徐瑞琦， 王 文， 郝亞鑫， 喬 柯， 李天麒， 王快社

(西安建筑科技大學 冶金工程學院，西安710055)

7A04 鋁合金屬于Al-Zn-Mg-Cu 系鋁合金，是一種超硬鋁合金，具有密度小、比強度高、疲勞性能好、抗腐蝕性能強、易成形等諸多優(yōu)點，已被廣泛應用于航空、航天、船舶、車輛、現(xiàn)代核工業(yè)等領域中。超高強鋁合金傳統(tǒng)焊接方法主要有熔化極氣體保護焊、鎢極惰性氣體保護焊、等離子弧焊、激光焊和電子束焊等。這些傳統(tǒng)的熔化焊接方法容易產(chǎn)生氣孔及裂紋等缺陷，焊接質(zhì)量較低，例如2519 鋁合金熔化極氣體保護焊及激光焊焊接接頭強度僅為母材強度的61% ～74%［1］。

攪拌摩擦焊(friction stir welding，F(xiàn)SW)是英國焊接研究所于1991年發(fā)明的一種新型的固相連接技術［2］，并已在鋁合金，特別是很難用傳統(tǒng)的熔化焊接方法進行焊接的2XXX 和7XXX 系鋁合金中成功應用［3～11］。近年來國內(nèi)外學者對鋁合金FSW 進行了大量研究，結(jié)果表明:與傳統(tǒng)熔化焊接技術相比，F(xiàn)SW 可以顯著提高焊接接頭的強度。但是，由于FSW 過程中產(chǎn)生了大量的摩擦熱和塑性變形熱，使得焊接接頭存在明顯的熱軟化效應，導致焊接接頭的強度低于母材，特別是超高強鋁合金焊接接頭，其最高強度為母材強度的77%。2219-T6 鋁合金的抗拉強度僅為母材強度的73.7%［12］，7050 鋁合金的接頭強度僅為母材強度的77%［13］。為了解決該問題，國內(nèi)外學者嘗試采用冷卻介質(zhì)對焊接過程中的被焊工件進行實時強制冷卻或焊后冷卻，以減弱焊接溫度場對接頭的熱軟化效應，從而改善接頭的組織和性能［14～18］。水作為一種常用的冷卻介質(zhì)，具有較高的比熱容和較強的導熱能力，其強大的冷卻作用可以有效地減少被焊接工件的熱輸入量，減小再結(jié)晶晶粒和析出相長大的驅(qū)動力，進而達到細晶強化和沉淀強化的目的。目前針對常用7A04 超高強鋁合金強制冷卻FSW 技術鮮有報道。因此本工作分別在空氣和水冷條件下對7A04-T6 鋁合金板進行攪拌摩擦焊接，研究強制冷卻對接頭組織性能的影響，為實現(xiàn)7A04 超高強鋁合金高效優(yōu)質(zhì)連接提供參考。

1 實驗材料及方法

選用60.0mm ×60. 0mm ×2. 8mm 的7A04-T6鋁合金板材進行攪拌摩擦焊接，7A04 鋁合金化學成分(質(zhì)量分數(shù)/%)為:Cu 2.0，Mg 2.8，Zn 7.0，Mn 0.6，Cr 0.25，Si 0.5，F(xiàn)e 0.5，Ti 0.1，Al 余量。其室溫力學性能如表1 所示。

表1 7A04-T6 室溫力學性能Table 1 Mechanical properties of 7A04-T6 at room temperature

攪拌摩擦焊接在改造的X5032 型立式升降臺銑床上進行，攪拌頭工具材料為W18Cr4V，軸肩直徑為12mm，攪拌針直徑為3.4mm，長度為2.6mm。攪拌頭旋轉(zhuǎn)速率為950r/min，焊接速率為190mm/min，壓下量為0.2mm。焊接前，先將鋁合金板接頭端面用砂紙打磨，用鋼絲刷將工件待焊接表面刷干凈，并用丙酮擦拭后用壓板固定在冷卻水槽內(nèi)，冷卻循環(huán)水流速為0.15L/s。

