蘇 孺, 王朋朋, 張 亮

(河北科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 河北 石家莊 050018)

攪拌摩擦焊(friction stir welding,FSW)是英國焊接研究所于1991年發(fā)明的一種固相焊接技術(shù)[1-3],其焊接溫度一般低于被焊材料的熔點,從而可以避免常規(guī)熔焊時被焊材料由于熔化而產(chǎn)生的氣孔、裂紋、變形等缺陷[4-6].鋁合金具有重量輕、比強度高、導(dǎo)熱性好等性能,它的使用量僅次于鋼鐵,已經(jīng)在航空航天、建筑材料等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[7].夏羅生[8]研究了7022鋁合金FSW接頭的工藝參數(shù)影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)速(n)與焊接速度(v)的比值大小體現(xiàn)為焊接過程中轉(zhuǎn)動次數(shù)和焊接時所產(chǎn)生的熱,它將直接影響焊縫的性能,當(dāng)n/v值為3～5時接頭性能良好.姬生星等[9]對6 mm厚2A12鋁合金板進(jìn)行攪拌摩擦焊,研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)焊接速度為60 mm·min-1,主軸轉(zhuǎn)速為1 100 r·min-1時,其硬度值和抗拉強度最大,硬度分布和微型剪切試驗證明了接頭的力學(xué)不均勻性.當(dāng)工具轉(zhuǎn)速較高時,焊縫硬度低于基體金屬,焊縫中硬度最低的是前進(jìn)側(cè),因為其輸入的熱量相對較高.

本實驗研究了焊接速度一定時,不同主軸轉(zhuǎn)速對2 mm厚2A12鋁合金攪拌摩擦焊時微觀組織和力學(xué)性能的影響,通過微觀組織下晶粒大小、取向和沉淀相的析出數(shù)量可以判斷其對焊接接頭硬度和拉伸強度的影響,分析焊接接頭的微觀結(jié)構(gòu)和相關(guān)的機(jī)械性能,優(yōu)化焊接工藝,為服役時所需性能要求達(dá)標(biāo)提供參考.

1 材料與方法

實驗選用FSW-LM-BM16-2D龍門式攪拌摩擦焊設(shè)備,對尺寸為300 mm×150 mm×2 mm的2A12-T42高強鋁合金薄板進(jìn)行對接(T42指固溶處理+自然時效),化學(xué)成分如表1.焊前將2塊待焊鋁板剛性固定在墊板上,采用三棱錐型帶螺紋攪拌頭,逆時針旋轉(zhuǎn),焊接傾角為2.5°,控制軸肩壓入量為0.2 mm,工藝參數(shù)如表2.焊接完成后,沿垂直于焊縫截取實驗所需試樣,為微觀組織和力學(xué)性能分析做準(zhǔn)備,拉伸實驗尺寸如圖1.試樣經(jīng)打磨拋光后用Keller’s試劑進(jìn)行腐蝕;金相組織觀察所選用設(shè)備為Axiovert.A1蔡司顯微鏡;利用TMVS-1型自動維氏硬度儀對厚度方向焊縫處測算硬度值;最后采用instron-5966萬能力學(xué)試驗機(jī)測定室溫下焊接接頭試件的拉伸性能,并對接頭的抗拉強度等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.

表1 2A12鋁合金各成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 1 Mass fraction of constituents in 2A12 aluminium alloy %

表2 攪拌摩擦焊接工藝參數(shù)

圖1拉伸實驗尺寸(mm)
Fig.1 Tensile test size(mm)

2 結(jié)果與分析

2.1 焊縫的宏觀形貌

圖2為主軸轉(zhuǎn)速1 000 r·min-1時,2A12鋁合金板焊縫橫截面的宏觀形貌.從圖中可以看出焊縫區(qū)域呈洋蔥狀,各區(qū)域分別為焊核區(qū)(NZ)、熱機(jī)影響區(qū)(TMAZ)、熱影響區(qū)(HAZ)、軸肩影響區(qū)(SAZ),HAZ在前進(jìn)側(cè)(AS)比后退側(cè)(RS)分界明顯.在此參數(shù)下得到的焊縫連接較好,沒有發(fā)現(xiàn)明顯焊接缺陷.

