邵立新，韓建國(guó)

（河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南鄭州450000）

汽車(chē)機(jī)械部件用Al-Zn-Mg-Cu系超高強(qiáng)鋁合金攪拌摩擦焊接接頭的微觀組織和力學(xué)性能

邵立新，韓建國(guó)

（河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南鄭州450000）

Al-Zn-Mg-Cu系超高強(qiáng)鋁合金具有較高的強(qiáng)度和優(yōu)異的綜合力學(xué)性能。對(duì)超高強(qiáng)鋁合金板進(jìn)行了不同工藝參數(shù)的攪拌摩擦焊接，結(jié)果表明：所有接頭的NZ組織均為細(xì)小的等軸晶粒，且晶粒尺寸伴隨焊接速度的升高而減小，伴隨焊頭旋轉(zhuǎn)速度的增加而增加。接頭顯微硬度的最大差值為100 HV，這導(dǎo)致焊接接頭具有嚴(yán)重的嚴(yán)重機(jī)械異質(zhì)性。相比于母材，焊接接頭的拉伸性能明顯下降。

高強(qiáng)鋁合金；攪拌摩擦焊；拉伸性能

0　前言

攪拌摩擦焊接（FSW）是一種固相焊接方法，其焊接接頭組織變化小、殘余應(yīng)力小、尺寸穩(wěn)定，無(wú)需保護(hù)氣體和填充金屬，且可用于鋁合金材料的焊接，如7XXX系列。攪拌摩擦焊接接頭的組織和力學(xué)性能受材料流動(dòng)行為和熱循環(huán)的影響，而這兩者都與焊接參數(shù)有關(guān)，如焊接速度、旋轉(zhuǎn)速度和攪拌頭的幾何形狀等。相關(guān)研究人員對(duì)FSW過(guò)程中的組織演變進(jìn)行了研究，并闡明焊接工藝參數(shù)對(duì)不同鋁合金FSW接頭的顯微組織及力學(xué)性能的影響[1]。對(duì)于不同的鋁合金材料，F(xiàn)SW參數(shù)對(duì)接頭性能的影響也是不同的。

作為重要的輕金屬結(jié)構(gòu)材料，Al-Zn-Mg-Cu系合金在汽車(chē)行業(yè)廣泛使用，這是因?yàn)殂s（Er）的添加使Al-Zn-Mg-Cu鋁合金材料的晶粒大大細(xì)化，使其不僅有較高的強(qiáng)度，而且有良好的塑性和斷裂韌性。目前，關(guān)于焊接參數(shù)對(duì)Al-Zn-Mg-Cu系超高強(qiáng)鋁合金的焊接性和力學(xué)性能的影響還沒(méi)有相關(guān)報(bào)道[2]。因此，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了汽車(chē)用Al-Zn-Mg-Cu系超高強(qiáng)鋁合金的可焊性，并分析了焊接參數(shù)對(duì)FSW接頭的微觀組織和力學(xué)性能的影響。

1　實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)用母材（BM）樣品為6 mm厚的汽車(chē)用Al-Zn-Mg-Cu系超高強(qiáng)鋁合金板，該板采用傳統(tǒng)鑄造技術(shù)鑄成后，依次經(jīng)均勻化處理（400℃/4 h+470℃/30 h）、熱擠壓（擠壓比17.7）、水冷和人工時(shí)效處理（1 200℃/24 h）后加工得到。母材的化學(xué)組成和機(jī)械性能如表1和表2所示。采用FSW設(shè)備（FSW-3LM-003）沿鋁合金板的擠出方向（縱向）進(jìn)行對(duì)接焊接[3]。攪拌頭的軸肩直徑20 mm，探頭為帶有螺紋的錐形攪拌探頭（根部直徑10 mm，頭部直徑6 mm，長(zhǎng)5.75 mm）。相關(guān)FSW參數(shù)如表3所示。

表1　實(shí)驗(yàn)用鋁合金板的名義成分％

表2　實(shí)驗(yàn)用鋁合金板的機(jī)械性能參數(shù)

表3　實(shí)驗(yàn)用鋁合金板的攪拌摩擦焊接參數(shù)