金相試樣經(jīng)Keller 試劑腐蝕后在Neophot-21 型光學顯微鏡下進行觀察。采用JSM-6700F 型場發(fā)射掃描電子顯微鏡背散射(BSE)模式觀察析出相形貌。采用401MVD 型數(shù)顯顯微維氏硬度計進行顯微硬度測試，測試位置為沿試樣橫截面焊核區(qū)的厚度中心水平方向，硬度測試間隔為0.5mm。采用JEM-3010 型透射電子顯微鏡(TEM)進行微觀組織觀察。沿垂直于焊縫方向切取拉伸試樣，平行試樣3 件。拉伸測試采用Instron8801 型電液伺服試驗機，測試過程按照ASTM-E8/E8M-08 標準執(zhí)行，拉伸速率為1mm/min。在JSM-6700F 型場發(fā)射掃描電子顯微鏡進行拉伸端口形貌觀察。

2 結(jié)果與分析

2.1 微觀組織

圖1 為7A04-T6 鋁合金水下攪拌摩擦焊接(underwater friction stir welding，UFSW)接頭的橫截面宏觀形貌。由圖可見，UFSW 接頭主要分為焊核區(qū)(NZ)、熱機械影響區(qū)(TMAZ)、母材區(qū)(BM)。由于循環(huán)水的強制冷卻作用，使得FSW 焊接過程中產(chǎn)生的大量摩擦熱和塑性變形熱被對流的循環(huán)水迅速帶走，組織中熱影響區(qū)(HAZ)較空氣中焊接接頭面積分布?。?9］。

圖1 UFSW 接頭橫截面宏觀形貌Fig.1 Cross section macrograph of UFSW joint

圖2a 為7A04-T6 鋁合金母材的顯微組織。可以看出母材為典型的軋制組織，平均晶粒尺寸約為20μm，晶粒沿軋制方向被拉長，部分晶粒破碎，晶粒尺寸不均勻。合金中Zn 和Mg 含量相對較高，是其主要強化元素，人工時效導致晶粒內(nèi)部和晶間沉淀析出細小的平衡相

在FSW 過程中，NZ 的金屬受到攪拌頭摩擦產(chǎn)熱和機械攪拌的熱力耦合作用，發(fā)生了劇烈的塑性變形，產(chǎn)生了細小的等軸狀動態(tài)再結(jié)晶晶粒，平均晶粒尺寸約為2.8μm(圖2b)。在循環(huán)水冷條件下，由于循環(huán)水的強制冷卻作用，使得大量的摩擦熱和塑性變形熱被循環(huán)水迅速帶走，大大降低了金屬再結(jié)晶晶粒的長大驅(qū)動力，抑制了再結(jié)晶晶粒的長大，使得UFSW 焊核區(qū)平均晶粒尺寸細化到0.8μm(圖2c)。

圖2 7A04-T6 微觀組織 (a)母材;(b)FSW 接頭NZ 微觀組織;(c)UFSW 接頭NZ 微觀組織Fig.2 Microstructure of 7A04-T6 (a)base metal;(b)NZ of FSW joint;(c)NZ of UFSW joint

7A04 鋁合金的主要強化機制是沉淀時效強化，合金的強度主要由沉淀相的尺寸及彌散程度決定。FSW 和UFSW 過程中，NZ 的瞬時高溫和劇烈的塑性變形促使沉淀相發(fā)生固溶，并在焊后冷卻過程中從基體中析出。由于循環(huán)水冷的快速冷卻作用抑制了沉淀析出相的聚集長大，UFSW 接頭NZ 析出相尺寸30 ～150nm 明顯小于FSW 接頭析出相尺寸80 ～400nm(圖3a，b)。細小的析出相阻礙了再結(jié)晶晶粒的長大，對細化晶粒也起到重要作用。

圖3 不同焊接介質(zhì)中焊核區(qū)的析出相 (a)空氣;(b)冷卻水Fig.3 Precipitated phases of NZ in different welding media (a)air;(b)cooling water

