羅傳紅，彭衛(wèi)平，郭立杰，董豐波

(1武漢大學動力與機械學院，武漢 430072;2.上海航天設備制造總廠，上海 200245)

攪拌摩擦焊(friction stir welding，簡稱FSW)主要針對熔點較低、熔焊焊接性差的鋁合金焊接。高強鋁合金具有密度低、比強高等優(yōu)點，多用在車輛工程及航空航天工業(yè)中，因此針對高強鋁合金的攪拌摩擦焊［1］的研究很詳盡。賀地求［2］、王春炎［3］、徐忠峰［4］等以及張聃［5］、吳鴻燕［6］等分別對2219－T87鋁合金和2219－T6鋁合金的攪拌摩擦焊進行了分析。研究結(jié)果表明:基材中起強化作用的θ相(Al2Cu)顆粒對焊縫強度起削弱作用。賀永海［7］等對2219－O鋁合金的攪拌摩擦焊進行研究后，認為焊接后再固溶時效處理可有效消除接頭軟化區(qū)，提高接頭強度。

國內(nèi)外的研究結(jié)果及工程實踐表明:焊縫強度一般為母材強度的50%～80%。絕大部分研究認為:接頭弱化的原因在于強化相析出和聚集長大導致了接頭整體性能下降。本文從焊核形成機理、材料塑性損傷的角度對鋁合金的攪拌摩擦焊接頭弱化的原因進行分析，認為接頭中存在一個弱連接區(qū)域。該區(qū)域材料塑性儲備的傷失、界面的突變、缺陷的產(chǎn)生也是導致接頭性能下降的主要原因之一。該研究將為高強鋁合金的攪拌摩擦焊研究提供有益參考。

1 實驗材料與方法

焊接實驗用材料為2219－T6(固溶+時效)鋁合金板，焊件尺寸規(guī)格為300×200×6(mm)。攪拌摩擦焊機采用螺紋三棱型攪拌頭，攪拌針直徑為6 mm，軸肩直徑為20 mm，轉(zhuǎn)速為1000～1500 r/min，焊速為 100 ～200 mm/min，焊接方式為單道對接焊。在拼焊板上沿焊縫橫向分別取樣，用混合酸(1.0%HF+1.5%HCL+2.5%HNO3+95.0%H2O)對試樣進行腐蝕，在OLYMPUS光學顯微鏡下觀察微觀組織;在CSS44100電子萬能試驗機上進行拉伸和彎曲試驗。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 焊核形貌及特點

焊核分為3個區(qū)域:水平環(huán)流區(qū)(A區(qū))、洋蔥環(huán)流區(qū)(C區(qū))、紊流區(qū)(B區(qū))，如圖1所示。焊核形成與塑化金屬的流動有關，在攪拌摩擦焊中塑性金屬的流動較復雜，主要是螺旋運動和渦流2種流動形態(tài)，如圖2所示。上層金屬的流動主要源于軸肩的表面摩擦轉(zhuǎn)矩，發(fā)生水平環(huán)向流動。該區(qū)上表面寬度接近軸肩寬度，表面以下逐漸減小，在橫截面上形成碗狀結(jié)構，即A區(qū)。下層塑化金屬流動主要源于指棒的摩擦轉(zhuǎn)矩，指棒的螺紋帶動金屬做向下的螺旋運動，從上至下形成劇烈的遷移。在塑化金屬入口形成一個瞬時空腔，周圍塑化金屬將被吸向此空腔，形成抽吸效應;當軸向運動到底部，由于剛性底板的拘束，塑化金屬將改變流向并擠壓周邊金屬，形成擠壓效應;攪拌針端部金屬脫離攪拌針朝周圍呈輻射狀擠壓。在上部抽吸和下部擠壓的雙重作用下，塑化金屬在橫截面上封閉空間內(nèi)做垂直環(huán)向運動(渦流)，因此指棒部位的焊核形成洋蔥環(huán)狀結(jié)構，即C區(qū)。

