2系铝合金的搅拌摩擦焊接接头微观组织与力学性能研究.pdf

收稿日期:2023-11-16第 32 卷 第 3 期Vol.32 No.3北 京 印 刷 学 院 学 报Journal of Beijing Institute of Graphic Communication2024 年 3 月Mar.20242 系铝合金的搅拌摩擦焊接接头微观组织与力学性能研究陈 平(南京航空航天大学 航空学院,南京 210016)摘 要:采用搅拌摩擦焊对铝板进行对接焊试验,具体形式为单面焊双面成型,采用拉伸机和显微维氏硬度仪对试样进行力学性能测试,利用蔡司金相与扫描电子显微镜研究母材和焊接接头的微观组织。结果表明,在微观组织方面,前进速度不变时,随旋转速度的增加,材料焊合区的组织更均匀,晶粒尺寸更为细小均匀致密;热机影响区存在有板条状的粗大组织和细小的等轴晶,且晶粒尺寸在逐渐变小;热影响区平均晶粒尺寸呈现增大的趋势。在硬度方面,焊接接头硬度热影响区最低,搅拌焊合区次之,热机影响区位于二者之间。在拉伸方面,不同焊接工艺下试样的拉伸断裂位置均在铝合金的焊接接头处,焊接接头断口呈现比较明显的韧性断裂特征。1000rmin-1及 100mm/min 下的焊接接头的断裂伸长率为 17.1%、抗拉强度可以达到 410MPa,其焊接接头的力学性能最优。由此得出结论,铝合金搅拌摩擦焊可以获得性能比较优良的焊接接头,可为其他铝合金材料的FSW 焊接提供技术参考。关键词:搅拌摩擦焊;2 系铝合金;微观组织;力学性能中图分类号:TG453文献标识码:A文章编号:1004-8626(2024)03-0032-06 铝合金在各个领域的应用十分广泛,其特点比较明显,如性价比高、重量轻、耐腐蚀、抗冲击性能好、易成形、比强度高、可回收利用。最近几十年,铝合金焊接结构已经逐步替代钢制结构成为船舶、高速列车、家用汽车、航空航天飞行器等设备的首选结构。1-4其中 2系列(简称 2 系)铝合金的强度、耐热性能和加工性能优良,是汽车及飞机等设备的主要结构材料。5随着铝合金轻质材料的推广使用,相关领域对铝合金的要求越来越高,铝合金焊接技术也就成为研究热点。6-7目前焊接技术日趋更新、完善,一大批新型焊接技术不断涌现,如搅拌摩擦焊、双丝 MIG 焊,可用于解决 2 系铝合金焊接难题,进一步促进了铝合金焊接结构件的应用。8-10搅拌摩擦焊(FSW)即利用高速旋转的焊具与工件摩擦产生的热量使被焊材料局部熔化,当焊具沿着焊接界面向前移动时,被塑性化的材料在焊具的转动摩擦力作用下由焊具的前部流向后部,并在焊具的挤压下形成致密的固相焊缝。FSW 焊接接头热影响区显微组织变化小,残余应力较低,焊接工件不易变形;无需添加焊丝,焊铝合金时不需要焊前除氧化膜,不需要保护气体,成本低;可焊热裂纹敏感的材料,适合各种材料焊接。11-16综上所述,搅拌摩擦焊在焊接 2 系铝合金时具有比较明显的优势,而水下搅拌摩擦焊接相对于在空气中的搅拌摩擦焊接来说,可以降低在加工过程中的热输入和提高材料的降温速率,让试样经历更短时间的热效应,因此,采用这个方法,可以改善铝合金焊接接头的组织,使得焊接后得到的组织更细小,热输入的降低对加工区的组织的动态回复再结晶造成了影响,从而改变细晶强化对焊接区的影响。1 实验材料及方法1.1 实验材料与制备试验选用 2017 T451 铝合金作为焊接板材,尺寸规格为 150mm150mm5mm,化学成分见表 1。表 1 铝合金的化学成分组成表化学成分(wt%)AlCrCuFeMgSiTiZn其他91.595.5 0.1 3.54.5 0.7 0.40.8 0.20.8 0.15 0.25 0.21.2 搅拌摩擦焊接工艺本文搅拌摩擦焊接搅拌头以较高旋转速度扎入待加工的拼接好的铝合金,在搅拌头的剧烈摩擦作用下焊接区材料的温度不断升高,使铝合金发生软化并随着搅拌针一起剧烈塑性流动,之后在一定的下压锻造力下沿着加工方向形成无缺陷的焊接接头。焊接均在赛福斯特龙门型搅拌摩擦焊设备上进行,选用带螺纹的锥形搅拌头,轴肩直径为12mm,搅拌长度为 5mm。进行焊接前,用砂轮打磨拼接面,防止表面氧化物对试样产生影响。将打磨处理好的试样置于工作台表面,并装夹固定,设置好参数后进行搅拌焊接。表 2 为搅拌摩擦焊接工艺方案。表 2 搅拌摩擦焊接工艺方案合金旋转速度/(rmin-1)进给速度/(mm/min)1700802850803100080410001001.3 微观组织表征方法金相试样制备过程为粗砂纸打磨细砂纸打磨清洗抛 光清 洗烘 干腐 蚀酒 精 清洗烘干。腐蚀溶液为凯勒试剂,腐蚀时间为 1015s。