焊接道次對厚板鋁合金攪拌摩擦焊縫組織性能的影響

鄢江武 ，李寶華 ，唐眾民 ，沈明明

（1.先進(jìn)焊接技術(shù)湖北省重點實驗室，湖北 孝感 432100；2.湖北三江航天紅陽機電有限公司，湖北 孝感 432100）

0 前言

攪拌摩擦焊是英國焊接研究所發(fā)明的一種新型固相連接技術(shù)，適用于鋁、鎂等低熔點合金的連接，尤其適用于高強鋁合金的焊接。攪拌摩擦焊作為一種固相焊接技術(shù)，克服了傳統(tǒng)熔焊方法無法避免的缺陷，如氣孔、裂紋等缺陷[1-2]，因此廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車、船舶等工業(yè)領(lǐng)域中的鋁合金焊接。

2A70是一種高強、耐熱鋁合金，其高溫下有較高的強度，極易生成難熔化合物，因此在高溫下具有較高的強度和抗蠕變性能。采用傳統(tǒng)熔焊方法，焊接過程中易促進(jìn)大量析出相，導(dǎo)致焊縫強度較差，且工件變形不易控制。攪拌摩擦焊由于在焊接過程中材料未達(dá)到熔化狀態(tài)，因此可以有效控制析出相的數(shù)量，且在焊接過程中材料發(fā)生劇烈塑性變形，可有效碎化析出相，達(dá)到增強焊縫的目的。雖然攪拌摩擦焊接過程未達(dá)到熔化狀態(tài)，但其溫度也足以促進(jìn)合金相的析出。析出相與焊接過程中的塑性變形之間的關(guān)系，目前還沒有針對2A70的相關(guān)研究報道。

本研究采用16mm厚的2A70-T6鋁合金對搭接接頭的焊縫結(jié)構(gòu)進(jìn)行多道次攪拌摩擦焊試驗，通過測試分析焊縫顯微組織和機械性能，研究焊接道次對焊縫組織性能的影響。

1 實驗材料和方法

選用2A70-T6鋁合金板材，搭接板尺寸分別為500 mm×100 mm×16 mm，被搭接板尺寸為500 mm×100 mm×30 mm，并在30 mm的厚板上加工20 mm×16 mm的搭接邊，如圖1所示。試板首先經(jīng)過堿洗處理，焊前用丙酮或酒精擦洗試板搭接處。采用由北京賽福斯特技術(shù)有限公司生產(chǎn)的型號為FSW-3LM-006的攪拌摩擦焊接設(shè)備進(jìn)行焊接，轉(zhuǎn)速400 r/min、焊速150 mm/min。在相同的焊接參數(shù)下，對三對試板進(jìn)行不同道次的焊接，焊接完畢后對焊縫進(jìn)行微觀組織觀察和力學(xué)性能測試。

2 實驗結(jié)果和分析

2.1 焊縫橫截面宏觀形貌

旋轉(zhuǎn)速度400 r/min、焊接速度150 mm/min時，不同焊接道次的焊縫橫截面形貌如圖2所示，其中AS（Advancing Side）表示前進(jìn)側(cè)、RS（Retreating Side）表示后退側(cè)。圖2a為一次焊接后的宏觀形貌，可以看出焊核區(qū)域并沒有形成清晰的洋蔥環(huán)形貌特征，塑性金屬在焊縫厚度方向上流動充分，焊縫組織優(yōu)良。圖2b和圖2c分別是二次和三次焊接后的截面形貌，隨著焊接道次的增多，靠近前進(jìn)側(cè)的熱影響區(qū)寬度逐漸增大，在靠近前進(jìn)側(cè)的上表面出現(xiàn)內(nèi)部孔洞缺陷，如圖2d所示。

