2219鋁合金無傾角式攪拌摩擦焊接頭組織性能*

上海航天設(shè)備制造總廠 趙慧慧 李 穎 封小松 熊艷艷 胡 藍(lán) 郭立杰

攪拌摩擦焊(FSW)是英國(guó)焊接研究所(TWI)發(fā)明的新型固相連接方法[1]，具有熱輸入低、焊接變形小、焊接缺陷少、力學(xué)性能好、無需焊接填充材料等優(yōu)點(diǎn)[2-3]。該方法應(yīng)用范圍廣泛，包括鋁、鎂合金以及傳統(tǒng)熔化焊難以焊接的材料，甚至可適用于異種金屬的焊接[4-9]，其應(yīng)用能夠極大地提高構(gòu)件的可靠性和制造精度。

攪拌摩擦焊技術(shù)在航天關(guān)鍵構(gòu)件的制造中具有相當(dāng)重要的地位。在國(guó)際航天領(lǐng)域中，攪拌摩擦焊固相連接技術(shù)應(yīng)用廣泛，如美國(guó)波音公司、洛克希德·馬丁公司、NASA等[10]。目前，攪拌摩擦焊設(shè)備正逐漸朝著小型化和便攜式方向不斷發(fā)展。其中一種可行的技術(shù)方案就是實(shí)現(xiàn)無傾角式焊接，該方法目前是攪拌摩擦焊領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一。傳統(tǒng)攪拌摩擦焊焊接過程是以有傾角的方式實(shí)現(xiàn)的，攪拌工具時(shí)刻與工件表面法向保持2°～5°傾角并沿焊縫的切線方向進(jìn)行跟隨；除了機(jī)床本身X、Y、Z3個(gè)軸以外，設(shè)備還需實(shí)現(xiàn)傾角軸和周向隨動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)。傾角的存在使攪拌工具前方材料可以進(jìn)入工具軸肩下方而被拘束，使攪拌摩擦焊接過程得以實(shí)現(xiàn)。采用無傾角方式無需傾角軸和周向隨動(dòng)C軸，僅僅基于三軸聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)就可以實(shí)現(xiàn)攪拌摩擦焊過程，不僅大大降低了設(shè)備的復(fù)雜程度，而且對(duì)提高設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性也具有極其重要的意義。英國(guó)焊接研究所TWI開發(fā)出多種無傾角式攪拌摩擦焊工具，通過試驗(yàn)證明，該方法能夠獲得良好的表面成形和焊接質(zhì)量[11]。此外，美國(guó)MTI、德國(guó)瑪雅、韓國(guó)Taekwang Tech.等多家機(jī)構(gòu)也開展了無傾角攪拌摩擦焊方面的相關(guān)研究。

文中針對(duì)2mm厚2219鋁合金，對(duì)基于三軸聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)的無傾角攪拌摩擦焊過程進(jìn)行研究，包括接頭截面宏觀、微觀組織分布特點(diǎn)等，并分析了接頭力學(xué)性能以及顯微硬度分布規(guī)律。

1 試驗(yàn)方法

2219鋁合金是Al-Cu-Mn系析出強(qiáng)化型鋁合金，焊接性能良好，廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。主要合金元素含量如表1所示。進(jìn)行了2mm厚2219鋁合金無傾角搭接焊接試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)為：主軸轉(zhuǎn)速1000 r/min，焊速400mm/min，主軸轉(zhuǎn)速 1200 r/min，焊速 400mm/min。

表1 2219主要合金元素含量%

攪拌摩擦焊工具材料選擇了熱強(qiáng)性、紅硬性和耐磨性高的熱作模具鋼H13。焊接后采用X光無損檢測(cè)方法對(duì)2mm厚2219鋁合金搭接接頭進(jìn)行了檢測(cè)，并對(duì)缺陷進(jìn)行分析；采用金相顯微鏡對(duì)截面微觀組織形貌進(jìn)行研究；并對(duì)無傾角攪拌摩擦焊搭接試樣進(jìn)行了拉伸剪切試驗(yàn)，在AET-100K電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)(100kN)上進(jìn)行測(cè)試，加載速度5 mm/min。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 無傾角攪拌摩擦焊接頭缺陷分析

當(dāng)采用傳統(tǒng)內(nèi)凹式攪拌頭進(jìn)行無傾角焊接試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)焊接缺陷都發(fā)生在前進(jìn)側(cè)軸肩影響區(qū)和焊核區(qū)交界處，如圖1所示。這是由于傳統(tǒng)攪拌頭在焊接過程中，攪拌針向下轉(zhuǎn)移材料，上部出現(xiàn)材料缺失，軸肩對(duì)金屬的頂鍛力減小，轉(zhuǎn)移金屬的能力降低，不足以彌補(bǔ)攪拌針上部出現(xiàn)的材料缺失，最終形成圖示缺陷，更為嚴(yán)重的是形成表面溝槽，如圖2所示。因此，要實(shí)現(xiàn)無傾角焊接，必須要增加軸肩作用。