焊接完成后，采用高能X射線技術(shù)非破壞性的檢測(cè)所有FSW接頭。垂直于焊接方向在FSW接頭上進(jìn)行切片，經(jīng)拋光和凱勒溶液（1 mL HF+1.5 mL HCl+2.5mLHNO3+95mLH2O）腐蝕9 s后，作為FSW接頭的宏觀和微觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)試樣，并采用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行檢測(cè)。采用圖像分析軟件（Image J）確定焊核區(qū)（Nugget Zone，NZ）的平均粒徑。接頭試樣經(jīng)機(jī)械拋光后采用SU-8020掃描電子顯微鏡（SEM）進(jìn)行觀察。維氏硬度測(cè)量在焊縫橫截面的中間進(jìn)行，加載條件為300 g，10 s。按照國(guó)標(biāo)GBT228-2002要求制備拉伸試樣[4]，標(biāo)距長(zhǎng)度30 mm，寬度14.5 mm。焊接實(shí)驗(yàn)進(jìn)行兩個(gè)月后，采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)（HT-2402525）進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速度1 mm/min。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1宏觀結(jié)構(gòu)和微觀組織

試樣1（350 r/min、50 mm/min）FSW接頭的光學(xué)宏觀圖如圖1所示。采用非破壞性X射線檢測(cè)發(fā)現(xiàn)接頭組織沒(méi)有空腔、裂紋、槽等宏觀缺陷。所有接頭均包括母材（BM），熱影響區(qū)（HAZ），熱力影響區(qū)（TMAZ）以及焊核區(qū)（NZ）四部分，焊接前進(jìn)側(cè)簡(jiǎn)稱為AS。所有接頭的NZ均為盆狀，未出現(xiàn)洋蔥環(huán)結(jié)構(gòu)。

圖1　FSW接頭的宏觀結(jié)構(gòu)圖

試樣1（350 r/min、50 mm/min）FSW接頭ASTMAZ附近的BM和HAZ的微觀結(jié)構(gòu)如圖2所示。BM的部分晶粒發(fā)生了重結(jié)晶，呈扁平橢球體狀，如圖2a所示。HAZ的顯微組織保持原有的BM晶粒結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖2b）。通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，不同F(xiàn)SW參數(shù)產(chǎn)生的接頭HAZ的顯微結(jié)構(gòu)與此類(lèi)似。

不同F(xiàn)SW參數(shù)條件下接頭NZ中心的顯微組織照片如圖3所示。所有NZ組織均為細(xì)等軸晶粒，這是因?yàn)樵谒苄宰冃魏透吣Σ翢釛l件下發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。旋轉(zhuǎn)速度恒定為350 r/min時(shí)，將焊接速度由50 mm/min提高至150 mm/min，再結(jié)晶晶粒尺寸由5.8 pm降至3.8 pm（見(jiàn)圖3a、圖3c）。焊接速度恒定為100 mm/min時(shí)（見(jiàn)圖3b、圖3d和圖3e），焊頭旋轉(zhuǎn)速度為350 r/min、650 r/min、950 r/min對(duì)應(yīng)的晶粒大小分別為4.9 pm、6.7 pm、7.6 pm，表明伴隨焊頭旋轉(zhuǎn)速度的增加，晶粒尺寸不斷增加。

前進(jìn)側(cè)TMAZ和NZ之間過(guò)渡區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的變化，如圖4所示。旋轉(zhuǎn)速度為350r/min時(shí)，兩區(qū)域間因晶粒尺寸差異產(chǎn)生明顯的邊界。TMAZ的前進(jìn)側(cè)由于沒(méi)有足夠的變形而未發(fā)生再結(jié)晶。旋轉(zhuǎn)速度由350 r/min提高至650 r/min后，部分材料發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶；當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度增加至950 r/min后，由于攪拌嚴(yán)重和熱輸入增加，前進(jìn)側(cè)再結(jié)晶晶粒的比例和尺寸均增大。前進(jìn)側(cè)TMAZ和NZ之間過(guò)渡區(qū)的再結(jié)晶程度逐漸降低。眾所周知，只有變形高于臨界變形時(shí)才可以發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶[5]，TMAZ的晶粒生長(zhǎng)表現(xiàn)出明顯的恢復(fù)特征，這可能是由于溫度和變形不充分所致。

圖2　FSW接頭AS-TMAZ附近的BM和HAZ的微觀結(jié)構(gòu)

圖3　不同F(xiàn)SW參數(shù)條件下接頭NZ中心的顯微組織

不同焊接參數(shù)條件下BM和NZ中產(chǎn)生的第二相粒子分布如圖5所示。通過(guò)EDX觀察到BM中鏈條狀分布的殘留相（10 pm）為四元T相（AlZnMgCu）。如圖5b所示NZ中，在焊接速度為50 mm/min時(shí)，第二相粒子的大小幾乎保持不變，但晶粒變得分散。采用較高放大倍數(shù)在晶粒內(nèi)部及晶界處發(fā)現(xiàn)了微細(xì)的析出物，如圖5c所示，這是由于在焊接熱循環(huán)的冷卻過(guò)程中發(fā)生了再沉淀。焊頭旋轉(zhuǎn)速度從350 r/min提高到950 r/min后，第二相顆粒的尺寸減小，如圖5d、圖5e和圖5f所示。