用 Nikon-MR5000 型光学金相显微镜观察合金在不同状态下的组织形貌。采用 ZEISS Sig-ma500 型扫描电子显微镜观察试样的高倍显微组织特征,并对拉伸断口形貌进行观察;同时利用能谱仪(EDS)测定元素的成分,所用试样为抛光后腐蚀的金相试样。1.4 性能测试本文采用 HVS-1000A 型维氏硬度计测量搅拌摩擦焊接后试样的硬度。将试样表面磨平,并用砂纸打磨和机械抛光。测试选取的位置为搅拌摩擦焊接深度的中线处。加载载荷为 1.96N,保压时间为 15s。采用 CMT5101 万能试验机进行材料的室温拉伸测试,其中拉伸试样的形状及其尺寸如图1 所示。拉伸试验中选择拉伸速率为 1mm/min。相同状态下的合金进行 35 次拉伸,取平均值。2 实验结果及讨论2.1 组织特征铝合金水下 FSW 横截面全貌图如图 2 所示,该图是在 100 倍镜下拍的不同区域的金相图拼接而成的全貌图,旋转速度为 700rmin-1,进给速度为 80mm/min,组织在搅拌摩擦的过程中会产生很图 1 搅拌摩擦焊接后铝合金拉伸试样切割位置及试样尺寸(单位:mm)大的变化,在图中可以看到组织被搅拌摩擦过程中产生的热量和塑性变形共同作用而引起的线形变化。在搅拌头的高速旋转、机械搅拌作用下,相较于原来的组织,搅拌区发生变形、破碎、混合而成新的组织。焊接区域宏观组织的光泽存在明暗差异,有较明显的界线,这是由焊缝中组织的构成、形貌、走向等的变化引起的,据此可将焊缝区分为四个组织性能区:焊合区(NZ)、热机影响区(TMAZ)、热影响区(HAZ)、母材(BM)。从图 2 中可以看到前进侧分界线比较清晰,这是因为在加工过程中,搅拌针不断把前进侧发生变形的热机影响区金属带着向前流动,而离搅拌针较远的母材区域的组织由于板材的向前运动,它更加向后变形,2 个区域的组织变形形成了较大的差异,进而出现这种界线分明的现象。相较于前进侧,可以看到在后退侧,这个界线是比较模糊不清的,这是由于该区域内组织变形方式的关系,在后退侧,组织不断被搅拌针带动着向后流动,母材区域由于板材的运动方向也是向后流动,2 个变形方向是相同的,所以其界线就比较模糊不清,从图 2中可以看到,焊接截面整体呈现一个不对称的“碗状”,碗朝上开口,上部面积大,且前进侧的肩轴部分比后退侧长很多。图 2 铝合金经过 700rmin-1与 90mm/min焊接后接头的组织形貌图图 3 是不同焊接工艺下 2 系铝合金焊接接头焊合区的微观组织图。由图可知,前进速度不变时,随旋转速度的增加,材料焊合区的组织更均匀,33第 3 期陈 平:2 系铝合金的搅拌摩擦焊接接头微观组织与力学性能研究晶粒尺寸更为细小;进一步提升前进速度,焊合区的组织更均匀致密。因为前进速度的增加,导致搅拌针和组织之间的摩擦在单位时间内更少,摩擦生热产生的热量减少,热输入量降低引起晶粒吸收热量减少,降低了焊接过程中晶粒的长大发生粗化现象。此外还可看出,焊合区晶粒均为细小的等轴晶,这是因为,在进行搅拌摩擦焊接时,搅拌针会把该区域内的原始的粗大的板条状的柱状晶破碎,同时产生大量的热量,这些热量使得该区域内的晶粒发生动态回复再结晶,生成图 3 中细小的等轴晶。图 3 2 系铝合金焊接接头焊合区的微观组织图图 4 是不同焊接工艺下 2 系铝合金焊接接头前进侧热机影响区的微观组织图。不同焊接工艺下焊接接头的热机影响区不同,这个区域内的组织存在有板条状的粗大组织和细小的等轴晶,从图上可以看出它的晶粒尺寸在逐渐变小,图 4(a)是700rmin-1下的热机影响区的组织,相较于图4(b)的 850rmin-1的热机影响区组织,它的细小等轴晶粒比较少,且粗大的板条组织明显,这是由于旋转速度越大,对于单位时间内焊接接头内组织的机械力的作用越大,晶粒细化更明显。如图4(c)所示,1000rmin-1的板条状的组织比 700rmin-1的更为粗大,等轴晶粒比 1000/min 的分布更多,热输入量高,但它的搅拌破碎作用更强,且对组织的影响高于热输入量,形成了对应的晶粒分布。图 5 是不同焊接工艺下 2 系铝合金焊接接头前进侧热影响区的微观组织图。该区域由于距离搅拌中心较远,只受到热循环作用,不受搅拌针搅拌破碎作用和塑性变形作用,晶粒变化由热量控制。随着搅拌针转速的增加,热影响区的平均晶粒尺寸呈现增大的趋势。当搅拌针转速从 700r图 4 2 系铝合金焊接接头前进侧热机影响区的微观组织图min-1增加到 1000rmin-1时,搅拌针转速的增加改变了焊接过程中搅拌针对板材的热输入,摩擦生热量增多,使得单位时间内搅拌针热输入增大,热量增多,使得热影响区晶粒长大速率提高,有利于促进热影响区晶粒的长大。