李 穎

（邵陽學院?機械與能源工程學院，湖南?邵陽?422000）

當今世界人們面對的巨大難題之一就是地球礦產(chǎn)資源不斷被消耗，因此國內(nèi)外科學家不斷尋找辦法來解決這一全世界面臨的重大難題[1]。已知的眾多解決方案主要分為2類，第一類是研發(fā)新材料，此類方案開發(fā)周期長、研制成本高；第二類是結構輕量化，這類方案投入成本低，產(chǎn)生的經(jīng)濟效益高，當下受到極大重視。其中，鋁合金屬于有色金屬材料、抗腐蝕性能強、高強度硬度，且十分輕便[2]。

攪拌摩擦焊（FSW）是一項固相連接技術[3]，具有普通熔焊不可比擬的優(yōu)點，現(xiàn)廣泛應用在航空航天領域、造船領域、陸路交通和民用及其它領域中[4]。現(xiàn)在，攪拌摩擦焊焊接被重點使用在高強度高硬度的鋁合金、鈦合金、鎂合金等新型合金的焊接上，可以達到結構輕量化的目標，減緩自然資源不斷被消耗的情況。國內(nèi)外學者對鋁合金FSW焊接工藝、接頭組織及力學性能進行了大量研究[5-8]。本文擬對10 mm厚7075鋁合金平板進行攪拌摩擦焊對接拼焊試驗，并對焊接接頭進行組織與力學性能研究分析。

1 試驗材料與方法

試驗板材是規(guī)格為150 mm×100 mm×10 mm的鋁合金，焊接方式為對接拼焊，攪拌頭材料為高溫淬火的40鉻，攪拌摩擦焊接設備是MCH1270臺式攪拌摩擦焊機。焊接工藝參數(shù)如下：焊接速度分別為90 mm/min、120 mm/min、150 mm/min；轉速分別為700 r/min、900 r/min、1200 r/min。焊接后，按照GB/T228-2002《金屬材料 室溫拉伸試樣方法》設計拉伸試件，使用WD-P6105微機控制電子萬能材料試驗機對10 mm厚的鋁合金進行拉伸，拉伸速度為0.05 mm/min。使用金相顯微鏡的低倍鏡頭對腐蝕后的金相試樣表面進行觀察，使用HVS-1000型數(shù)顯顯微硬度計進行維氏硬度試驗。

2 試驗結果與分析

2.1 不同轉速下接頭橫截面宏觀形貌與分析

圖1是焊接速度都為90 mm/min，旋轉速度不同的焊接接頭微觀對比圖。焊接接頭中的焊核區(qū)下半部分左側形成一系列非對稱的同心環(huán)狀結構。許多文獻把這種形貌稱為“洋蔥環(huán)”，洋蔥環(huán)狀組織的形成是由于攪拌頭的外形和攪拌頭在焊接時向前移動的結果。

圖1 ??焊接接頭橫截面宏觀形貌

2.2 旋轉速度對焊接接頭微觀組織的影響

圖2為轉速不同，焊速為90 mm/min焊接接頭的焊核區(qū)組織微觀圖。由圖2可以看出，焊核區(qū)是晶粒尺寸較小且均勻的等軸晶。產(chǎn)生細小等軸晶的原因是攪拌頭與板材摩擦產(chǎn)生大量的摩擦熱，使焊核區(qū)的晶粒發(fā)生動態(tài)再結晶，同時攪拌頭的攪拌針不停地旋轉攪拌，把發(fā)生動態(tài)再結晶的粒子攪拌碎，從而生成顆粒細小且均勻的等軸晶。對比不同旋轉速度下的焊核區(qū)，旋轉速度為700 r/min的晶粒最細小、最均勻。試驗證明，焊核區(qū)晶粒尺寸大小與旋轉速度呈現(xiàn)出正相關關系。

圖2 ??焊接接頭焊核區(qū)金相組織

2.3 焊接速度對焊接接頭微觀組織的影響

圖3為焊速不同，轉速為700 r/min焊接接頭的焊核區(qū)組織微觀圖。由圖3可以分析出，轉速一定的條件下，雖然焊接速度不同，但是焊核區(qū)的晶粒都為細小的等軸晶粒，其中焊接速度為90 mm/min的焊核區(qū)為最細的。焊核區(qū)晶粒尺寸變化和晶粒變形大小與焊接速度大小呈正相關關系，這是由于焊接速度越大，對焊核區(qū)的熱輸入越大，從而使晶粒發(fā)生回復，粒子尺寸變大。

