（中鋁材料應(yīng)用研究院有限公司中鋁中央研究院材料科學(xué)研究分院，北京102209）

0 前言

5083鋁合金屬于鋁-鎂系（5XXX）合金，為不可熱處理鋁合金，具有強(qiáng)度中等、塑性良好、焊接性能較好、耐應(yīng)力腐蝕性能優(yōu)良等特點(diǎn)，是船舶、汽車、軌道交通等制造行業(yè)理想的結(jié)構(gòu)材料[1]。攪拌摩擦焊是一種固相連接技術(shù)，與傳統(tǒng)熔化焊接方法相比，能夠得到高性能、無缺陷、變形小的焊接接頭，因此廣泛應(yīng)用于鋁、鎂、鈦等輕合金的連接[2]。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)攪拌摩擦焊鋁合金的微觀組織、力學(xué)性能和斷口形貌進(jìn)行了大量研究，尤其是具有優(yōu)良焊接性能的5083鋁合金。TomotakeHirata[3]等人對(duì)3mm厚的5083-O鋁合金進(jìn)行工藝參數(shù)研究，對(duì)比不同轉(zhuǎn)速和焊接速度下的接頭性能，認(rèn)為轉(zhuǎn)速500r/min、焊接速度100 mm/min所對(duì)應(yīng)的攪拌區(qū)域性能最好，各項(xiàng)力學(xué)性能與母材相當(dāng)。古寶康[4]等人采用FSW焊接3 mm厚的5083-O態(tài)鋁合金板材，在攪拌頭轉(zhuǎn)速恒定為800 r/min時(shí)，逐漸提高焊接速度進(jìn)行工藝參數(shù)配置，當(dāng)焊接速度為60 mm/min時(shí)，接頭抗拉強(qiáng)度316 MPa，斷后伸長率21.2%，斷口存在細(xì)小的韌窩和解理平面，為韌性和脆性混合型斷裂；Lombard[5]等人對(duì)6 mm厚5083-H111鋁合金板材進(jìn)行FSW工藝試驗(yàn)，得出攪拌頭傾角為2.5°、轉(zhuǎn)速266 r/min、焊接速度85 mm/min時(shí)，接頭無缺陷，力學(xué)性能最優(yōu)，并指出轉(zhuǎn)速是保證焊接質(zhì)量的關(guān)鍵因素。綜上，已報(bào)道的文獻(xiàn)主要集中在10 mm以下厚度的5083鋁合金板材的研究，而對(duì)較厚5083鋁合金板材研究較少。

本研究以12 mm厚的5083鋁合金板材為對(duì)象，進(jìn)行對(duì)接接頭形式的攪拌摩擦焊試驗(yàn)。在同一轉(zhuǎn)速、不同焊接速度條件下，對(duì)比研究焊接速度對(duì)5083厚板接頭的微觀組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)?zāi)覆臑?2 mm厚的5083鋁合金板材，試樣尺寸300 mm×100 mm，化學(xué)成分如表1所示。

表1 5083鋁合金化學(xué)成分 %

采用北京世佳博公司制造的FSW-LM2217-2D-10T型攪拌摩擦焊接設(shè)備，錐形攪拌頭，攪拌針長度11.8 mm，下壓量0.3 mm，傾斜角2.5°。板材對(duì)接放置。焊接工藝參數(shù)：焊接轉(zhuǎn)速恒定為600 r/min，焊接速度為100 mm/min和300 mm/min。由于厚板焊接時(shí)焊接工藝參數(shù)可調(diào)節(jié)范圍較窄，在此采用轉(zhuǎn)速不變且在一定范圍內(nèi)改變焊接速度的方式進(jìn)行研究，焊接速度過大或過小均不在本次試驗(yàn)出現(xiàn)。

金相試樣取自焊縫截面，用陽極覆膜法制備試樣（38 ml H2SO4+43 mlH2PO3+19 ml H2O混合液），采用Axio Scope.A1光學(xué)顯微鏡觀察試樣組織。利用Fischer HM 2000型顯微硬度儀沿焊縫界面分上、下兩層測(cè)量硬度。在室溫條件下按照GB/T 228.1-2010標(biāo)準(zhǔn)在AG-X Plus-10 KN拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，用SEM觀察拉伸后斷口微觀形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 接頭宏觀與微觀形貌

焊接接頭截面宏觀形貌如圖1所示，焊后接頭形成了軸肩影響區(qū)（SAZ）、焊核區(qū)（NZ）、熱機(jī)影響區(qū)（TMAZ）和熱影響區(qū)（HAZ）4個(gè)不同的區(qū)域，焊縫區(qū)域上寬下窄，呈“盆”狀。

