自然時效對Al-Zn-Mg合金攪拌摩擦焊接頭顯微硬度與殘余應力影響 *

路 浩, 韓 佩, 梁志敏, 邢立偉

(1. 西安石油大學 材料科學與工程學院，西安 710065；2. 河北科技大學，石家莊 050000)

0 引言

由于攪拌摩擦焊接工藝(FSW)有著接頭強度高、缺陷低及應力變小等方面的優(yōu)勢，且攪拌摩擦焊工藝無需填充材料，致使焊接溫度較低，從而避免了裂紋、氣孔、偏析等熔化焊常見的焊接性難題。因此，F(xiàn)SW在工業(yè)中得到了迅速應用。在國外，攪拌摩擦焊接技術(shù)最早在航天工業(yè)開始大規(guī)模應用。在2000年左右，國內(nèi)航天等軍工行業(yè)開始嘗試應用這項技術(shù)，如用于運載火箭儲箱、雷達散熱裝置等；而此時歐洲、日本等就開始把FSW工藝應用于軌道車輛工業(yè)。近幾年，國內(nèi)軌道車輛行業(yè)已嘗試采用這一工藝生產(chǎn)高速動車車體大部件、關(guān)鍵承載部件[1-6]。

FSW工藝現(xiàn)有工藝評定、質(zhì)量驗收、焊縫檢測主要借用或依據(jù)弧焊標準轉(zhuǎn)化來的企業(yè)標準；攪拌摩擦焊接方法與弧焊存在本質(zhì)不同，針對攪拌摩擦焊接方法的特殊性認識在很多方面需要進一步提升。特別是長期服役運行的攪拌焊結(jié)構(gòu)，現(xiàn)有的質(zhì)量、性能評價標準和驗證方法不能滿足長期運行的技術(shù)需求。

高強鋁合金攪拌摩擦焊結(jié)構(gòu)長期服役的性能演變基礎(chǔ)研究需進一步加強。由于強拘束影響，攪拌摩擦焊接結(jié)構(gòu)的殘余應力水平仍舊較高，高強鋁合金作為時效強化輕合金，產(chǎn)品隨服役時間、服役環(huán)境、工作載荷變化發(fā)生的結(jié)構(gòu)性能變化是需研究的重要方向。

針對以上問題，本文結(jié)合鋁合金攪拌摩擦焊接的特征，針對Al-Zn-Mg系T4態(tài)鋁合金材料，測試分析焊后隨時效變化的殘余應力分布、硬度變化、焊縫及兩側(cè)極化曲線。結(jié)合實際生產(chǎn)中，攪拌摩擦焊接缺欠特征及位置概率，分析接頭硬度、組織特征與攪拌摩擦焊接接頭電化學測試結(jié)果關(guān)系，觀察隨時間變化引起的性能變化，對應力回升引起的應力腐蝕風險等工藝風險性進行了預測。對攪拌摩擦焊接工藝風險性、焊接頭設(shè)計原則、結(jié)構(gòu)優(yōu)化提出了建議，對認識和規(guī)范攪拌摩擦焊接生產(chǎn)、優(yōu)化長期運行攪拌摩擦焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計、保障產(chǎn)品質(zhì)量具有重要的理論研究指導及工程價值。

1 攪拌摩擦焊接特殊工藝性

1.1 攪拌焊金屬流動特點

近年來，日本大阪大學結(jié)合研究所致力于焊接過程可視化研究，再摩擦焊塑性流動可視化研究中使用W 同位素顯示FSW 塑性流動，配合大功率X射線裝置及高速攝像，實現(xiàn)了攪拌摩擦焊的三維塑性流動可視化，如圖1所示。試驗證明，攪拌頭周圍的金屬流動呈現(xiàn)左右不對稱；同時，由于實際焊接工藝攪拌頭的前傾角，流場前后不對稱，因此將導致攪拌摩擦焊整體溫度場不對稱，縱向殘余應力不對稱。

(a)三維流動可視化研究方法

(b) 示蹤粒子流動規(guī)律

1.2 攪拌摩擦焊技術(shù)特征

攪拌摩擦焊接方法與弧焊方法存在本質(zhì)不同，總結(jié)在以下幾方面：

(1)攪拌摩擦焊對型材精度、型材結(jié)構(gòu)設(shè)計要求高。攪拌焊對型材的精度要求高，焊接接頭背部支持強度，對型材結(jié)構(gòu)或工裝有一定要求，對材料的裝配精度要求高?；『笇ρb配間隙有一定容忍能力。

