萬里鵬，胡建冬

（洪都航空工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，江西 南昌 330024）

0 前言

攪拌摩擦焊（FSW）是英國焊接研究所（TWI）于1991年發(fā)明的一種固相連接技術(shù)，其原理是在高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭作用下，利用摩擦和劇烈塑性變形產(chǎn)生的熱形成一個(gè)熱塑性變形區(qū)域，塑性金屬隨著攪拌頭的移動(dòng)和攪動(dòng)，在軸肩鍛壓作用下形成致密的焊縫，實(shí)現(xiàn)材料的連接[1-3]。大量研究表明，由于鋁及其合金熔點(diǎn)低，采用攪拌摩擦焊技術(shù)可以獲得良好的接頭性能[4-6]。

隨著鋁合金在工業(yè)中的廣泛使用，對(duì)鋁合金攪拌摩擦焊的研究越來越廣泛和深入，其研究范圍涵蓋了攪拌頭的形狀設(shè)計(jì)和優(yōu)化、不同鋁合金結(jié)構(gòu)件的焊接工藝、鋁合金材料攪拌摩擦焊焊接參數(shù)的優(yōu)化以及攪拌摩擦焊的計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真等方面[7-8]。關(guān)于攪拌摩擦焊異種鋁合金接頭性能與焊接參數(shù)關(guān)系的研究尚未見報(bào)道。在工業(yè)應(yīng)用中，往往涉及到異種鋁合金材料的連接，因此異種鋁合金的FSW工藝的開發(fā)具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

本研究對(duì)1.8 mm厚鋁合金6156-T4和2524-T3進(jìn)行對(duì)接攪拌摩擦焊，研究不同焊接參數(shù)下接頭微觀組織、強(qiáng)度、顯微硬度以及殘余應(yīng)力分布規(guī)律，為改進(jìn)異質(zhì)鋁合金對(duì)接攪拌摩擦焊工藝提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為攪拌摩擦焊技術(shù)的推廣和應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為300 mm×100 mm×1.8 mm的異種鋁合金6156-T4和2524-T3合金軋制薄板，6156-T4在后退側(cè)，2524-T3在前進(jìn)側(cè)。兩種材料的化學(xué)成分如表1所示，板材的拉伸性能如表2所示。焊接設(shè)備主軸傾角2.5°，攪拌頭選用雙圓環(huán)軸肩（直徑D=10mm），攪拌針長(zhǎng) 1.66mm，焊速 50~500 mm/min，轉(zhuǎn)速600~1 400 r/min。

表1 母材鋁合金化學(xué)成分 %

表2 母材鋁合金機(jī)械性能

在接頭橫截面上截取金相試樣，利用Keller試劑進(jìn)行浸蝕，在ZEISS Axiovert 200 MAT金相顯微鏡上觀察試樣的微觀組織；接頭的拉伸性能試驗(yàn)按國標(biāo)GB/T228-2002在Zwick/Roll-Z050拉伸試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試接頭的性能。顯微硬度測(cè)試在HVA-5型顯微硬度計(jì)上進(jìn)行，加載載荷選用100 g，停留時(shí)間15 s。測(cè)試位置是沿橫截面厚度中心方向，硬度測(cè)試間隔為0.5 mm。使用YCY型機(jī)械應(yīng)變儀并按照《CB3395-92殘余應(yīng)力測(cè)量方法-鉆孔應(yīng)變釋放法》對(duì)FSW焊后試件進(jìn)行殘余應(yīng)力檢測(cè)。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 X-ray檢測(cè)及微觀組織分析

采用12組不同的焊接參數(shù)FSW焊接6156-T4和2524-T3異種鋁合金，對(duì)不同參數(shù)的焊縫進(jìn)行X光檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表3所示，可以看出低焊速低轉(zhuǎn)速的焊縫和高轉(zhuǎn)速高焊速的焊接參數(shù)能夠形成致密的焊縫，而其他參數(shù)存在“隧道”缺陷。

表3 X-ray檢測(cè)結(jié)果

攪拌頭轉(zhuǎn)速為1 400 r/min時(shí)，不同焊速下焊縫的宏觀形貌及X光底片如圖1所示，可以看到焊速為50 mm/min時(shí)，焊縫的弧紋光滑，X-ray顯示內(nèi)部存在隧道缺陷；速度提高到200 mm/min后，焊縫表面十分粗糙，隧道缺陷減??；焊速為500mm/min時(shí)，焊縫弧紋清晰，波峰波谷分布均勻，X光檢測(cè)顯示焊縫內(nèi)無缺陷。