圖1 焊縫宏觀形貌

在轉(zhuǎn)速一定的情況下，焊接速度為300 mm/min的焊核區(qū)（NZ）和軸肩影響區(qū)（SAZ）區(qū)域小于焊接速度為100 mm/min的焊核區(qū)和軸肩影響區(qū)，這是因?yàn)楹附铀俣茸兓鹆撕缚p金屬熱輸入和受力情況變化。FSW線能量q的表達(dá)式為[6]

式中 A為常數(shù)；n為攪拌頭轉(zhuǎn)速；v為攪拌頭焊接速度。

由式（1）可知，在轉(zhuǎn)速不變的情況下，在一定范圍內(nèi)增大焊接速度會(huì)減小線能量q，降低塑性金屬流動(dòng)性；同時(shí)在焊縫的單位長度攪拌針參與攪拌和混合時(shí)間減少，加之軸肩在下壓過程中與工件上表面單位長度接觸時(shí)間也縮短，使得焊縫金屬產(chǎn)熱和受力在一定程度上減少，導(dǎo)致軸肩區(qū)和焊核區(qū)面積減小。

不同焊接速度的5083FSW鋁合金接頭截面微觀形貌如圖2所示，焊縫中心形成一系列同心圓環(huán)狀結(jié)構(gòu)，稱為“洋蔥環(huán)”[7]。

對(duì)比兩種焊接速度形成的洋蔥環(huán)后發(fā)現(xiàn)，焊接速度提高，洋蔥環(huán)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)不同形貌，圓環(huán)的間距有所增大。影響洋蔥環(huán)間距的表達(dá)式為[8]

式中 kd為間距因子；f為軸肩與材料表面之間的摩擦系數(shù)；n為攪拌頭的轉(zhuǎn)速；v為攪拌頭焊接速度。洋蔥環(huán)的間距只與焊接轉(zhuǎn)速和焊速有關(guān)，轉(zhuǎn)速一定的條件下，焊速提高，洋蔥環(huán)間距增大。其原理是：于焊縫熱輸入量影響著流動(dòng)金屬的量以及流動(dòng)性，固定轉(zhuǎn)速，提高焊接速度，熱輸入量和攪拌程度均下降，攪拌頭每旋轉(zhuǎn)一周前進(jìn)的距離變大，導(dǎo)致洋蔥環(huán)間距增大。

兩種焊速下前進(jìn)側(cè)和后退側(cè)微觀形貌如圖3所示?？梢钥闯?，兩種焊速下的晶粒大小分布、焊核區(qū)和熱機(jī)影響區(qū)以及分界線的分布規(guī)律一致。焊核區(qū)直接受到攪拌針的摩擦和攪拌作用，在劇烈塑性變形和高溫的共同作用下晶粒分布細(xì)小且均勻；熱力影響區(qū)受到溫度升高和攪拌頭的扭轉(zhuǎn)摩擦等多重作用，晶粒明顯拉長變形；熱影響區(qū)僅受到熱循環(huán)作用，晶粒未發(fā)生變形；前進(jìn)側(cè)熱力影響區(qū)與焊核區(qū)界線比后退側(cè)界線更明顯，這是由于前進(jìn)側(cè)金屬流動(dòng)方向與母材的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向相反，而后退側(cè)運(yùn)動(dòng)方向相同且溫度略高，金屬流動(dòng)性更佳，故后退側(cè)界線相對(duì)模糊。

圖2 不同焊接速度的5083FSW鋁合金接頭截面洋蔥環(huán)微觀形貌

圖3 不同焊接速度的5083FSW鋁合金接頭截面焊核區(qū)微觀形貌

當(dāng)轉(zhuǎn)速一定，兩種焊速下5083FSW鋁合金顯微組織分布規(guī)律相同，但在焊接速度為300 mm/min的試樣后退側(cè)根部發(fā)現(xiàn)了未焊合缺陷[9]——1條500μm長的裂紋狀細(xì)線貫穿焊縫底部，指向后退側(cè)焊核區(qū)及熱影響區(qū)，如圖4所示。這是因?yàn)楹附铀俣容^快，攪拌摩擦熱輸入不足，塑化的材料流動(dòng)不充分，造成攪拌針前端板材間隙沒有被焊合。這種焊接缺陷對(duì)焊接接頭的力學(xué)性能影響很大，不僅降低了接頭抗拉強(qiáng)度，而且使斷裂位置發(fā)生改變。

圖4 焊速300 mm/min的后退側(cè)根部未焊合缺陷

2.2 接頭力學(xué)性能

拉伸試驗(yàn)測(cè)試5083FSW鋁合金接頭抗拉強(qiáng)度和延伸率，母材與焊縫力學(xué)性能對(duì)比如表1所示。當(dāng)焊速為100 mm/min時(shí)，抗拉強(qiáng)度高達(dá)308 MPa，為母材強(qiáng)度的97.1%，基本與母材相當(dāng)，斷后延伸率略微下降。當(dāng)焊接速度為300 mm/min時(shí)，抗拉強(qiáng)度僅為178 MPa，為母材的56.2%，斷后延伸率也大大下降，焊接接頭力學(xué)性能惡化。

