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        轉(zhuǎn)速對(duì)2524 鋁合金攪拌摩擦點(diǎn)焊組織與性能的影響①

        2020-05-24 05:05:12胡一杰孫有平何江美李旺珍
        礦冶工程 2020年2期
        關(guān)鍵詞:核區(qū)韌窩斷口

        胡一杰, 孫有平, 何江美, 李旺珍

        (廣西科技大學(xué) 機(jī)械與交通工程學(xué)院,廣西 柳州545006)

        2524 鋁合金是目前生產(chǎn)大飛機(jī)蒙皮的主要材料[1-2]。 鉚接和熔焊是現(xiàn)階段鋁合金的主流連接方法,但由于鉚接技術(shù)存在工藝復(fù)雜、增重明顯,熔焊存在能耗高、接頭綜合性能低等缺點(diǎn),嚴(yán)重限制了其發(fā)展[3-7]。 攪 拌 摩 擦 點(diǎn) 焊(Friction stir spot welding,F(xiàn)SSW)是一種新型固相焊接技術(shù)[8-12],相比于傳統(tǒng)連接方法,具有生產(chǎn)成本低、接頭強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。 優(yōu)化焊接工藝是實(shí)現(xiàn)接頭組織與性能提升最有效的方法之一[13-16]。 目前對(duì)于2524 鋁合金的FSSW 研究較少,本文探究在不同攪拌頭轉(zhuǎn)速下焊接接頭的成形性、力學(xué)性能和組織演變規(guī)律。

        1 試 驗(yàn)

        試驗(yàn)采用大應(yīng)變軋制工藝[17]制備的2524 鋁合金薄板為母材,其化學(xué)成分如表1 所示,板材抗拉強(qiáng)度為430 MPa,斷后伸長(zhǎng)率12.3%。 圖1 為待焊2524 鋁合金板材三維金相組織照片,從圖中可以看出,組織沿軋制方向呈明顯的帶狀形態(tài)。 圖2 為試驗(yàn)用攪拌頭結(jié)構(gòu),攪拌針為圓錐形,小端直徑3 mm,長(zhǎng)度3 mm,右旋螺紋;軸肩為雙內(nèi)凹同心圓環(huán)結(jié)構(gòu),直徑10 mm;焊接時(shí)攪拌頭傾角為2.5°。

        表1 2524 鋁合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))/%

        圖1 2524 鋁合金母材三維金相組織

        圖2 攪拌頭結(jié)構(gòu)

        FSSW 工藝參數(shù)如表2 所示,其它焊接參數(shù)在以往試驗(yàn)基礎(chǔ)上擬定。 試件尺寸取60 mm×20 mm×2 mm,焊前用鋼絲刷去除板材表面氧化膜,再用丙酮清洗以去除表面油污,風(fēng)干后進(jìn)行焊接。 接頭采用搭接形式,搭接面積20 mm ×25 mm,每組參數(shù)取5 個(gè)焊接試樣,3 個(gè)用于力學(xué)性能測(cè)試、1 個(gè)用于金相試驗(yàn)、1 個(gè)用于硬度測(cè)試。

        表2 試樣焊接工藝參數(shù)

        在JK-5 型多功能焊接機(jī)上進(jìn)行焊接試驗(yàn);拉伸試驗(yàn)使用ETM105D 型電子萬能試驗(yàn)機(jī);金相試樣使用線切割法,沿板材軋制方向,焊點(diǎn)中心位置對(duì)試樣進(jìn)行切割,打磨并拋光后使用混合酸水溶液(2 mL HF+3 mL HCL +5 mL HNO3+190 mL H2O)進(jìn)行浸蝕,采用Leica DMI3000M 型顯微鏡觀察焊接接頭顯微組織;采用HVS-1000 Z 型顯微硬度計(jì)測(cè)試焊接接頭硬度分布規(guī)律,加載載荷為9.8 N,加載時(shí)間為10 s,硬度采集方法為:在平行于上板上表面1 mm 位置,每間隔0.5 mm進(jìn)行硬度采點(diǎn);采用SIGMA 場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀察拉伸斷口形貌。