圖1 搭接試板示意

圖2 焊縫橫截面形貌

2.2 焊縫微觀組織形貌

圖3a為前進(jìn)側(cè)的熱影響區(qū)與焊核區(qū)之間的過渡區(qū)，微觀組織形貌變化劇烈，過渡區(qū)內(nèi)塑性金屬呈現(xiàn)拉長流線狀形貌，焊核區(qū)晶粒細(xì)小。圖3b為后退側(cè)熱影響區(qū)與焊核之間的過渡區(qū)微觀形貌，由焊核區(qū)細(xì)小晶粒逐漸過渡至母材粗大晶粒的分布結(jié)構(gòu)，過渡區(qū)的變形程度較前進(jìn)側(cè)顯著減弱。圖3c為母材組織，主要由基體 α 相（Al）和強化 S相（CuMgAl2）組成，其中S相以顆粒狀分布在α相內(nèi)，微觀組織表現(xiàn)為粗大、不均勻的等軸晶粒，晶粒大小約為12 μm。圖3d為一次焊接后焊核區(qū)微觀組織形貌，可以看出焊核晶粒細(xì)小，約為5 m，且分布均勻；這是由于在焊接過程中，處于焊核區(qū)的金屬在攪拌頭旋轉(zhuǎn)攪拌和摩擦熱的作用下發(fā)生了劇烈塑性變形和動態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象，導(dǎo)致粗大晶粒破碎并產(chǎn)生細(xì)小等軸狀再結(jié)晶晶粒；此外，經(jīng)劇烈變形后，S相經(jīng)攪拌后呈彌散分析。圖3e和圖3f分別為二道次和三道次焊后的焊核組織，由圖中可以看出，隨著焊接道次的增加，晶粒逐漸增大，且S相偏聚于晶界處；其中，經(jīng)三道次焊后，焊核區(qū)晶界逐漸模糊不清，晶界處出現(xiàn)大量、粗大的強化相。

圖3 焊縫顯微組織金相

在攪拌摩擦焊接過程中，焊核區(qū)微觀組織形貌主要由熱輸入量決定。隨著焊接道次的增加，焊核內(nèi)晶粒經(jīng)過多次重復(fù)的熱循環(huán)，大大增加了焊接熱輸入量，焊縫金屬在攪拌頭的旋轉(zhuǎn)攪拌作用下發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，重新形核并長大。根據(jù)晶粒長大動力學(xué)[4]有

式中 Dr為恒溫下保溫τ時間后的晶粒平均直徑；A0為常數(shù)；Q為晶界遷移激活能；T為絕對溫度；R為氣體常數(shù)。因此，隨著焊接道次隨著焊接次數(shù)的增多，焊核區(qū)再結(jié)晶晶粒受到的熱量增加，晶粒長大的趨勢顯著，并出現(xiàn)過燒的組織特征。

2.3 機械性能測試

為了進(jìn)一步研究焊接道次對焊縫機械性能的影響，將經(jīng)過不同焊接道次的試板跨焊縫加工成拉伸試樣，并進(jìn)行拉伸測試，測試結(jié)果如表1所示。由表1可知，經(jīng)過一道次焊接后，焊縫的抗拉強度為355.5MPa、屈服強度為260.7MPa、延伸率為6.5%；隨著焊接道次的增加，焊縫的抗拉強度、屈服強度和延伸率均表現(xiàn)為逐漸減小。這是因為隨著焊接道次的增加，晶粒逐漸長大，且大量固溶強化相處以大量粗大的析出相分布在晶界處，焊核區(qū)組織表現(xiàn)為過燒特征。當(dāng)拉伸試樣在軸向拉應(yīng)力的作用下沿晶界處斷裂，因此，隨著焊接次數(shù)的增多，焊縫的抗拉強度、屈服強度和延伸率均降低。

3 結(jié)論

（1）對于16 mm厚2A70-T6鋁合金搭接接頭的焊縫，采用轉(zhuǎn)速400 r/min、焊速150 mm/min一道次焊后，可獲得高質(zhì)量焊接接頭，抗拉強度355.5MPa。

（2）隨著焊接道次的增加，焊縫熱輸入量的增加，焊縫內(nèi)部出現(xiàn)空洞型缺陷，焊核區(qū)晶粒顯著長大，且晶界處聚集大量的析出相，并表現(xiàn)為過燒的組織特征。

（3）隨著焊接道次的增加，焊接接頭的抗拉強度、屈服強度和延伸率均逐漸降低。

表1 焊縫經(jīng)不同焊接次數(shù)的機械性能

[1]Thomas W，Dawes C，Gittos M，et al.Friction Stir-where We Are，and Where We are Going[J].TWI Bulletin，1998（5－6）：44-50.

[2]Thomas W M，Nicholas E D.Friction Stir Welding for the Transportation Industries.Materials&Design，1997（18）：269-273.

[3]劉 芳，單德彬，呂 炎.基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的2A70鋁合金形變顯微組織預(yù)測[J].上海理工大學(xué)學(xué)報，2008，4（30）：395-399.

[4]胡德林.金屬學(xué)原理[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1995：283-288.