2.2顯微硬度

不同焊接參數(shù)條件下接頭橫截面中心的顯微硬度分布如圖6所示。由圖6可知，所有硬度曲線幾乎對(duì)稱于焊縫中心。BM硬度范圍為210～220 HV，所有接頭焊接區(qū)域的硬度值均低于BM的硬度。寬度等于攪拌針尺寸（6 mm）的NZ的平均硬度高于TMAZ和HAZ的硬度。TMAZ的硬度值逐漸下降，至TMAZ/HAZ邊界時(shí)降到最低。當(dāng)焊接速度從50 mm/min增加至150 mm/min時(shí)，NZ的平均硬度由156.8 HV增加到181.5 HV，TMAZ和HAZ的寬度減少（見(jiàn)圖6a），且HAZ的最小硬度從103.9 HV增加到133.7 HV。

圖4　前進(jìn)側(cè)TMAZ和NZ之間過(guò)渡區(qū)的微觀結(jié)構(gòu)

圖5　不同焊接參數(shù)條件下BM和NZ中產(chǎn)生的第二相粒子分布

沉淀硬化鋁合金的硬度分布主要取決于沉淀分布，這又與單位長(zhǎng)度焊縫的熱輸入有關(guān)。恒定旋轉(zhuǎn)速度條件下，伴隨焊接速度的增加，熱輸入逐漸減少，使TMAZ和HAZ中析出物粒子的粗化和過(guò)度老化效果減弱。然而，恒定焊接速度為100 mm/min時(shí)，不同旋轉(zhuǎn)速度條件下的接頭平均硬度差別并不大（見(jiàn)圖6b）。這可能是由于兩個(gè)月的室溫時(shí)效處理和旋轉(zhuǎn)速度的增加導(dǎo)致NZ的熱輸入增強(qiáng)，使自然時(shí)效處理的增強(qiáng)效果加強(qiáng)。NZ的硬度得益于細(xì)小的等軸晶和自然時(shí)效產(chǎn)生的加強(qiáng)沉淀物。

此外值得注意的是，HAZ和BM間的最大硬度差高達(dá)100HV（見(jiàn)圖6）。金相觀察也表明，不同F(xiàn)SW參數(shù)的接頭微結(jié)構(gòu)具有較大的梯度變化。

圖6　顯微硬度變化曲線

2.3拉伸性能

FSW接頭的橫向取向的平均拉伸性能如表4所示。相比BM試樣，所有FSW試樣的極限抗拉強(qiáng)度明顯降低。旋轉(zhuǎn)速度恒定為350r/min時(shí)，當(dāng)焊接速度從50 mm/min上升到150 mm/min，極限抗拉強(qiáng)度呈先上升后下降的趨勢(shì)，延伸率從9.4％下降到4.1％。焊接速度恒定為100 mm/min，旋轉(zhuǎn)速度從350 r/min增至950 r/min時(shí)，極限抗拉強(qiáng)度從484 MPa下降到373 MPa，延伸率從5.6％下降到3.5％。所有接頭的最大極限抗拉強(qiáng)度和斷裂延伸率分別為484 MPa和9.4％。