        2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

        2.1 轉(zhuǎn)速對(duì)宏觀形態(tài)的影響

        表3 為不同攪拌頭轉(zhuǎn)速下焊點(diǎn)表面與拉伸斷口宏觀形態(tài)。 在FSSW 過程中,攪拌頭壓入待焊材料后,金屬被擠出,形成飛邊(點(diǎn)1),隨轉(zhuǎn)速增加金屬沉積增多(點(diǎn)2)。 FSSW 焊接接頭單向拉伸斷口大致呈現(xiàn)兩種形式:當(dāng)轉(zhuǎn)速低于700 r/min 時(shí),結(jié)合區(qū)在剪切作用下平行于搭接面斷裂,斷口光亮平整;當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到900 r/min 后,結(jié)合面呈一定傾斜角度斷裂,斷后部分材料殘留在上板(點(diǎn)3),其中撕裂的一側(cè)呈光亮狀態(tài)(點(diǎn)6),另一邊未有明顯光亮的撕裂痕跡(點(diǎn)7)。 而斷口左右寬度不一致(點(diǎn)4、點(diǎn)5),是因?yàn)閿嚢桀^在焊接過程中呈一定傾斜角度壓入形成。

        表3 不同攪拌頭轉(zhuǎn)速下的表面形貌與斷口形態(tài)

        圖3 為焊接接頭在不同轉(zhuǎn)速下的組織形貌。 假設(shè)勾形缺陷(Hook)末端與“匙孔”之間的距離為有效連接寬度W,從兩板結(jié)合面到Hook 末端的距離為Hook彎曲高度H。 由圖3 可知,隨轉(zhuǎn)速增加,Hook 從向下彎曲演變?yōu)橄蛏蠌澢?,H 值逐漸增大,熱機(jī)影響區(qū)畸變程度增加,造成這種現(xiàn)象的原因在于:當(dāng)轉(zhuǎn)速較小時(shí),攪拌頭對(duì)材料擠壓弱、摩擦生熱少,造成金屬塑化程度低、流動(dòng)性差,受螺紋向下的擠壓作用后,高壓塑性金屬向下運(yùn)動(dòng),擠壓下方或外側(cè)未塑化金屬,引起組織畸變。 因?yàn)榻饘偎芑潭鹊?,鋁合金導(dǎo)熱性強(qiáng)、冷卻速度快,塑性金屬?zèng)]有足夠的能量繼續(xù)運(yùn)動(dòng),形成了Hook向下彎曲的形貌。 當(dāng)轉(zhuǎn)速增大后,金屬受到的攪拌作用增強(qiáng)、摩擦生熱增加,金屬的塑化范圍增大、程度加深,在受到底部未塑化材料的阻礙作用時(shí)依然有足夠的能量向外或向上運(yùn)動(dòng)[12,18],當(dāng)向上的驅(qū)動(dòng)力和上方軸肩的阻礙作用平衡時(shí),停止向上運(yùn)動(dòng),造成Hook 向上彎曲和組織畸變程度增大的現(xiàn)象,最終呈現(xiàn)出隨轉(zhuǎn)速增加,Hook 向上彎曲程度增加的趨勢(shì)。

        圖3 不同轉(zhuǎn)速下焊接接頭組織形貌

        從圖3 可以看出,隨轉(zhuǎn)速增加,焊核區(qū)寬度增大。根據(jù)再結(jié)晶理論[10],再結(jié)晶程度取決于材料的應(yīng)變速率和溫度,當(dāng)轉(zhuǎn)速增加,材料應(yīng)變速率和溫度均增大,再結(jié)晶區(qū)域變寬,造成焊核區(qū)寬度逐漸增大。