圖2 焊縫宏觀分區(qū)Fig.2 Macroscopic zoning of weld joint

2.2 接頭的微觀組織

圖3a為2A12鋁合金母材典型的經(jīng)軋制后板條狀晶粒組織、析出的雜質(zhì)相及強化相,晶粒較粗大,可明顯觀察到拉長的痕跡.圖3b為焊核區(qū),該處受到攪拌針劇烈機(jī)械攪拌和焊接熱循環(huán)的雙重影響,發(fā)生完全動態(tài)再結(jié)晶,形成細(xì)小的等軸狀組織.

圖4顯示不同轉(zhuǎn)速下熱機(jī)影響區(qū)位置,該區(qū)域較窄,在摩擦熱和機(jī)械力的雙重作用下,材料發(fā)生了較大程度的彎曲變形,這將大大增加在此處斷裂的可能性.當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為1 000 r·min-1時,由于轉(zhuǎn)速過高,組織彎曲變形較600 r·min-1和800 r·min-1時嚴(yán)重; 局部區(qū)域發(fā)生回復(fù)反應(yīng), 在板條狀組織內(nèi)形成回復(fù)晶粒組織, 在沿著材料流動方向上呈細(xì)長條狀, 轉(zhuǎn)速增加時組織被拉長.

圖5分別為轉(zhuǎn)速600、800和1 000 r·min-1的熱影響區(qū)組織.熱影響區(qū)只受焊接熱循環(huán)未受到機(jī)械攪拌作用,晶粒僅發(fā)生粗化沒有變形,從圖中可以看出在1 000 r·min-1時晶粒變得粗大,這是由于隨著主軸轉(zhuǎn)速增加,產(chǎn)熱量增多,使熱影響區(qū)范圍變寬且組織相比低轉(zhuǎn)速時粗大,在轉(zhuǎn)速為800 r·min-1時相較600 r·min-1強化相變粗大且較多.熱影響區(qū)相比熱機(jī)影響區(qū)中強化相減少,這是由于只受熱循環(huán)以致低于固溶溫度,在此區(qū)域部分強化相會分解析出[10],1 000 r·min-1時由于轉(zhuǎn)速較高,受熱循環(huán)影響較大,使強化相變得較粗大.

圖4 前進(jìn)側(cè)熱機(jī)影響區(qū)微觀組織Fig.4 Microstructure of thermo-mechanically affected zone in advancing side

圖5 熱影響區(qū)微觀組織Fig.5 Microstructure of heat affected zone

2.3 接頭顯微硬度

合金的強度和硬度主要由強化相的大小、數(shù)量和分布決定.圖6為攪拌摩擦焊焊接接頭橫截面的硬度分布,可以看出經(jīng)攪拌摩擦焊處理后,顯微硬度分布大致呈“W”型,測得基材的硬度大約為143 HV1/10.

圖6 不同主軸轉(zhuǎn)速下接頭硬度分布

從圖6可以看出,由BM到HAZ間硬度值逐漸降低,由于HAZ僅受到焊接熱循環(huán)作用相組織明顯長大,析出相在晶界處發(fā)生粗化和聚集.焊核區(qū)硬度相對較高,是由于在力和熱的共同作用下組織發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶,晶粒細(xì)化導(dǎo)致細(xì)晶強化,所以焊核區(qū)域硬度相對較高,最高到達(dá)142 HV1/10.轉(zhuǎn)速為600和800 r·min-1時硬度最小值出現(xiàn)在TMAZ中,這由于該區(qū)域晶粒取向發(fā)生轉(zhuǎn)變,晶粒拉長,受較低溫度和較小應(yīng)力,發(fā)生塑性形變時,與硬度相關(guān)的沉淀物分布變得不均勻且變粗,HAZ和TMAZ邊界硬度下降是由于該處產(chǎn)生的熱量急劇下降,塑性變形不足以改變初始晶粒結(jié)構(gòu),細(xì)小沉淀物變粗,使硬度下降;轉(zhuǎn)速為1 000 r·min-1時硬度最小值出現(xiàn)在HAZ區(qū)中,這可能是由于旋轉(zhuǎn)速度較高,產(chǎn)熱較大,HAZ中晶粒和沉淀物變粗嚴(yán)重.在主軸轉(zhuǎn)速為600 r·min-1時,焊核區(qū)硬度低于800和1 000 r·min-1,這是由于轉(zhuǎn)速升高時,攪拌針旋轉(zhuǎn)速度較快,晶粒相對較小,由霍爾佩奇公式[11]可知,晶粒越細(xì)小,材料強度越高.

