姜銀松，葉衛(wèi)林，靳少龍，邵真貴，高 蒙，付 靜

河南航天液壓氣動技術有限公司 特種工藝研究室，河南 鄭州 451191

0 前言

航空航天及軍用類產品對減重的要求極高，高強、高韌性和耐腐蝕性強的7xxx系高強高韌鋁合金和2xxx系中強高韌鋁合金在航空航天領域得到了大量應用[1]。焊接在航天制造領域發(fā)揮著重要作用，鋁合金結構材料的焊接一直是航天制造領域的核心關鍵技術[2]。2A43為某超音速型號航天器開發(fā)的新型高強度鋁合金，屬于熱處理強化鋁合金，具有特殊的物化性能[3]和自身強化機制，其綜合性能優(yōu)異，在航空航天、國防軍務等領域有著廣泛的應用前景。真空電子束焊是一種能量密度非常集中的高能束焊接方法，由于其具有較高的線能量，在高強鋁合金焊接過程中，焊接熱過程持續(xù)時間較短，能夠有效防止焊接過程中的氧化，抑制氣孔的產生及焊縫熱影響區(qū)晶粒的長大，在一定程度上能改善鋁合金焊接熱影響區(qū)軟化現(xiàn)象[4]。攪拌摩擦焊是一種在材料半固態(tài)下通過攪拌、加壓實現(xiàn)材料連接的焊接方法，與熔焊方法相比具有接頭成形良好、焊接應力和變形小、無煙塵、無需填充金屬和保護氣體等優(yōu)勢。采用攪拌摩擦焊焊接鋁合金，不經材料熔化和結晶的冶金過程，避免了焊縫氣孔和熱裂紋的產生，且其焊接接頭是在半固態(tài)下成形，避免了鋁合金焊縫熱影響區(qū)軟化的現(xiàn)象[5]。

相較傳統(tǒng)熔焊方法，真空電子束焊和攪拌摩擦焊可以改善焊縫成形和接頭性能，具有明顯的優(yōu)勢。但目前還未見對新材料2A43鋁合金真空電子束焊和攪拌摩擦焊焊接的相關報道，為此河南航天液壓氣動技術有限公司開展了一系列的工藝試驗，針對鋁板材質及熱處理狀態(tài)特點、工作特性和技術要求，選用2 mm厚的2A43高強鋁合金板材，分別采用電子束焊和攪拌摩擦焊對其焊接性能及焊接工藝進行研究，以期獲得2A43高強鋁合金板材對接接頭的優(yōu)良焊縫。

1 試驗材料和方法

試驗材料選用熱軋態(tài)2A43高強鋁合金板材，單塊尺寸為80 mm×30 mm×2 mm，其化學成分如表1所示。試驗研究共分3組：母材1組，真空電子束焊1組，攪拌摩擦焊1組。其中，真空電子束焊和攪拌摩擦焊接試驗時，先進行焊接工藝參數(shù)摸索，然后從中選取焊縫成形美觀、探傷后無明顯缺陷的試件進行性能測試。焊前采用砂布沿焊縫方向將兩側鋁板20 mm范圍內的氧化皮等打磨至光亮，隨后用無水乙醇將打磨處的鋁板清洗干凈，目的是去除油污和表面的氧化膜，以免對焊接質量產生不利影響。設計合適的工裝夾具，并分別采用THDW-3真空電子束焊機和HT-JC6×8/2攪拌摩擦焊機進行對接焊接。攪拌摩擦焊攪拌頭結構及實物如圖1所示，其軸肩直徑10 mm，具有較高的強度和動態(tài)穩(wěn)定性，選用Cr12MoV材料制成。

表1 2A43鋁合金的化學成分（質量分數(shù)，%）Table 1 Chemical composition of 2A43 aluminum alloy（wt.%）