        由圖3 可知,W 值隨轉(zhuǎn)速增加先增大后減小,其值大小取決于焊核區(qū)寬度和Hook 的彎曲程度。 如圖3(b)所示,在轉(zhuǎn)速較低時(shí),Hook 擴(kuò)展至熱機(jī)影響區(qū)后終止,因?yàn)榇藭r(shí)組織畸變程度低,在焊核區(qū)內(nèi)的兩板搭接面受到攪拌作用后,隨焊核區(qū)組織發(fā)生均勻混合,搭接面被打碎后形成穩(wěn)定的連接,造成Hook 終止于熱機(jī)影響區(qū)的現(xiàn)象,而W 值近似為焊核區(qū)寬度。 當(dāng)轉(zhuǎn)速較高時(shí),如圖3(c)所示,此時(shí)Hook 向上彎曲程度顯著增大,以弱結(jié)合的形式持續(xù)擴(kuò)展至焊核區(qū),因?yàn)榇藭r(shí)組織畸變程度較高,H 值過大,由圖2 可以知道,在靠近軸肩位置的攪拌針根部無螺紋存在,對(duì)于促進(jìn)材料發(fā)生混合、消除Hook 的效果顯著降低,使得W 值小于焊核區(qū)寬度。 所以造成了隨轉(zhuǎn)速增加,W 值先增大后減小的趨勢(shì)。

        圖4 為單向拉伸試驗(yàn)中兩種斷裂模式形成原因示意圖。 如圖4(a)所示,轉(zhuǎn)速較低時(shí),Hook 彎曲程度低,結(jié)合面受剪切力作用時(shí),裂紋沿Hook 末端平行于搭接面向匙孔區(qū)域擴(kuò)展。 如圖4(b)所示,在較高轉(zhuǎn)速下,Hook 向上彎曲嚴(yán)重,在拉伸過程中,c 側(cè)結(jié)合面受張力作用,裂紋沿Hook 末端向匙孔擴(kuò)展,沿結(jié)合面發(fā)生剝離,形成表3 中點(diǎn)6 斷裂形態(tài),d 側(cè)材料受相互擠壓力作用發(fā)生撕裂,形成表3 中點(diǎn)7 形態(tài)。

        圖4 兩種不同斷裂模式示意

        2.2 轉(zhuǎn)速對(duì)微觀組織的影響

        圖5 為700 r/min 時(shí)接頭微觀組織。 經(jīng)FSSW 后,接頭主要包括以下幾個(gè)區(qū)域:焊核區(qū)、熱機(jī)影響區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)。 如圖5 所示,靠近焊核區(qū)的熱機(jī)影響區(qū)組織受攪拌和熱影響較強(qiáng),部分區(qū)域發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,組織顯著細(xì)化,但仍然沿變形方向分布;靠近熱影響區(qū)一側(cè),組織受攪拌和熱循環(huán)作用影響較小,晶粒呈現(xiàn)軋制后的板條狀形態(tài),僅發(fā)生了輕微的扭曲變形;焊核區(qū)組織發(fā)生完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,其中靠近攪拌針的區(qū)域相較于靠近上表面軸肩下方的區(qū)域組織更加細(xì)小,形成原因在于攪拌摩擦焊接過程中,軸肩與材料摩擦產(chǎn)熱量遠(yuǎn)大于攪拌針[18]。

        圖5 700 r/min 時(shí)接頭顯微組織形貌

        圖6 為單向拉伸斷口的SEM 圖。 可以看出,斷口中有大量韌窩存在,接頭呈現(xiàn)韌性斷裂。 300 r/min時(shí),韌窩較淺,呈拋物線形的剪切韌窩,韌窩底部無明顯第二相粒子分布;1 100 r/min 時(shí),韌窩更深,韌窩底部存在大量第二相粒子,說明轉(zhuǎn)速增加促進(jìn)了第二相粒子的析出,而第二相粒子數(shù)量增加,對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用增強(qiáng),對(duì)接頭強(qiáng)度的提升有很大貢獻(xiàn)。