该区域由于不受塑性变形的影响,该区域的组织基本上不会发生弯曲变形,和轧制态后的母材呈现出一样的平直且平行的条状,只是相较于它发生了粗化,腐蚀性变差,可以看到灰色长大的组织。而 1000rmin-1、100mm/min 下焊接接头的热影响区组织变小,是由于前进速度增加,热输入的时间持续减少,粗化效果较弱。图 5 2 系铝合金焊接接头前进侧热影响区的微观组织图图 6 是不同焊接工艺下 2 系铝合金焊接接头后退侧热机影响区的微观组织图。由图可知,不同焊接工艺下焊接接头后退侧的热机影响区不同,这个区域内的组织存在板条状的粗大组织和细小的等轴晶,从图上可以看出 14 号试样焊接接头后43北 京 印 刷 学 院 学 报2024 年退侧的热机影响区晶粒尺寸在逐渐变小。图 6 2 系铝合金焊接接头后退侧热机影响区的微观组织图图 7 是不同焊接工艺下 2 系铝合金焊接接头后退侧热影响区的微观组织图。该区域与前进侧组织变化基本一致,均是由于距离搅拌中心较远,只受到热循环作用,不受搅拌针搅拌破碎作用和塑性变形作用,晶粒变化由热量控制。随着搅拌针转速的增加,热影响区的平均晶粒尺寸呈现增大的趋势。而 1000rmin-1、100mm/min 下焊接接头的热影响区组织变小,是由于前进速度增加,热输入的时间持续减少,粗化效果较弱。图 7 2 系铝合金焊接接头后退侧热影响区的微观组织图2.2 力学性能图 8 为不同焊接工艺下铝合金搅拌摩擦焊接接头截面中心横向上硬度分布图,从图中可以看到各个区域的硬度是不一样的,但是硬度的分布规律大概遵循一个不对称的“W”型。不同焊接工艺下焊接中心的硬度值偏高。硬度值和该区域的晶粒形态有很大的关系,其中热影响区最低,搅拌焊合区次之,热机影响区在焊合区和热影响区之间,它的硬度值也位于二者之间,该区域存在剪切变形和回复再结晶,因此该区域组织呈现粗大的变形拉长晶粒和少部分细小等轴晶。这是由于搅拌焊接中心受到了搅拌针的高速搅拌作用,原始组织破碎,摩擦产生热量,使得该区域组织发生回复动态再结晶,形成细小的等轴晶;高转速下焊接温度偏高,分散的强化相变得粗大,使得析出的强化效果变差,使得这一区域的硬度比基体低。热影响区因受FSW 加热而仅进行热循环,析出物向非共格态的 相转化,导致析出物的强化效果降低,17同时析出物的晶粒度比焊合区更大,该区域晶粒受热作用发生长大粗化。图 8 不同焊接工艺下铝合金搅拌摩擦焊接接头截面中心横向上硬度分布曲线图 9 为不同搅拌摩擦焊接工艺下铝合金焊接接头的常温拉伸力学性能及断裂位置图。由图 9(a)可以看出,当前进速度不变时,随着旋转速度增大,铝合金焊接接头的抗拉强度也逐渐增大,在旋转速度为 1000rmin-1且前进速度为 80mm/min 时试样获得最大的抗拉强度值为 390MPa,断裂伸长率为 9.1%。这是因为进给速度不变时,加大旋转速度,旋转搅拌的机械作用增强,加工热作用变大,增加热塑性金属材料的流动性,形成质量更好的焊缝,18所以试样抗拉强度逐渐升高且屈服强度也在逐渐增加。1000rmin-1及 100mm/min 下的焊接接头的断裂伸长率为 17.1%、抗拉强度可以达到 410MPa,相 对 于 1000r min-1及80mm/min 下的力学性能指标均得到明显提升。由图 9(b)宏观断口形貌图可知,4 种工艺下试样的拉伸断裂位置均在铝合金的焊接接头处。进一步观察 1 号和 4 号的焊接接头拉伸断口形貌,53第 3 期陈 平:2 系铝合金的搅拌摩擦焊接接头微观组织与力学性能研究图 9 不同搅拌摩擦焊接工艺下铝合金的抗拉强度与断后伸长率变化曲线及断裂位置图如图 10 所示。从图 10(a)中可以看到大量解理台阶,呈现出解理断裂的特征;从图 10(b)可知,搅拌摩擦焊接接头断口分布着高密度大韧窝,呈现出微孔聚集断裂的特征。断口形貌的观察与图 9 的拉伸实验结果相符。在不同的条件下,晶粒的细化和均匀程度不一样,其中 1000rmin-1、100mm/min工艺参数下铝合金的晶粒最为细小均匀,不仅提高了材料强度,同时也提高了韧性。图 10 搅拌摩擦焊接接头的拉伸断口形貌图3 结论本文采用搅拌摩擦焊接技术对 2017 铝合金板材进行焊接,研究了不同焊接工艺对焊接接头的组织、硬度、抗拉强度及延伸率等方面的影响,并深入分析了搅拌摩擦焊接工艺对该系列铝合金焊接接头组织影响规律及力学性能的提升机理。主要结论如下:(1)前进速度不变时,随旋转速度的增加,材料焊合区的组织更均匀,晶粒尺寸更为细小、均匀、致密;焊接接头前进侧与后退侧热机影响区存在有板条状的粗大组织和细小的等轴晶,且晶粒尺寸在逐渐变小;前进侧及后退侧热影响区平均晶粒尺寸随旋转速度增加呈现增大的趋势。