（上海航天設備制造總廠有限公司，上海200245）

0 前言

7055鋁合金是以Al-Zn-Mg-Cu合金元素為主的超高強可熱處理強化鋁合金，由于合金中Zn含量較高，熱開裂敏感性大，一般采用噴射成形工藝進行制備。因此，該材料具有比強度高、密度小等優(yōu)點，是目前綜合性能最好的高強鋁合金，廣泛應用于國外主流飛機的承力結(jié)構(gòu)件中[1-3]。

攪拌摩擦焊（FSW）是一種固相連接技術(shù)，具有接頭性能優(yōu)良、變形小等優(yōu)點，能有效避免焊接裂紋、氣孔等熔焊缺陷，是鋁合金焊接的理想解決方案，目前廣泛應用于航空、航天、軌道列車以及汽車等工業(yè)領域[4-6]。本研究對12 mm厚7055鋁合金板材進行雙面對接FSW試驗，并對焊縫的組織和力學性能進行了測試分析，為其應用于國產(chǎn)大飛機、空間站等提供參考。

1 試驗材料和方法

試驗用7055鋁合金的板材厚度為12 mm，尺寸為110 mm×110 mm，熱處理狀態(tài)為T6態(tài)，即固溶強化+人工時效，化學成分如表1所示。采用自主研制的龍門式攪拌摩擦焊設備（FSW-LM2-1012）進行雙面對接焊接試驗。試驗采用圓錐帶螺紋攪拌針+內(nèi)凹錐面軸肩結(jié)構(gòu)攪拌工具（見圖1），焊接試驗方案如表2所示。試驗結(jié)束后，沿焊縫橫向分別截取拉伸試樣和金相試樣，拉伸試樣尺寸如圖2所示。對拉伸試樣斷口進行掃描電鏡分析。沿焊縫橫截面橫向和縱向進行顯微硬度測試見圖3，測試力值為1.96 N。

表1 7055-T6鋁合金化學成分%

表2 焊接試驗方案

圖1 8 mm攪拌工具

圖2 拉伸試樣尺寸

圖3 顯微硬度測試示意

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 接頭組織

腐蝕后接頭宏觀形貌如圖4所示。攪拌摩擦焊接頭一般分為母材（BMZ）、熱影響區(qū)（HAZ）、熱機影響區(qū)（TMAZ）及焊核區(qū)（WNZ）。圖4a為前進側(cè)位于同一側(cè)時的接頭宏觀形貌，圖4b為前進側(cè)位于兩側(cè)時的接頭宏觀形貌?？梢钥闯?，焊縫組織左右不對稱，在攪拌摩擦焊過程中，攪拌針位于前進側(cè)（AS）時會形成一個瞬時空腔，后退側(cè)（RS）金屬受擠壓后填充空腔。在焊縫的前進側(cè)，攪拌針主要為熱剪切作用，且該處材料在攪拌頭旋轉(zhuǎn)力和前進力的雙重作用下，相對于母材發(fā)生的相對變形差較大，因此，母材和焊縫前進側(cè)之間分界線較明顯；而位于后退側(cè)的焊縫，不僅受到攪拌頭的擠壓、摩擦作用，還受到旋轉(zhuǎn)面前方金屬的擠壓作用，相對變形較小，熱塑金屬過渡較為均勻，因此，母材與焊縫后退側(cè)的分界線比較模糊。

由圖4還可以看出，由于母材采用噴射成形工藝制備，晶粒非常細小、均勻，不同于一般軋制板材中常見的分層現(xiàn)象以及呈明，接頭宏觀形貌中未見明顯的塑性流動痕跡。

母材區(qū)組織形貌如圖5a所示。由于7055鋁合金采用噴射成形工藝制備，液態(tài)金屬被高壓氣體擊碎成很小的液滴，再快速通過霧化氣體冷卻后撞擊到坯體上形成坯料。因此，母材組織呈現(xiàn)為等軸狀細小晶粒，晶粒尺寸約15 μm。圖5b為焊核區(qū)組織形貌。該區(qū)由于受到攪拌頭的機械攪拌作用以及摩擦和剪切產(chǎn)生的局部高溫作用，焊核區(qū)金屬發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，形成細小等軸晶粒，晶粒尺寸小于母材，約5 μm。圖5c和圖5d分別為前進側(cè)和后退側(cè)熱機影響區(qū)，該區(qū)受到攪拌頭的機械攪拌和焊接熱循環(huán)的雙重作用，晶粒被拉長，產(chǎn)生的機械變形較大，具有一定的方向性，同時由于熱循環(huán)作用，晶粒大于母材。圖5e和圖5f分別為前進側(cè)和后退側(cè)熱機影響區(qū)，該區(qū)受到焊接熱循環(huán)作用，相對于母材，晶粒粗大。因此，焊縫熱機影響區(qū)和熱影響區(qū)為焊縫的薄弱區(qū)域。