2.2 力學性能

圖4 為7A04-T6 鋁合金FSW 和UFSW 接頭的顯微硬度。由圖可見，F(xiàn)SW 和UFSW 接頭硬度變化趨勢基本相同，均呈“W”型。與母材相比，F(xiàn)SW 和UFSW 接頭的硬度都明顯降低，這是因為焊接過程中的熱軟化效應破壞了母材T6 峰值時效狀態(tài)，導致接頭中的析出相η-MgZn2產(chǎn)生的沉淀強化作用減弱。兩種介質(zhì)條件下，接頭硬度最小值均出現(xiàn)在后退側(cè)(RS)的HAZ 處，這是由于焊接過程中該處經(jīng)受焊接熱循環(huán)作用，晶粒粗化，且析出相偏聚長大。焊接過程中，NZ 處合金受到大量的摩擦熱，產(chǎn)生了劇烈塑性變形，使得第二相發(fā)生了固溶，在焊后冷卻過程中，NZ 發(fā)生了析出時效效應，使得NZ 硬度有所回升。強制冷卻條件下，循環(huán)水可以迅速帶走焊接產(chǎn)生的熱量，使析出相來不及長大，析出相尺寸明顯小于空氣條件下析出相尺寸，減弱了焊接熱軟化效應，使接頭硬度(139.4HV)明顯高于FSW 接頭硬度(127.5HV)。

圖4 不同焊接介質(zhì)中接頭顯微硬度分布Fig.4 Microhardness distribution of the FSW and UFSW joints

圖5 為7A04-T6 鋁合金FSW 和UFSW 接頭的室溫拉伸性能。由圖可見，UFSW 接頭的抗拉強度為538. 1MPa，達到母材抗拉強度(如表1)的87.6%，明顯高于FSW 接頭的強度系數(shù)80.6%(抗拉強度為494.9MPa)。這是因為循環(huán)水冷作用下，均勻分布的細小析出相，造成基體晶格畸變，阻礙了材料塑性變形時的位錯運動。金屬強化取決于位錯與脫溶相質(zhì)點間的相互作用。當運動位錯遇到脫溶質(zhì)點時，會在質(zhì)點周圍生成位錯環(huán)以通過脫溶質(zhì)點的阻礙。按照Orowan 強化機制［21，22］，位錯繞過脫溶質(zhì)點時所需增加的切應力與質(zhì)點的半徑相關。當體積分數(shù)一定時，強化值與脫溶質(zhì)點半徑成反比，質(zhì)點越小，強化值越大。循環(huán)水冷條件減弱了接頭的熱軟化效應，抑制了析出相的聚集長大，從而改善了接頭的拉伸性能。UFSW 接頭的晶粒尺寸顯著細化，產(chǎn)生細晶強化作用。因此，沉淀強化和細晶強化的共同作用促使UFSW 接頭的強度較FSW 接頭明顯提高。UFSW 接頭拉伸斷裂位置主要位于HAZ 和TMAZ 交界處，該區(qū)域組織梯度較大，析出相尺寸較大，導致接頭塑性較差，成為UFSW 接頭的薄弱區(qū)。

圖5 不同焊接介質(zhì)中接頭的拉伸性能Fig.5 Tensile properties of the FSW and UFSW joints

圖6 為FSW 和UFSW 接頭拉伸真應力-真應變曲線，從圖中可見，F(xiàn)SW 和UFSW 接頭呈現(xiàn)出相似的應力應變行為，其中UFSW 接頭表現(xiàn)出較長的加工硬化過程。圖7a，b 分別為FSW 和UFSW 接頭拉伸加工硬化速率-真應變曲線和加工硬化速率-真應力曲線。從圖中可以看出，F(xiàn)SW 和UFSW 接頭表現(xiàn)出相同的應變硬化階段。在變形初始階段，材料中位錯存儲速率較大，具有較高的加工硬化速率。隨著變形的進行，材料的應變硬化速率持續(xù)下降，當位錯的存儲被動態(tài)回復所抵消且兩者達到平衡時，出現(xiàn)了新的平衡階段，材料的應變硬化速率保持恒定，由于損傷的積累，最終導致在該平衡階段快結(jié)束時，材料發(fā)生失效。與FSW 接頭相比，UFSW 接頭表現(xiàn)出較高的加工硬化程度，這是因為UFSW 接頭具有細小的析出相，提高了可動位錯運動障礙，從而提高了接頭的應變硬化能力，使得接頭在具有優(yōu)良強度的同時，保持了較好的塑性。

圖6 不同焊接介質(zhì)中接頭的真應力-真應變曲線Fig.6 True stress-strain curves of the FSW and UFSW joints

圖7 不同焊接介質(zhì)中接頭的加工硬化速率-真應變曲線(a)和加工硬化速率-真應力曲線(b)Fig.7 The work hardening rate-true strain curves (a)and work hardeningrate-true stress curves (b)of the FSW and UFSW joints