2.4 焊接接頭力學性能分析

2.4.1 焊接接頭硬度值分析

選取旋轉速度為700 r/min、焊接速度為90 mm/min的試件1；旋轉速度為900 r/min、焊接速度為90 mm/min的試件4；旋轉速度為1200 r/min、焊接速度為90 mm/min的試件7作為研究對象，研究10 mm厚的鋁合金攪拌摩擦焊焊接接頭的不同組織的顯微硬度分布情況，如圖4所示。

圖3 ??焊接接頭焊核區(qū)金相組織

圖4 ??試件硬度分布圖

由圖4可以得出：試件1、試件4、試件7的維氏顯微硬度值呈現(xiàn)出類似于英文字母“W”樣式，焊核區(qū)維氏硬度值要高于熱影響區(qū)和熱機影響區(qū)，前進側熱影響區(qū)的維氏硬度值明顯比后退側的維氏硬度值要低。原因是：①由于焊核區(qū)發(fā)生動態(tài)再結晶的晶粒破碎成細小的等軸晶，晶粒的細化致使硬度增大；②熱影響區(qū)受到熱循環(huán)的輸入，區(qū)域內(nèi)的晶粒發(fā)生長大粗化現(xiàn)象，且區(qū)域內(nèi)的第二相粒子受到熱循環(huán)輸入被熔解，從而致使維氏硬度值降低。

2.4.2 焊接接頭拉伸性能分析

焊接接頭的拉伸性能與晶粒尺寸的大小、焊接缺陷、強化相等有關。采用線切割對焊接的鋁合金板材進行切割，試樣如圖5所示。

圖6是旋轉速度為900 r/min、焊接速度為90 mm/min的試件發(fā)生斷裂位置的宏觀示意。由圖6可知，斷口處于前進側熱影響區(qū)，這與之前研究的焊接接頭微觀組織晶粒尺寸較大值出現(xiàn)在前進側熱影響區(qū)和維氏硬度值出現(xiàn)的最低點是前進側熱機影響區(qū)對應，且證明了焊接接頭組織接頭軟化區(qū)域出現(xiàn)在熱機影響區(qū)，焊接接頭前進側熱機影響區(qū)軟化會影響鋁合金攪拌摩擦焊的力學性能。接頭斷口角度與拉伸力的方向大約呈45°，斷口呈現(xiàn)出“頸縮”現(xiàn)象，發(fā)生這一現(xiàn)象的原因是受到強拉力，而金屬材料發(fā)生塑性變形，當拉伸應力不斷增大時，接頭就發(fā)生“頸縮”直至接頭斷裂，這種斷裂方式被稱之為韌性斷裂。

由鋁合金攪拌摩擦焊焊接接頭拉伸應力與拉伸應變曲線圖7可得，拉應力最大數(shù)值為454 MPa，試驗測得伸長率為5.9%。通過對拉伸試件斷口進行宏觀形貌分析，發(fā)現(xiàn)拉伸件斷裂的位置是前進側的熱影響區(qū)，這種現(xiàn)象與硬度試驗最小值出現(xiàn)在前進側的熱影響區(qū)相互對應。造成這種現(xiàn)象的原因是：前進側的熱影響區(qū)的晶粒不受到攪拌針的攪拌作用，但受接頭與鋁合金板材產(chǎn)生的摩擦熱循環(huán)較大，從而造成晶粒粗化，導致了材料熱影響區(qū)域的抗拉強度降低。對拉伸件施加載荷時，熱影響區(qū)域粒子的抗變形能力最低，所以材料裂紋會出現(xiàn)在此區(qū)域。

圖5 ??拉伸試件宏觀圖

圖6 ??試件焊接接頭斷裂位置宏觀圖

圖7 ??鋁合金攪拌摩擦焊焊接接頭拉伸應力與拉伸應變曲線圖

3 結????論

（1）焊核區(qū)和熱機影響區(qū)的晶粒，當焊接速度一定，旋轉速度與晶粒尺寸呈正相關；焊核區(qū)的晶粒，當旋轉速度一定時，焊接速度與晶粒呈負相關。

（2）焊接接頭維氏顯微硬度值呈現(xiàn)出不左右對稱的“W”形，焊核區(qū)的硬度值比熱機影響區(qū)和熱影響區(qū)高；前進側熱影響區(qū)的硬度值比后退側熱影響區(qū)的硬度值小，且為整個焊接接頭維氏硬度最低值，焊接接頭在前進側的熱機影響區(qū)斷裂，為韌性斷裂；攪拌摩擦焊焊接接頭前進側存在“軟化”現(xiàn)象。

（3）最佳工藝參數(shù)為旋轉速度為900 r/min、焊接速度為90 mm/min，此時試件的抗拉強度為454 MPa、延伸率為5.9%，力學性能最好。