圖1 無傾角焊接缺陷Fig.1 Flaws of zero-tilt FSW

圖2 無傾角焊接表面溝槽缺陷Fig.2 Groove flaws of zero-tilt FSW

采用錐形軸肩攪拌工具，同時(shí)在軸肩上設(shè)計(jì)了內(nèi)聚式花紋，對(duì)材料進(jìn)行內(nèi)聚，攪拌工具如圖3所示。兩條焊縫外觀都非常光滑、美觀，沒有出現(xiàn)溝槽(如圖4所示)。但如果軸向壓入量不足時(shí)，例如上面焊縫壓入量不足，頂鍛力不夠，焊縫較下面的質(zhì)量良好的焊縫稍窄，經(jīng)X光無損檢測(cè)，得到如圖5的前進(jìn)側(cè)缺陷。上述現(xiàn)象說明，對(duì)于無傾角焊接方法，即使在比較特殊的情況下，如當(dāng)壓入量不足，甚至軸肩沒有完全壓入母材時(shí)，也能形成表面光滑的焊縫，焊縫表面無飛邊，外觀完整，且不會(huì)產(chǎn)生表面犁溝與表面裂紋等缺陷，但易于在焊縫內(nèi)部產(chǎn)生缺陷，嚴(yán)重的會(huì)產(chǎn)生隧道缺陷。因此，必須采用足夠的壓入量，對(duì)焊縫材料進(jìn)行頂鍛壓實(shí)。

2.2 無傾角攪拌摩擦焊成形

圖3 無傾角攪拌摩擦焊工具Fig.3 Zero-tilt FSW tool

圖4 焊縫外觀Fig.4 Weld appearance

圖5 無傾角焊接隧道缺陷Fig.5 Tunnel flaws of zero-tilt FSW

當(dāng)采用錐形軸肩無傾角攪拌焊方法焊接厚度2mm的2219鋁合金搭接接頭，壓入量采用0.15mm，典型的焊縫外觀如圖6所示得到。經(jīng)過X光無損檢測(cè)，焊縫表面及內(nèi)部質(zhì)量良好，無表面溝槽和隧道等缺陷產(chǎn)生。

圖6 2mm 2219鋁合金搭接無傾角攪拌摩擦焊接頭典型外觀Fig.6 Typical appearance of zero-tilt FSW overlap joints of 2219 Al-alloy with 2mm thickness

2.3 無傾角攪拌摩擦焊接頭組織性能分析

攪拌摩擦焊焊縫為非對(duì)稱性焊縫，可分為前進(jìn)側(cè)、后退側(cè)兩個(gè)部分。圖7所示為典型的2mm厚2219鋁合金無傾角攪拌摩擦焊搭接接頭形貌，接頭區(qū)域可分為焊核區(qū)、軸肩影響區(qū)、熱機(jī)影響區(qū)與熱影響區(qū)。焊核區(qū)位于焊縫中心；軸肩影響區(qū)位于焊縫上表面附近；熱機(jī)影響區(qū)位于焊核區(qū)外側(cè)，既受到熱作用的影響又受到機(jī)械攪拌作用的影響而使晶粒拉長(zhǎng)、變形；熱影響區(qū)位于熱機(jī)影響區(qū)外側(cè)，只受到熱作用的影響而使晶粒發(fā)生長(zhǎng)大，呈現(xiàn)與母材不同的形態(tài)。Hook在前進(jìn)側(cè)呈現(xiàn)先向上后向下，指向焊核區(qū)紋路的紋路特征，而在后退側(cè)呈現(xiàn)了向上彎曲的鉤狀紋路。搭接接頭Hook結(jié)構(gòu)較為嚴(yán)重的，會(huì)減小搭接接頭的承力面積。

圖7 2mm厚 2219鋁合金無傾角攪拌摩擦焊搭接接頭形貌Fig.7 Macrostructure photographs of zero-tilt FSW overlap joints of 2219 Al-alloy with 2mm thickness