圖4 接頭宏觀形貌

圖5 焊縫的金相組織

2.2 接頭力學性能

2.2.1 接頭抗拉強度

將2組試驗焊后試板分別加工成2個拉伸試樣進行測試，拉伸性能測試結(jié)果如表3所示。

表3 接頭拉伸性能（平均值）

由表3可知，試驗組號1焊縫接頭平均抗拉強度452MPa，可以達到母材強度（603.5 MPa）的75%，斷后平均伸長率為2.75%，均優(yōu)于試驗組號2。因此，正、反面前進側(cè)位于同一側(cè)時，其焊縫拉伸性能優(yōu)于前進側(cè)位于兩側(cè)時的。

2.2.2 接頭顯微硬度

選取試驗組號1焊縫接頭進行橫向和縱向顯微硬度測試，測試點間隔0.5 mm，測試結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 接頭橫向顯微硬度分布

圖7 接頭縱向顯微硬度分布

由圖6可知，接頭橫向顯微硬度呈典型“W”型分布，母材硬度值較高，約140 HV，焊縫中心位置為焊核區(qū)，硬度與母材接近，硬度值大于周圍熱影響區(qū)和熱機影響區(qū)，熱機影響區(qū)與熱影響區(qū)過渡區(qū)存在明顯的硬度軟化，該位置硬度值較低，硬度最低值出現(xiàn)在后退側(cè)熱機影響區(qū)與熱影響區(qū)過渡區(qū)，為101.7 HV，且后退側(cè)顯微硬度變化較為平緩，范圍較前進側(cè)大，這與后退側(cè)熱機影響區(qū)和熱影響區(qū)范圍較大有關。

由圖7可知，接頭第一道焊縫顯微硬度值低于第二道焊縫，最低值約103.9 HV。這是因為試板厚度為12 mm，而第二道焊接深度為8 mm，因而將第一道焊縫約4 mm區(qū)域進行覆蓋，未覆蓋區(qū)域受到焊接熱循環(huán)作用，發(fā)生晶粒長大，因而硬度下降。

2.2.3 接頭斷口分析

上述接頭拉伸試驗均在熱機影響區(qū)或熱影響區(qū)斷裂，拉伸試樣斷口宏觀形貌如圖8所示。拉伸試樣斷口微觀形貌如圖9所示，斷口表面均布著不同尺寸的韌窩。在大韌窩里可以看到細小的第二相粒子剝落后產(chǎn)生的小韌窩。大韌窩的平均直徑約為10 μm，小韌窩的平均直徑約為3 μm。韌窩小而淺，說明焊縫塑性較差，與表3中較低的延伸率對應。斷口韌窩特征說明斷裂前發(fā)生了明顯的塑性變形，屬于韌性斷裂。

圖8 拉伸試樣斷口宏觀形貌

圖9 拉伸試樣斷口微觀形貌（SEM）

3 結(jié)論

（1）7055-T6鋁合金攪拌摩擦焊接頭宏觀形貌中無明顯的塑性流動痕跡。

（2）正、反面前進側(cè)位于同一側(cè)時，接頭抗拉強度平均值為452 MPa，接頭強度可達母材的75%，優(yōu)于前進側(cè)位于兩側(cè)時的焊接接頭性能。

（3）接頭橫向顯微硬度呈“W”型分布，最低值出現(xiàn)在后退側(cè)熱機影響區(qū)與熱影響區(qū)過渡區(qū)，為101.7 HV；接頭縱向顯微硬度顯示，第一道焊縫顯微硬度值低于第二道焊縫。

（4）拉伸試樣斷口形貌顯示存在明顯韌窩特征，屬于韌性斷裂。但韌窩小而淺，焊縫塑性較差。