表4　室溫下FSW接頭的平均拉伸性能

2.4斷裂面

BM和FSW接頭的斷裂面組織照片如圖7所示。BM的拉伸斷裂面出現(xiàn)解理臺(tái)階和撕裂邊緣，這是穿晶斷裂的特征。拉伸試樣1（350 r/min，50 mm/min）的宏觀斷口分析表明，斷裂面與拉伸軸夾角45°，有大的韌窩和一些殘留相（如圖7b中所示區(qū)域A），這兩者都是穿晶斷裂特征。相同旋轉(zhuǎn)速度、提高焊接速度的拉伸試樣2（350 r/min，100 mm/min）的斷裂面不僅存在大量的第二相粒子，還出現(xiàn)了大量淺而小的韌窩（見(jiàn)圖7c和圖7d）。同時(shí)提高旋轉(zhuǎn)速度和焊接速度后的試樣4（650 r/min，100 mm/min）的拉伸斷裂形態(tài)與試樣2類(lèi)似。試樣4的宏觀斷裂面出現(xiàn)了人形花樣，這是典型的脆性斷裂特征（見(jiàn)圖7e）。通過(guò)高放大倍率圖像（見(jiàn)圖7f）可知，韌窩和第二相粒子遠(yuǎn)小于上述試樣2接頭。試樣5（950 r/min，100 mm/min）斷口形貌與其類(lèi)似，也是典型的晶間脆性斷裂。通過(guò)能譜分析（見(jiàn)表5）確定第二相粒子為四元T相（AlZnMgCu），這些粒子產(chǎn)生應(yīng)力集中點(diǎn)，并在拉伸試驗(yàn)過(guò)程中成為裂紋源，致使強(qiáng)度和延伸率降低。NZ中的硬而脆的T相可能是大部分FSW接頭斷裂位于或接近NZ前進(jìn)側(cè)的主要原因。兩種典型斷裂特征接頭的斷裂位置如圖8所示，試樣1（350r/min，50mm/min）斷裂位置出現(xiàn)在后退側(cè)TMAZ和HAZ間的過(guò)渡區(qū)，而試樣2（350r/min，100mm/min）的斷裂發(fā)生在NZ前進(jìn)側(cè)附近。

表5　拉伸斷裂面第二相粒子的EDS分析結(jié)果％

3　結(jié)論

針對(duì)汽車(chē)用Al-Zn-Mg-Cu系超高強(qiáng)鋁合金進(jìn)行了不同工藝參數(shù)的攪拌摩擦焊接，并分析焊接條件對(duì)接頭組織和力學(xué)性能的影響：

（1）攪拌摩擦焊接后，所有接頭NZ組織均為細(xì)小的等軸晶粒，且晶粒尺寸伴隨焊接速度的升高而減小，伴隨焊頭旋轉(zhuǎn)速度的增加而增加。

（2）接頭最小硬度出現(xiàn)在TMAZ和HAZ前進(jìn)側(cè)間的過(guò)渡區(qū)。

圖7　BM和FSW接頭的斷裂面組織照片

圖8　兩種典型斷裂特征接頭的斷裂位置

（3）顯微硬度的最大差值為100 HV，這導(dǎo)致焊接接頭具有嚴(yán)重的機(jī)械異質(zhì)性。

（4）相比于母材，焊接接頭的拉伸性能明顯下降。

[1]張施楠.高強(qiáng)鋁合金攪拌摩擦焊焊接機(jī)理及工藝研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2012.

[2]宋東福，王海艷，戚文軍，等.鋁合金攪拌摩擦焊的研究現(xiàn)狀與展望[J].電焊機(jī)，2011，41（3）：50-54.

[3]羅賢道，李文亞，余敏，等.攪拌頭及工藝參數(shù)對(duì)厚板7050鋁合金攪拌摩擦焊成形的影響[J].電焊機(jī)，2011（5）：72-75.

[4]汪洪峰，左敦穩(wěn)，王珉，等.7022鋁合金攪拌摩擦焊焊接區(qū)的組織與力學(xué)性能[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010（11）：12-16.

[5]國(guó)旭明，孟令偉，王敏，等.7B04高強(qiáng)鋁合金攪拌摩擦焊搭接接頭界面成形與力學(xué)性能[J].熱加工工藝，2014（9）：48-51.

Microstructure and mechanical properties of Al-Zn-Mg-Cu super high strength aluminum alloy joints by friction stir welding for automobile mechanical parts

SHAO Lixin，HAN Jianguo
（He’nan Polytechnic，Zhengzhou 450000，China）

Al-Zn-Mg-Cu super-high strength aluminum alloy has high strength and excellent comprehensive mechanical properties. This paper deals with super-high strength aluminum alloy plate of different technological parameters by friction stir welding.The results show that all the joints of the NZ organizations are fine equiaxed grain，and grain size decreases with the increase of welding speed，along with the increase of the cutting tool rotation speed increase.Joint maximum difference in the microhardness is 100 HV，this leads to welded joint with serious mechanical heterogeneity.Compared with the parent metal，the tensile properties of the welded joint is significantly decreased.

high strength aluminum alloy；friction stir welding；tensile properties

TG457.14

A

1001－2303（2016）03－0099-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.03.21

2015－01－31；

2015－03－18

河南省社科基金項(xiàng)目（2014BLJ006）

邵立新（1967—），女，河南鄭州人，副教授，碩士，主要從事機(jī)械工程方面的研究工作。