圖1 2219－T6鋁合金FSW接頭橫截面宏觀形貌

圖2 FSW塑化金屬流動模型

在焊核的前進側(cè)(AS)和后退側(cè)(RS)(旋轉(zhuǎn)方向與直線運動方向相同的一邊稱為前進側(cè)，另一邊稱為后退側(cè))，抽吸和擠壓作用是不相同的。由于指棒的后部存在空隙，前進側(cè)向后退側(cè)轉(zhuǎn)移金屬的能力高于后退側(cè)向前進側(cè)的轉(zhuǎn)移能力，導致后退側(cè)的內(nèi)壓力高于前進側(cè)。內(nèi)壓力可以促進抽吸作用同時削弱擠壓作用。結(jié)果是:C區(qū)尺寸在后退側(cè)減小，在前進側(cè)增大，同時被擠壓轉(zhuǎn)移的過量金屬堆積導致了前進側(cè)B區(qū)的產(chǎn)生;A區(qū)尺寸在后退側(cè)增大，在前進側(cè)減小。焊核總體形貌呈現(xiàn)前進側(cè)和后退側(cè)不對稱的結(jié)構。

2.2 各區(qū)組織及性能分析

焊縫分為3個組織性能區(qū):焊核區(qū) (NZ)、熱機影響區(qū)(TMAZ)、熱影響區(qū)(HAZ)。各區(qū)組織形貌如圖3所示。母材為板條組織。熱影響區(qū)是沒有受到攪拌頭機械攪拌作用的區(qū)域，該區(qū)內(nèi)基材的原始組織發(fā)生粗化。熱機影響區(qū)在焊接過程中受到了攪拌頭的擠壓和焊接熱循環(huán)的雙重作用，在接近焊核區(qū)的小部分區(qū)域發(fā)生了局部破碎和粘附長大現(xiàn)象，而其他部分的組織發(fā)生了較大程度的彎曲變形。

圖3 焊態(tài)2219－T6鋁合金接頭各區(qū)域微觀組織

焊核是細晶區(qū)，由于受到攪拌棒強烈的機械攪拌作用，晶粒來不及長大就在攪拌的作用下發(fā)生破碎，形成細小的等軸晶組織。焊核本應是接頭中性能最好的區(qū)域，但焊核中存在薄弱的連接區(qū)域，主要表現(xiàn)為如下幾個方面:

1)塑性損傷。軸肩產(chǎn)熱遠大于攪拌針產(chǎn)熱，焊縫橫截面沿板厚度方向形成了上寬下窄和上高下低的溫度分布。在A區(qū)，晶粒被打碎的細晶經(jīng)過了高溫再結(jié)晶的過程，具有致密的組織結(jié)構和牢固的結(jié)合強度，如圖4(a)所示。在C區(qū)，產(chǎn)熱少底板散熱快，溫度較低，被打碎或轉(zhuǎn)移來的細小晶粒只發(fā)生了部分再結(jié)晶甚至未發(fā)生再結(jié)晶。B區(qū)的部分金屬是從C區(qū)的底部金屬擠壓而來，B區(qū)和C區(qū)具有相似的組織，如圖4(b)所示。該區(qū)主要是細小晶粒間的混合狀態(tài)，晶界不清晰，晶界大多是非冶金結(jié)合，因此結(jié)合不牢固，晶粒受到塑性變形的影響，內(nèi)部積蓄了位錯。由于沒有再結(jié)晶過程以消除位錯，晶粒失去了金屬光澤，故在金相觀察時視場較暗。在A區(qū)和B區(qū)交界處，雖然兩區(qū)同是細晶區(qū)，但A區(qū)明顯發(fā)生了再結(jié)晶，晶界清晰，B區(qū)多數(shù)為混組織狀態(tài)，如圖4(c)所示。

2)界面突變。前進側(cè)的組織形貌比后退側(cè)具有更明顯的方向性，表現(xiàn)為焊核和熱機影響區(qū)有明顯的界面，而后退側(cè)界面模糊。圖5是前進側(cè)各部位的焊核與熱機影響區(qū)的界面。圖5(a)是B與TMAZ區(qū)的界面，一邊是焊核的細小晶粒，另一邊為熱機影響區(qū)內(nèi)變形的板條組織，界面兩側(cè)晶粒取向也有顯著差異。由于剛性擠壓的作用，變形的板條組織由原來的水平軋制方向變?yōu)榇怪狈较?，界面上局部出現(xiàn)了剛性擠壓變形所產(chǎn)生的微裂紋。圖5(b)為A、B及TMAZ三區(qū)交界，上部軸肩擠壓與下部洋蔥環(huán)環(huán)向擠壓，加上抽吸作用，條狀組織深入到焊核區(qū)，出現(xiàn)組織結(jié)構上的拐點。圖5(c)為下部C與TMAZ區(qū)界面，環(huán)向擠壓與板條軋制方向一致，TMAZ區(qū)寬度很小。