        圖6 斷口SEM 形貌圖

        2.3 轉(zhuǎn)速對(duì)焊接接頭力學(xué)性能的影響

        圖7 為不同轉(zhuǎn)速下焊接接頭顯微硬度分布圖。由圖7 可知,從焊核區(qū)到母材區(qū)硬度先下降后回升。在焊核區(qū)內(nèi),隨轉(zhuǎn)速增加,硬度呈增大趨勢(shì),轉(zhuǎn)速在1 100 r/min 時(shí)的硬度最大,達(dá)到133.9HV,在300 r/min時(shí)硬度最小,僅116.2HV;但在熱影響區(qū)內(nèi)轉(zhuǎn)速為300 r/min 時(shí),硬度相較于其它參數(shù)反而更高,其原因在于隨轉(zhuǎn)速增加,焊核區(qū)的晶粒尺寸和位錯(cuò)密度均增加[8],有限的位錯(cuò)密度對(duì)組織的強(qiáng)度貢獻(xiàn)要大于晶粒尺寸。 在熱影響區(qū),隨著轉(zhuǎn)速增加,攪拌頭與材料摩擦產(chǎn)生的熱量也越大,熱影響區(qū)組織的熱暴露溫度也越高,析出相的溶解或粗化程度增加[14],造成了熱影響區(qū)在300 r/min 時(shí)硬度最高的現(xiàn)象。

        圖8 為接頭單向拉伸試驗(yàn)的剪切強(qiáng)度曲線。 可以看出,接頭剪切強(qiáng)度隨轉(zhuǎn)速增加先增大后減小。 在低轉(zhuǎn)速下,接頭有效連接寬度低,且起到主要連接作用的焊核區(qū)硬度低,使得接頭強(qiáng)度較低;隨轉(zhuǎn)速增加,有效連接寬度增大,焊核區(qū)硬度增加,接頭強(qiáng)度逐漸增加,在轉(zhuǎn)速達(dá)到700 r/min 時(shí)剪切達(dá)到最大值3 510 N;當(dāng)轉(zhuǎn)速為900 r/min 后,雖然焊核區(qū)硬度持續(xù)增大,但有效連接寬度降低,使得剪切強(qiáng)度逐漸降低。

        圖8 FSSW 接頭剪切強(qiáng)度曲線

        3 結(jié) 論

        1) 攪拌頭轉(zhuǎn)速顯著影響焊接接頭組織形態(tài)。 接頭有效連接寬度與焊核區(qū)寬度和Hook 畸變程度有關(guān),隨轉(zhuǎn)速增大,焊核區(qū)寬度與Hook 畸變程度均顯著增大,焊接接頭有效連接寬度先增大后減小。 焊核區(qū)發(fā)生完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,攪拌針作用區(qū)域組織更加細(xì)小,靠近軸肩作用區(qū)域,組織受較高溫度影響明顯粗化。

        2) 在單向拉伸試驗(yàn)中,焊接接頭存在兩種斷裂模式:低轉(zhuǎn)速下平行于搭接面斷裂和高轉(zhuǎn)速下沿一定傾角斷裂。 接頭受剪切作用,斷口呈現(xiàn)剪切韌窩形態(tài),韌窩較小且淺;在高轉(zhuǎn)速下,接頭斷口的韌窩底部存在大量第二相粒子,且分布均勻,焊接接頭為韌性斷裂。

        3) 從焊核區(qū)到母材區(qū),顯微硬度先降低后回升。焊核區(qū)顯微硬度隨轉(zhuǎn)速增加逐漸增大,而熱影響區(qū)在300 r/min 時(shí)硬度最高。 接頭剪切強(qiáng)度隨轉(zhuǎn)速增加呈先增大后減小的變化規(guī)律,在700 r/min 時(shí)達(dá)到最大值3 510 N。

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