表1 不同焊速下焊接接頭力學(xué)性能與母材對(duì)比

當(dāng)轉(zhuǎn)速一定，兩種焊速下5083FSW鋁合金焊縫截面顯微硬度分布曲線如圖5所示。由圖5可知，沿焊縫截面硬度分布近似呈W形分布，即兩側(cè)母材硬度高，熱影響區(qū)和熱力影響區(qū)硬度值降低，到焊縫中心位置焊核處硬度值又升高。其原因?yàn)楹负藚^(qū)的金屬發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，晶粒細(xì)小均勻，細(xì)晶強(qiáng)化效果明顯，抵抗塑性變形能力增強(qiáng)，因此硬度值高于焊縫其他區(qū)域。整體來看，兩種焊速的上部和下部對(duì)應(yīng)的焊縫硬度的最低點(diǎn)都位于前進(jìn)側(cè)。由此可見，焊縫區(qū)域出現(xiàn)了較大程度的軟化現(xiàn)象[10]。

由圖5還可知，兩種焊接速度下的焊縫區(qū)域，上部硬度值普遍低于下部硬度值，這是因?yàn)樯喜恐饕艿捷S肩下壓和攪拌針摩擦的雙重作用，產(chǎn)生較大熱量且冷卻時(shí)間長，熱影響區(qū)和熱力影響區(qū)的晶粒受到高溫作用出現(xiàn)了過時(shí)效，導(dǎo)致晶粒長大[11]，故相對(duì)焊縫下半部分硬度值下降。

圖5 不同焊速的焊縫區(qū)硬度分布

2.3 斷口分析

兩種焊速的斷裂位置示意如圖6所示。焊速為100 mm/min的試樣斷裂位置發(fā)生在熱影響區(qū)，而焊速為300 mm/min的試樣斷裂位置發(fā)生在焊核區(qū)域，這是因?yàn)楹负藚^(qū)微觀組織晶粒細(xì)小均勻，強(qiáng)度高于母材，而熱影響區(qū)晶粒為典型的受熱長大組織，區(qū)域材料性能弱化，斷口通常出現(xiàn)在該區(qū)域。但當(dāng)焊接速度為300 mm/min時(shí)，焊縫根部出現(xiàn)了未焊合，導(dǎo)致接頭力學(xué)性能急劇下降，故斷裂位置發(fā)生在焊核中心。

兩種焊速的焊接接頭斷口微觀組織如圖7所示。當(dāng)焊速為100 mm/min時(shí)，接頭斷口呈韌性斷裂，韌窩直徑較大，數(shù)量較多，接頭獲得較高的韌性，這與力學(xué)性能中斷后延伸率值較高相吻合。當(dāng)焊速為300 mm/min時(shí)，斷口處韌窩較淺且部分被拉長，存在少量準(zhǔn)解理面，接頭斷口為韌-脆混合斷裂[12]，塑韌性較差。

圖6 接頭斷裂位置

圖7 焊接接頭斷口微觀組織

3 結(jié)論

（1）對(duì)于12 mm厚板5083鋁合金FSW焊接接頭，當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時(shí)（600r/min），焊速100mm/min的輸入線能量高于焊速300 mm/min的，軸肩熱影響區(qū)和焊核區(qū)分布面積大，且洋蔥環(huán)間距較小，排布更緊湊。

（2）當(dāng)焊速為300 mm/min時(shí)，在焊接接頭的焊核區(qū)底部發(fā)現(xiàn)未焊合缺陷，對(duì)斷裂位置和抗拉強(qiáng)度有直接影響，力學(xué)性能急劇降低；而焊速為100mm/min時(shí)，獲得的焊接接頭的力學(xué)性能較好，達(dá)到母材的97.1%，斷后延伸率與母材相當(dāng)；兩種焊速的硬度分布大致呈“W”分布，焊縫上部硬度值普遍低于下部硬度值，硬度最低點(diǎn)位于前進(jìn)側(cè)熱影響區(qū)。

（3）焊速100 mm/min的焊接接頭斷裂機(jī)制為韌性斷裂，塑韌性較好；焊速300 mm/min焊接接頭斷裂機(jī)制為韌-脆性混合斷裂，塑韌性較差。由此可見，在進(jìn)行厚板鋁合金攪拌摩擦焊時(shí)，當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時(shí)需匹配合適的焊速，才能獲得高質(zhì)量的焊接接頭。