1000rmin-1、100mm/min 下焊接接头的热影响区组织变小,是由于前进速度增加,热输入的时间持续减少,粗化效果较弱。(2)焊接接头硬度的分布规律遵循一个不对称的“W”型;其中热影响区最低,搅拌焊合区次之,热机影响区在焊合区和热影响区之间,它的硬度值也位于二者之间。(3)不同焊接工艺下试样的拉伸断裂位置均在铝合金的焊接接头处。当前进速度不变时,随着旋转速度增大,铝合金焊接接头的抗拉强度也逐渐增大,在旋转速度为 1000rmin-1且前进速度为80mm/min 时 试 样 获 得 最 大 的 抗 拉 强 度 值 为390MPa,断裂伸长率为 9.1%。1000rmin-1及100mm/min 下 的 焊 接 接 头 的 断 裂 伸 长 率 为17.1%、抗 拉 强 度 可 以 达 到 410MPa,相 对 于1000rmin-1及 80mm/min 下的力学性能指标均得到明显提升。参考文献:1 宋友宝,李龙,吕金明,等.7xxx 系铝合金焊接研究现状与展望J.中国有色金属学报,2018(3):492-501.2 Dursun T,Soutis C.Recent Developments in Advanced Aircraft Aluminum Alloys J.Materials&Design,2014(56):862-871.3 Fukuda 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through FSW in the specific form of single-sided welding double-sided forming.The tensile machine and micro Vickers hardness tester were used to test the mechanical properties of the samples.The micro-structures of base metal and welded joint were studied with Zeiss metallography and scanning electron microscope.The results showed that microstructure of the nugget zone are more uniform and finer with the increase of the rotation speed.In the heat-mechanics affected zone,there are large plate-like structures and a fine equiaxial crystal,the grain size is gradually decreasing.The average grain size of the heat affected zone showed an increasing trend.The hardness of heat affected zone is the lowest,followed by nugget zone.The tensile fracture position of the samples under different welding processes is all at the welded joint of the aluminum alloy,the fracture of the welded joint shows obvious ductile fracture characteristics.The elongation of FSW joints under 1000rmin-1 and 100mm/min is 17.1%,the tensile strength is 410MPa,the mechanical properties of the welded joint under 1000rmin-1 and 100mm/min are the best.Key words:friction stir welding;2 Aluminum alloy;microstructure;mechanical properties(责任编辑:周宇)73第 3 期陈 平:2 系铝合金的搅拌摩擦焊接接头微观组织与力学性能研究