圖1 轉(zhuǎn)速為1 400 r/min焊縫形貌和X光無損檢測(cè)照片

圖2為1 400 r/min、500 mm/min參數(shù)下的金相組織圖片。由于腐蝕性能差異較大，經(jīng)Keller試劑浸蝕后，在光學(xué)顯微鏡下呈現(xiàn)不同的狀態(tài)，其中黑色為2524-T3材料，白色為6156-T4材料，在焊核區(qū)可以清晰看見兩種鋁合金的分界面。圖2a、圖2b分別為6156-T4和2524-T3母材組織表現(xiàn)為帶狀板條狀軋制型晶粒結(jié)構(gòu)。經(jīng)過攪拌摩擦焊后接頭宏觀形貌如圖2c所示。受攪拌摩擦作用，母材組織發(fā)生了顯著變化，焊核區(qū)由細(xì)化的等軸細(xì)小晶粒組成，如圖2d所示。

由于在攪拌摩擦焊接過程中存在前進(jìn)側(cè)和后退側(cè)，其中攪拌頭旋轉(zhuǎn)線速度方向與焊接方向一致的一側(cè)為前進(jìn)側(cè)，攪拌旋轉(zhuǎn)線速度方向與焊接方向相反的一側(cè)為后退側(cè)，這兩個(gè)區(qū)域經(jīng)歷的熱力循環(huán)存在顯著差異，因此產(chǎn)生相應(yīng)區(qū)域組織結(jié)構(gòu)不同的現(xiàn)象，從而影響接頭性能。圖2e為后退側(cè)熱影響區(qū)6156-T4晶粒發(fā)生了粗化現(xiàn)象；在前進(jìn)側(cè)的2524-T3熱影響區(qū)內(nèi)，焊核區(qū)組織與母材形成明顯的界面，如圖2f所示。此外，在焊核區(qū)內(nèi)還可以看到兩種鋁合金存在清晰的界面，并沒有成分混合均勻的區(qū)域，如圖2e所示。

圖3為焊速500 mm/min時(shí)，不同轉(zhuǎn)速對(duì)接頭宏觀形貌的影響?？梢钥闯?，隨著轉(zhuǎn)速的增加，焊縫區(qū)隧道缺陷逐漸減小直至消失，焊核區(qū)內(nèi)兩種材料的混合程度也逐漸加深。研究表明，當(dāng)焊速一定時(shí)，轉(zhuǎn)速增加導(dǎo)致焊縫內(nèi)單位長(zhǎng)度的熱輸入量增加，塑化金屬的流動(dòng)更加充分，這有利于得到高質(zhì)量的焊接接頭。

圖2 焊接參數(shù)1 400 r/min、500 mm/min條件下6156-T4和2524-T3接頭不同區(qū)域的微觀組織

圖3 不同轉(zhuǎn)速的6156-T4和2524-T3接頭的微觀組織

2.2 拉伸性能分析

12組焊接參數(shù)條件下6156-T4和2524-T3對(duì)接接頭的拉伸力學(xué)性能如表4所示。由表4可知，在低焊速、低轉(zhuǎn)速或者高轉(zhuǎn)速、高焊速工藝參數(shù)條件下，接頭可形成致密的焊縫接頭且抗拉強(qiáng)度較高，這與X光檢測(cè)結(jié)果一致，即存在隧道缺陷的焊接接頭性能顯著降低。其中，當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 400 r/min時(shí)，焊速由50 mm/min提高到500 mm/min，焊縫中的隧道缺陷逐漸減小至消失，接頭性能也逐漸提高；在焊速為500 mm/min時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的增加（從600 r/min到1 400 r/min），焊核區(qū)兩種材料的混合程度逐漸加劇，抗拉強(qiáng)度由259 MPa逐漸提高到289 MPa，最高可達(dá)到6156-T4母材性能的80%。