2.3 拉伸斷口形貌

圖8 分別為空氣和強制水冷介質(zhì)中接頭拉伸斷口形貌。斷口呈現(xiàn)出微孔聚合型韌性斷裂特征。斷口內(nèi)具有大量等軸狀韌窩，韌窩內(nèi)部分布有粒狀的析出相，部分析出相顆粒已經(jīng)在應力集中作用下發(fā)生破裂。韌窩的形成與析出相及塑性變形有關，因析出相的強度、彈性模量和塑性等均與母材不同，塑性變形時，滑移沿基體滑移面進行，析出相起到阻礙作用，形成位錯塞積群，進而在兩者交界處造成應力集中，隨著應變量的增大，應力集中加劇，過大的集中應力造成界面分離或析出相本身折斷，形成細小的微孔，這是裂縫的起源點。隨著塑性變形的繼續(xù)，微孔間金屬繼續(xù)變形，材料局部被拉長，微孔鈍化。微孔間的材料以內(nèi)頸縮的方式斷裂，拉伸破壞時，微觀裂紋就在析出相周圍形成，進而擴展斷裂。局部裂紋擴展速率增加，導致材料塑性下降，伸長率降低。

圖8 不同焊接介質(zhì)中接頭拉伸斷口形貌 (a)空氣;(b)冷卻水Fig.8 Tensile fracture surfaces of the FSW and UFSW joints (a)air;(b)cooling water

3 結(jié)論

(1)循環(huán)水冷顯著抑制了再結(jié)晶晶粒和析出相的長大，NZ 平均晶粒尺寸為0.8μm，析出相尺寸為30 ～150nm。

(2)FSW 和UFSW 接頭硬度分布曲線均呈現(xiàn)“W”型。硬度最低值均出現(xiàn)在后退側(cè)的HAZ 處。UFSW 接頭NZ 平均硬度值為139.4HV，明顯高于FSW 接頭NZ 平均硬度值127.5HV。

(3)UFSW 接頭的抗拉強度達到母材抗拉強度的87.6%，比FSW 接頭的抗拉強度提高了43.2MPa。UFSW 接頭具有較高的應變硬化能力，拉伸斷裂位置主要位于HAZ 和TMAZ 交界處，拉伸斷口呈現(xiàn)微孔聚合型韌性斷裂特征。

［1］許良紅，田支凌，彭云，等. 高強鋁合金的激光焊接頭組織及力學性能［J］. 中國激光，2008，35(3):456 －461.(XU L H，TIAN Z L，PENG Y，et al. Microstructure and mechanical properties of high strength aluminum alloy laser welds［J］. Chinese Journal of Lasers，2008，35(3):456 －461.)

［2］THOMAS W M，NEEDLHAM J C，DAWES C J，et al.Friction stir butt welding:UK，PCT/GB92/02203［P］.1995 －10 －05.

［3］夏羅生，陳累玉. 攪拌摩擦焊技術在我國的發(fā)展及應用現(xiàn)狀［J］. 熱加工工藝，2013，42(17):13 －19.(XIA L S，CHEN L Y. Development and application of FSW in China［J］. Hot Working Technology，2013，42(17):13 －19.)

［4］FRANCHIM A S，F(xiàn)ERNANDEZ F F，TRAVESSA D N.Microstructural aspects and mechanical properties of friction stir welded AA2024-T3 aluminium alloy sheet［J］. Materials and Design，2011，32(10):4684 －4688.

［5］LEE W B，YEAN Y M，JUNG S B. The improvement of mechanical properties of friction-stir-welded A356 Al alloy［J］. Materials Science and Engineering (A)，2003，355(25):154 －159.

［6］CHEN Y C，F(xiàn)ENG J C，LIU H J. Precipitate evolution in friction stir welding of 2219-T6 aluminum alloys［J］. Materials Characterization，2009，60(6):476 －481.

［7］付春坤，白鋼，王紅賓，等.7050 鋁合金攪拌摩擦焊接頭組織特征研究［J］. 航空精密制造技術，2012，48(3):49 －51.(FU C K，BAI G，WANG H B，et al. Research on the microstructure feature of joint of 7050 aluminum alloy by friction stir welding［J］. Aviation Precision Manufacturing Technology，2012，48(3):49 －51.)