圖8所示為2219鋁合金FSW接頭各區(qū)域微觀組織形貌。母材的主要相組成為α固溶體、θ相(CuAl2)和 T相(CuMn2Al2)[12]。由圖 8(a)可以看到母材為板條組織，在母材的晶界和晶內(nèi)存在大量的強(qiáng)化相，焊前母材晶粒細(xì)長(zhǎng)。焊核區(qū)受到焊接熱循環(huán)及攪拌雙重作用，形態(tài)發(fā)生明顯變化(如圖8(b)所示)。在攪拌摩擦焊接過程中，攪拌頭與工件之間產(chǎn)生大量的熱，使周圍金屬塑化并充分流動(dòng)，位錯(cuò)在力的作用下密度不斷增加，當(dāng)儲(chǔ)存能增加到一定程度，足夠發(fā)生再結(jié)晶時(shí)，金屬內(nèi)便不斷形成晶核，使組織發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，轉(zhuǎn)變成等軸再結(jié)晶組織，晶粒均勻細(xì)小。圖8(c)所示為2219鋁合金攪拌摩擦焊接接頭軸肩影響區(qū)的晶粒組織。軸肩影響區(qū)是在焊接過程中受軸肩影響最大的區(qū)域，位于焊核區(qū)上面，其組織也是由細(xì)小的等軸晶組成。攪拌摩擦焊過程中，軸肩與母材摩擦產(chǎn)生大量的熱，使軸肩擠壓區(qū)的材料達(dá)到塑性狀態(tài)。雖然軸肩擠壓區(qū)材料一般距離攪拌針較遠(yuǎn)，受攪拌針攪拌作用較弱，但要受到軸肩巨大的頂鍛壓力和大線速度的攪拌作用，而且由于靠近焊縫上表面，散熱條件非常好，因此該區(qū)域塑性變形材料發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶后，晶粒來不及長(zhǎng)大就形成了等軸、細(xì)小的晶粒。熱機(jī)影響區(qū)組織在焊接過程中同時(shí)受到攪拌針的機(jī)械攪拌和焊接熱循環(huán)的雙重作用，但由于熱機(jī)影響區(qū)距離攪拌針較遠(yuǎn)，受到的攪拌作用遠(yuǎn)小于焊核區(qū)組織這部分材料發(fā)生了較大程度的彎曲變形，組織有被明顯拉長(zhǎng)的跡象(如圖8(d)所示)。熱影響區(qū)微觀組織如圖8(e)所示，由于在焊接過程中沒有受到攪拌作用，但是受到熱作用，晶粒明顯粗大，但仍保留了板條狀組織的特征。圖8(f)是焊縫中心焊核區(qū)形成的一系列同心圓環(huán)狀結(jié)構(gòu)，形狀類似于“洋蔥環(huán)”。

圖8 2219鋁合金FSW接頭微觀組織Fig.8 Microstructure photographs of 2219 Al-alloy joints of FSW

2mm厚鋁合金2219試板搭接接頭拉伸剪切試驗(yàn)試樣尺寸如圖9所示，力學(xué)性能數(shù)據(jù)見表2，以其搭接接頭抗拉剪力為接頭抗拉性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。母材承受拉伸力平均值為7438N，焊接接頭的拉伸剪切抗力平均值為5630N，與母材平均抗拉力比值平均為75.7%。

圖9 2219鋁合金接頭拉伸剪切試驗(yàn)試樣(mm)Fig.9 Tensile and shear test sample of 2219 Al-alloy joints(mm)

表2 2219(2mm)接頭拉剪力學(xué)性能

2.4 無傾角攪拌摩擦焊曲線焊縫應(yīng)用

使用同種無傾角攪拌頭進(jìn)行了平面曲線焊縫攪拌摩擦焊研究，以檢測(cè)無傾角焊接方法對(duì)曲線焊縫的適應(yīng)性，選用的試驗(yàn)參數(shù)為：主軸旋轉(zhuǎn)速度1000r/min，焊接速度為400mm/min。焊接的曲線焊縫實(shí)物有四邊形和S形，如圖10所示。經(jīng)X光無損檢測(cè)，焊縫表面及內(nèi)部質(zhì)量良好無缺陷，證明了無傾角焊接方法對(duì)曲線焊縫的適應(yīng)性。

無傾角攪拌摩擦焊方法將設(shè)備要求從五軸四聯(lián)動(dòng)降為三軸聯(lián)動(dòng)，大大簡(jiǎn)化了設(shè)備復(fù)雜性，而且對(duì)空間三維曲線焊縫具有較大的應(yīng)用潛力。

圖10 曲線焊縫Fig.10 Curve welding seam

3 結(jié)論

(1)基于三軸聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了2mm鋁合金2219無傾角攪拌摩擦焊過程，焊縫外觀及內(nèi)部質(zhì)量良好。

(2)焊接接頭分為焊核區(qū)、軸肩影響區(qū)、熱力影響區(qū)、熱影響區(qū)、母材；搭接界面處仍保留Hook現(xiàn)象，在前進(jìn)側(cè)呈現(xiàn)先向上后向下、指向焊核區(qū)的紋路特征，而后退側(cè)呈現(xiàn)了向上彎曲的鉤狀紋路。

(3) 2mm厚鋁合金2219無傾角式攪拌摩擦焊焊搭接接頭拉伸剪切抗力平均為5630N，與母材平均抗拉力比值平均為75.7%；且通過試驗(yàn)證明了無傾角焊接方法對(duì)曲線焊縫的適應(yīng)性，對(duì)空間三維曲線焊縫具有較大的應(yīng)用潛力。

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