表4 不同參數(shù)下6156-T4和2524-T3接頭的拉伸性能

觀察焊縫斷裂位置發(fā)現(xiàn)在1400r/min、500mm/min的工藝參數(shù)條件下，6156-T4和2524-T3兩種鋁合金對(duì)接接頭均斷裂在后退側(cè)。對(duì)于同種鋁合金FSW而言，通常接頭斷裂位置出現(xiàn)在前進(jìn)側(cè)或焊核區(qū)內(nèi)。本研究條件下斷裂在后退側(cè)，其原因在于后退側(cè)為6156-T4材料，其母材強(qiáng)度顯著低于前進(jìn)側(cè)的2524-T3材料，因此后退側(cè)的強(qiáng)度也明顯較低。

2.3 殘余應(yīng)力分析

對(duì)垂直焊縫方向夸接頭進(jìn)行殘余應(yīng)力分布測(cè)量，結(jié)果表明殘余應(yīng)力的峰值出現(xiàn)在軸肩邊緣處，并且上表面應(yīng)力值高于下表面。前進(jìn)側(cè)（2524-T3鋁合金）軸肩邊緣處峰值應(yīng)力低于后退側(cè)（6156-T4鋁合金）軸肩邊緣峰值應(yīng)力，應(yīng)力峰值分別為125 MPa和150MPa，這與斷裂位置在后退側(cè)相吻合。此外，由圖4還可看出，上表面應(yīng)力值高于下表面，這是因?yàn)樯媳砻嫱瑫r(shí)受到攪拌針和軸肩的摩擦和攪拌作用更顯著，導(dǎo)致溫度高、塑性變形更劇烈，因此殘余應(yīng)力較高。而下表面僅受攪拌針端部的攪拌作用，下表面溫度低、塑性變形區(qū)域較小，因此殘余應(yīng)力低于上表面。

圖4 焊接參數(shù)1 400 r/min、500 mm/min條件下6156-T4和2524-T3接頭的殘余應(yīng)力

2.4 顯微硬度分析

三組不同焊接參數(shù)條件下6156-T4和2524-T3兩種鋁合金焊縫橫截面上硬度分布曲線如圖5所示。可以看出，2524-T3側(cè)的硬度高于6156-T4側(cè)，其中參數(shù)為1 400 r/min、500 mm/min的條件下，接頭焊核區(qū)的硬度值最大。在6156-T4側(cè)，母材和熱影響區(qū)對(duì)應(yīng)的硬度分別為110HV和90HV；在2524-T3側(cè)，母材和熱影響區(qū)硬度分別為140 HV和130 HV。

由以上試驗(yàn)結(jié)果可以看出，焊接接頭硬度分布呈不對(duì)稱性，這是因?yàn)楹负藚^(qū)材料是兩種合金的混合體。隨著焊接參數(shù)的不同，兩種材料的混合程度發(fā)生變化，反映在混合區(qū)的硬度值呈現(xiàn)出不均勻性的波動(dòng)[9-10]。顯微硬度值在焊核區(qū)出現(xiàn)明顯的梯度變化，變化位置隨著焊接參數(shù)的改變發(fā)生移動(dòng)，提高轉(zhuǎn)速和焊速，顯微硬度梯度變化位置向左移動(dòng)，這說明2524-T3鋁合金向6156-T4鋁合金一側(cè)流動(dòng)的更充分。

3 結(jié)論

（1）使用攪拌摩擦焊技術(shù)實(shí)現(xiàn)6156-T4和2524-T3兩種鋁合金高質(zhì)量焊接。在低焊速低轉(zhuǎn)速或者高焊速高轉(zhuǎn)速的條件下，接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到6156-T4母材強(qiáng)度的70%~80%；當(dāng)轉(zhuǎn)速1400r/min、焊速500mm/min時(shí)，接頭強(qiáng)度最高達(dá)到289MPa。

圖5 不同參數(shù)條件下接頭硬度分布曲線

（2）殘余拉應(yīng)力分布在焊核區(qū)，遠(yuǎn)離焊核區(qū)為壓應(yīng)力。在接頭上表面存在較大的拉應(yīng)力，下表面表現(xiàn)出的拉應(yīng)力較小，拉應(yīng)力的存在一定程度上降低了接頭的力學(xué)性能。

（3）顯微硬度在焊核區(qū)發(fā)生梯度變化，變化位置隨著焊接參數(shù)的變化發(fā)生移動(dòng)，提高轉(zhuǎn)速和接度，梯度變化位置向左移動(dòng)。

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