圖1 攪拌摩擦焊攪拌頭結構及實物Fig.1 Structure and object of friction stir welding head

依據(jù)經驗及相關文件，對大量焊接工藝參數(shù)進行田口分析設計[5]，得出最優(yōu)焊接工藝參數(shù)。真空電子束焊接最優(yōu)參數(shù)為：加速電壓60 kV，聚焦電流270 mA，焊接速度450 mm/min，焊接束流11 mA；攪拌摩擦焊最優(yōu)參數(shù)為：攪拌頭轉速1 300 r/min，焊接速度251 mm/min，焊接傾角4°，軸肩下壓量0.5 mm。

焊后采用線切割機切取拉伸試樣和金相試樣，拉伸試樣按照按GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗》第1部分：室溫試驗方法中規(guī)定進行。使用UTM5150電子萬能試驗機拉伸機以0.9 mm/s速率進行拉伸試驗。拉伸試樣尺寸如圖2所示。

圖2 拉伸試樣外形與尺寸Fig.2 Tensile specimen shape and size

2 試驗結果分析

2.1 接頭宏觀形貌

2A43焊縫外觀形貌如圖3所示。電子束焊接接頭外表平滑，寬度約為2.8 mm；攪拌摩擦焊接接頭因攪拌頭軸肩的作用呈魚鱗紋狀，焊縫寬度約為10 mm。

圖3 2A43焊縫成形Fig.3 Weld forming of 2A43

2.2 金相組織

電子束焊焊縫截面如圖4所示，金相組織如圖5所示。由圖5可知，母材區(qū)因未受到熱影響沒有發(fā)生熱變形，焊縫熔合區(qū)組織均勻，晶粒細?。ㄒ妶D5a）；熱影響區(qū)因冷卻不均勻造成微觀組織大小不一，分布不均勻（見圖5b），這也是熱影響區(qū)組織性能相對較差的原因。

圖4 電子束焊接焊縫截面Fig.4 Weld section of electron beam welding

圖5 電子束焊接試樣焊縫金相組織Fig.5 Metallographic structure of electron beam welding sample

攪拌摩擦焊焊縫截面形貌如圖6所示，焊縫上層金屬受到軸肩和攪拌針雙重作用[6]，軸肩起主導作用，焊縫下層主要受攪拌針的攪拌作用。

圖6 攪拌摩擦焊焊縫截面Fig.6 Weld section of friction stir welding

攪拌摩擦焊接頭金相組織如圖7所示。因攪拌摩擦焊焊縫熱影響較小，母材區(qū)和熱影響區(qū)區(qū)別不是很明顯。熱影響區(qū)寬度稍大于攪拌針直徑，組織結構通常會發(fā)生變化。焊核區(qū)域沿焊縫中心大致呈對稱分布，這是由于攪拌頭的旋轉和攪拌頭的移動過程共同作用于焊縫兩側材料。焊核區(qū)是攪拌頭直接攪拌的區(qū)域[7]，被焊材料在攪拌頭的攪拌作用下會發(fā)生強烈的塑性變形[8]。

圖7 攪拌摩擦焊試樣金相組織Fig.7 Metallographic structure of friction stir welding sample

2.3 抗拉強度

兩種焊接方法接頭應力與應變關系結果如圖8所示。兩種焊接方法試樣的拉伸曲線變化趨勢基本一致，均先急劇上升，后緩慢增加，最后發(fā)生斷裂，這是因為在拉伸過程中試樣首先經歷彈性變形，然后進入塑性變形，最后斷裂。

圖8 力學性能拉伸曲線對比Fig.8 Comparison of Tensile curve of mechanical properties

與母材焊接標準試樣對比可知，在彈性變形階段，試樣所受應力與應變呈一定比例，在宏觀拉伸曲線上近乎為斜直線；超過彈性變形范圍后，隨應力增大，試樣進入屈服階段，發(fā)生塑性變形，材料內部發(fā)生位錯移動，最后直至斷裂，斷裂瞬間應力減小，母材被分離后，試樣不再受拉應力。