式中,σy為材料的屈服極限,σ0表示移動單個位錯時產(chǎn)生的晶格摩擦阻力,ky為常數(shù)與材料有關(guān),d指平均晶粒直徑.當(dāng)晶粒尺寸越小,即d值越小,材料強度越高.

當(dāng)轉(zhuǎn)速為800 r·min-1時,NZ處硬度在132～142 HV1/10波動,這和BM和HAZ之間的波動相似,硬度的變化可能與洋蔥環(huán)結(jié)構(gòu)和沉淀分布有關(guān)[12],由圖2各焊縫分區(qū)呈洋蔥環(huán)結(jié)構(gòu)和圖3a母材區(qū)顯示區(qū)域內(nèi)強化相組織分布不均,這種情況易造成硬度值產(chǎn)生波動.

2.4 拉伸力學(xué)性能

表3為不同主軸轉(zhuǎn)速下合金焊接接頭的拉伸性能測試結(jié)果,從拉伸斷裂區(qū)域可以看出基本都從熱機(jī)影響區(qū)和焊核區(qū)界面處開始產(chǎn)生微裂紋.由于熱機(jī)影響區(qū)與焊核區(qū)塑性體之間的速度梯度相差較大,導(dǎo)致組織形貌相差較大,熱機(jī)影響區(qū)所受溫度和機(jī)械力與焊核區(qū)相比較小,所以只有部分晶粒發(fā)生再結(jié)晶,大部分晶粒被拉長且缺乏平滑過渡,2個區(qū)域具有明顯的分界線,殘余應(yīng)力較大,導(dǎo)致抗拉強度降低,同時,在此區(qū)域存在的孔洞缺陷造成力學(xué)性能薄弱,證實了在此處硬度值的下降,所以易在此區(qū)域斷裂.而前進(jìn)側(cè)硬度圖可以看出轉(zhuǎn)速為1 000 r·min-1時,硬度值高于另外2個轉(zhuǎn)速下的硬度值,這和抗拉強度在此轉(zhuǎn)速下較高相符合.

表3 不同試樣的抗拉強度Table 3 Tensile strength of specimens

通過拉伸試驗測得2 mm厚2A12鋁合金焊后的力學(xué)拉伸性能,母材的抗拉強度最高,為439.5 MPa.實驗表明,與母材相比焊接接頭的各項力學(xué)參數(shù)均有所下降.在一定范圍內(nèi),當(dāng)焊接速度為200 mm·min-1時,焊接接頭隨主軸轉(zhuǎn)速的增加抗拉強度表現(xiàn)為增加的趨勢,當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 000 r·min-1時,試件的抗拉強度最大,達(dá)到415 MPa.

3 結(jié) 論

1) 通過觀察焊縫的宏觀和微觀組織,發(fā)現(xiàn)TMAZ很窄且發(fā)生明顯的扭曲變形,方向和焊接方向相切.隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加,TMAZ組織被拉長,分布更均勻,彎曲變形嚴(yán)重,HAZ中組織會粗化.

2) 隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加,焊核區(qū)硬度增加,在1 000 r·min-1時硬度值接近142 HV1/10;熱輸入量增多,在熱影響區(qū)中循環(huán)熱較高,組織會粗化,以致硬度值相對降低.

3) 拉伸斷裂位置位于前進(jìn)側(cè)的NZ和TMAZ間的界面.隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加,抗拉強度表現(xiàn)為增加的趨勢.當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 000 r·min-1時,試件的抗拉強度為415 MPa.

4) 綜合微觀組織及力學(xué)性能可得,當(dāng)n/v值為4～5時, 其焊縫性能良好.