［8］FULLER C B，MAHONEY M W，CALABRESE M，et al.Evolution of microstructure and mechanical properties in naturally aged 7050 and 7075 Al friction stir welds［J］.Materials Science and Engineering (A)，2010，527(9):2233 －2240.

［9］張成聰，沈小麗，封小松，等. 2195 鋁鋰合金填充式摩擦點焊接頭顯微組織與力學性能［J］. 航空材料學報，2014，34(1):22 －26.(ZHANG C C，SHEN X L，F(xiàn)ENG X S，et al. Microstructure and mechanical properties of refill friction spot welds in 2195Al-Li alloy［J］. Journal of Aeronautical Materials，2014，34(1):22 －26.)

［10］楊新岐，崔雷，徐曉東，等. 鋁合金6061-T6 攪拌摩擦焊搭接焊縫缺陷及疲勞性能［J］. 航空材料學報，2013，33(6):38 －44.(YANG X Q，CUI L，XU X D，et al. Weld defects and fatigue properties of friction stir overlap joints for 6061-T6 aluminum alloy［J］. Journal of Aeronautical Materials，2013，33(6):38 －44.)

［11］張丹丹，曲文卿，莊來杰，等. 鋁鋰合金攪拌摩擦焊搭接接頭組織及力學性能［J］. 航空材料學報，2013，33(2):24 －28.(ZHANG D D，QU W Q，ZHUANG L J，et al. Microstructure and mechanical properties of friction stir welded Al-Li alloy lap joints［J］. Journal of Aeronautical Materials，2013，33(2):24 －28.)

［12］LI J Q，LIU H J. Characteristics of the reverse dual-rotation friction stir welding conducted on 2219-T6 aluminum alloy［J］. Materials and Design，2013，45:148 －154.

［13］姜玉恒，劉金合，周衛(wèi)濤. 7050 鋁合金攪拌摩擦焊接頭微觀組織及力學性能分析［J］. 電焊機，2012，42(7):86 －89.(JIANG Y H，LIU J H，ZHOU W T. Microstructure and mechanical properties analysis of welding joint 7050 aluminum alloy in friction stir welding［J］. Electric Welding Machine，2012，42(7):86 －89.)

［14］BENAVIDES S，LI Y，MURR L E，et al. Low-temperature friction-stir welding of 2024 aluminum［J］. Scripta Materialia，1999，41(8):809 －815.

［15］LIU H J，ZHANG H J，YU L. Effect of welding speed on microstructures and mechanical properties of underwater friction stir welded 2219 aluminum alloy［J］.Materials and Design，2011，32:1548 －1553.

［16］丁凱，吳楠，王文，等.水下攪拌摩擦焊接鋁合金組織與性能研究［J］.熱加工工藝，2012，41(9):157 －159.(DING K，WU N，WANG W，et al. Study on microstructure and properties of aluminum alloy submerged friction stir welding［J］. Hot Working Technology，2012，41(9):157 －159.)

［17］ZHANG H J，LIU H J，YU L. Microstructure and mechanical properties as a function of rotation speed in underwater friction stir welded aluminum alloy joints［J］. Materials and Design，2011，32:4402 －4407.

［18］FRATINI L，BUFFA G，SHIVPURI R. Mechanical and metallurgical effects of in process cooling during friction stir welding of AA7075-T6 butt joints［J］. Acta Materialia，2010，58(6):2056 －2067.

［19］朱偉. 7075 鋁合金攪拌摩擦加工的組織結(jié)構(gòu)及性能表征［D］. 重慶:重慶大學，2010.(ZHU W. Characterization for the mircostructural and property of 7075 aluminum alloys during friction stir processing［D］. Chongqing:Chongqing University，2010.)

［20］ZHANG Z，YU J，WANG Q，et al. Effects of multiple plastic deformations on microstructure and mechanical properties of 7A04-T6［J］. Rare Metal Materials and Engineering，2011，40(Suppl 3):69 －72.

［21］DIERINGA H. Properties of magnesium alloys reinforced with nanoparticles and carbon nanotubes:a review［J］.Journal of Materials Science，2011，46(2):289 －306.

［22］何廣進. 納米SiC 顆粒增強AZ91D 鎂基復合材料的強化機制研究［D］. 北京:清華大學，2012.(HE G J. Study on the strengthening mechanism of n-SiCp/AZ91D composites［D］. Beijing:Tsinghua University，2012.)