接頭接伸性能數(shù)據(jù)如表2所示。母材試樣的屈服強度（470 MPa）、抗拉強度（560 MPa）及延伸率（22%）均好于另外兩組試樣，這是因為焊接加工過程中的高溫使金屬材料熔化，在焊縫中心形成熔合區(qū)，同時在熔合區(qū)外側產生受熱不均勻的熱影響區(qū)，熱影響區(qū)組織生長不均勻，造成接頭力學性能下降。其中，攪拌摩擦焊試樣接頭的抗拉強度達到母材的90%以上，符合I級焊縫接頭標準要求，而電子束焊接接頭的抗拉強度達到母材的80%以上，符合Ⅱ級焊縫接頭標準要求，攪拌摩擦焊試樣接頭強度能優(yōu)于電子束焊接。

表2 拉伸性能Table 2 Tensile mechanical properties

2.4 斷口分析

采用600倍掃描電鏡分析觀察拉伸斷裂試樣斷口，結果如圖9所示。母材斷口處出現(xiàn)小凹坑（見圖9a），分析為母材的析出相，這些析出相是在拉伸過程中被撕裂后留下的凹坑痕跡。電子束焊斷口表面為韌窩狀，并且?guī)缀蹩床坏酱执笪龀鱿嗟拇嬖冢ㄒ妶D9b）。攪拌摩擦焊斷口處出現(xiàn)整體不規(guī)則淺窩，熱影響區(qū)分布比較密集（見圖9c）。

圖9 放大600倍電鏡掃描圖Fig.9 Scanning electron microscope magnified by 600 times

進一步采用2 500倍掃描電鏡對試樣進行局部分析，結果如圖10所示。母材存在由韌窩組成的網(wǎng)格狀組織，且分布有直徑約為10 ～15 μm的大韌窩（見圖10a），這是因為板材經過軋制后，晶粒發(fā)生了較大的變形，使其斷口韌窩具有非等軸狀特征；類似小凹坑的析出相被周圍網(wǎng)格狀組織包圍著，是粗大的析出相粒子斷裂后留下的斷面，為穿晶斷裂。電子束焊接斷口表面為韌窩狀，幾乎不存在粗大析出相（見圖10b）。攪拌摩擦焊試樣接頭斷口中存在韌窩和粗大析出相（見圖10c），析出相數(shù)量比真空電子束焊試樣的多，但少于母材。這些粗大析出相是一種強化相，對試樣的力學性能有著重要影響。

圖10 放大2 500倍電鏡掃描Fig.10 Scanning electron microscope magnified by 2 500 times

通過三組試樣斷口對比得出，真空電子束焊試樣中的析出強化相數(shù)量明顯較少，使得其力學性能及斷后延伸率較低。分析其原因是焊接產生的熱量使母材中的部分析出強化相粒子固溶到焊縫組織中，而焊縫冷卻較快，固溶到焊縫中的強化相來不及析出，因此焊接接頭試樣中的析出強化相少于母材。而與攪拌摩擦焊相比，真空電子束焊的單位熱輸入能量更高更集中，故真空電子束焊試樣的析出強化相少于攪拌摩擦焊試樣。

4 結論

通過采用攪拌摩擦焊接和電子束焊接對2 mm厚的2A43高強度硬合金焊接性能進行研究分析，得出以下結論：

（1）在兩種焊接方法的最優(yōu)焊接參數(shù)下，均獲得焊接成形美觀、均勻穩(wěn)定、飛邊較小且性能優(yōu)良的焊接接頭，可為相關鋁合金攪拌摩擦焊接和電子束焊接提供參考。

（2）熱輸入較高時，2A43鋁合金板材中的強化析出相會被熔融入基體中，進而降低其拉伸性能。且采用攪拌摩擦焊焊接的鋁板試樣拉伸性能高于真空電子束焊。

（3）通過對拉斷試樣對比分析得出，粗大的析出相粒子斷裂后留下的斷面為穿晶斷裂；電子束焊接斷口處發(fā)現(xiàn)其斷口表面為韌窩狀，幾乎無粗大析出相的存在；攪拌摩擦焊試樣接頭斷口中存在韌窩和粗大析出相，析出相的數(shù)量比真空電子束焊試樣多，但少于母材。