圖5 FSW接頭各區(qū)界面(×50)

3)缺陷。在軸肩擠壓、真空吸引、螺旋及渦流帶動等多重作用下，指棒移動形成的空隙得以填充。A區(qū)和C區(qū)攪拌劇烈，金屬流動速度較大，不易產(chǎn)生疏松或空洞等缺陷;而B區(qū)處在洋蔥環(huán)最外邊區(qū)域，作用力變?nèi)?，流動性最差，雖然B區(qū)金屬也參與了A和C區(qū)的熱質(zhì)交換，但相對于A和C區(qū)的劇烈運動，流動速度相對緩慢，容易形成了疏松或空洞，如圖6(a)、(b)所示。連續(xù)的疏松或空洞形成了攪拌摩擦焊的隧道型缺陷。同時，B區(qū)塑性差，硬質(zhì)的θ相在金屬塑性流變時留下孔洞，如圖6(c)所示。

圖6 FSW焊核區(qū)缺陷

2.3 接頭力學性能分析

表1為2219－T6鋁合金攪拌摩擦焊接頭的力學性能實驗結(jié)果。無缺陷試樣平均抗拉強度為308 MPa，達到母材強度427 MPa的75%左右，延伸率約為7%，占母材的60%左右，試樣斷裂位置多在前進側(cè)，如圖7(a)所示。表2為2219鋁合金焊接接頭試樣的彎曲實驗結(jié)果。彎心直徑Φ 30 mm。正彎試樣88%被評定為完好，12%為裂縫;而背彎出現(xiàn)50%為斷裂，裂紋位置也在前進側(cè);正彎性能優(yōu)于背彎，如圖7(b)所示。

表1 2219母材及焊接接頭拉伸性能

表2 2219焊接接頭彎曲性能

攪拌摩擦焊是固態(tài)塑性連接方法，焊核受到攪拌破碎作用，塑性損傷問題不可避免，是攪拌摩擦焊接頭強度弱化的主要原因之一。前進側(cè)是攪拌摩擦焊接頭中連接性能最薄弱的區(qū)域，不僅受到強化相析出和聚集長大的影響，而且因后退側(cè)的強化相析出和聚集長大更嚴重［1，2，4］。B 區(qū)存在共混組織、疏松、空洞、孔洞等缺陷，低于接頭強度，界面兩側(cè)的晶粒取向發(fā)生突變，裂紋沿界面擴展消耗較少的能量，擴展更容易進行，降低了接頭的力學性能。因此，焊態(tài)試樣斷裂部位多在前進側(cè)，這也是背彎性能較差的主要原因。B區(qū)的產(chǎn)生在熱輸入較低的焊縫中尤為明顯，嚴重的塑性損傷會導致攪拌摩擦焊接頭出現(xiàn)“吻接”現(xiàn)象，即在超聲波等無損探傷檢測沒有明顯缺陷的情況下，接頭在低應力作用下斷裂。

圖7 FSW接頭力學試樣

3 結(jié)論

1)采用攪拌摩擦焊方法對2219－T6鋁合金進行焊接，接頭強度約為母材強度的75%，背彎性能較差，斷裂位置在焊縫前進側(cè)。

2)2219－T6高強鋁合金的攪拌摩擦焊接頭的焊核分為水平環(huán)流區(qū)、洋蔥環(huán)流區(qū)、紊流區(qū)。紊流區(qū)是抽吸擠壓作用不平衡的結(jié)果，在焊縫的前進側(cè)容易產(chǎn)生，在后退側(cè)被抑制，焊核總體呈現(xiàn)出前進側(cè)與后退側(cè)不對稱的結(jié)構。

3)前進側(cè)紊流區(qū)是接頭中最薄弱的連接區(qū)。該區(qū)的塑性損傷、界面突變、疏松、孔洞缺陷導致了接頭強度下降，背彎性能較差，是攪拌摩擦焊接頭性能弱化的主要原因之一。

［1］姜瀾，魏緒鈞，姚廣春，等.鋁合金攪拌摩擦焊研究現(xiàn)狀及應用［J］.材料導報，2003(6):70－72.

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