(2)攪拌焊接頭設(shè)計的差異。焊縫金屬流動的不對稱性，接頭兩側(cè)不對稱的應力、溫度、流動；接頭設(shè)計需要考慮裝夾及設(shè)備能力。

(3)攪拌頭的原材料、加工制造能力的差異。攪拌頭承受較高溫度，焊接中保證一定的耐熱變形能力。螺紋、軸肩的多樣，使得實際焊接工藝參數(shù)制定多樣化，因攪拌類型不同而差異較大。

(4)設(shè)備控制能力、壓力、跟蹤的差異。不同攪拌摩擦焊接設(shè)備的恒壓力、多維曲線，高速、高精、數(shù)控系統(tǒng)、電機控制能力等不同，對攪拌摩擦焊接的穩(wěn)定性及接頭性能影響顯著。

(5)相關(guān)標準的不足。攪拌摩擦焊接的體系標準制定、發(fā)展相對弧焊時間較短，目前形成的國際標準較為寬泛，指導實際生產(chǎn)存在一定的風險。

ISO 25239這一國際標準的起草專家來自英、美、德等技術(shù)先進的國家，考慮全球的技術(shù)發(fā)展不平衡，標準條款規(guī)定在保證有指導性的前提下，在一些技術(shù)要求方面適當放寬，包容性強。但各國的行業(yè)標準根據(jù)自身工業(yè)發(fā)展的特點、基礎(chǔ)加以不同的規(guī)定，其他國家硬搬參照并不適用。如美國AWSD17.3標準應用航空行業(yè)，由于其基礎(chǔ)材料工業(yè)發(fā)達，因此對缺陷的容忍度也低[7-11]。

2 試驗材料及方法

本文試驗采用橫壓力控制的進口靜龍門攪拌摩擦焊機及進口攪拌頭，選用某系鋁合金母材，熱處理狀態(tài)為T4，板厚6 mm，試驗中焊接接頭類型為對接接頭(BW)，在平焊(PA)位置施焊。焊接工藝經(jīng)過嚴格的工藝評定，焊接試板經(jīng)VT、PT、RT、拉伸、彎曲、宏觀斷面和微觀檢驗全部合格，采用最優(yōu)的焊接工藝參數(shù)。

焊接殘余應力的測量采用在鋁合金材料中得到廣泛應用的超聲波法[12]，金相觀察采用彩色金相腐蝕技術(shù)。硬度測試等按照GB/T 2654—2008進行操作。

使用型號為PS-268A的化學工作站進行電化學測試。采用三電極體系，工作電極為封裝好的鋁合金試樣，輔助電極為石墨，以飽和甘汞電極(SCE)作為參比電極，溶液為3.5%NaCl溶液，約500 ml。依次測量鋁合金的開路電位、交流阻抗和極化曲線。

3 自然時效對焊縫接頭的影響

3.1 焊縫組織

攪拌摩擦焊焊接接頭組織大致可分成：(1)母材區(qū)(BM)，沒有熱變形和熱影響；(2)熱影響區(qū)(HAZ)，在這個區(qū)域材料只受到了熱影響，沒有受到機械影響，微觀組織和性能也發(fā)生了改變；(3)熱機影響區(qū)(TMAZ)，這個區(qū)域受到了很強的機械影響，產(chǎn)生了塑性變形；(4)焊核(NZ)，焊核區(qū)域是最接近攪拌頭與軸肩的位置，結(jié)構(gòu)有很大的變化。

焊核區(qū)受到攪拌頭攪拌針及其軸肩強烈的攪拌和摩擦作用，整個區(qū)域經(jīng)歷了較高溫度的熱循環(huán)過程，整體組織發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，組織形貌大體由原始板條狀轉(zhuǎn)變?yōu)榧毿〉容S再結(jié)晶組織。熱作用在焊核整體區(qū)域并不均勻。焊接過程中，材料在攪拌頭的機械攪拌作用和熱作用下發(fā)生塑形流動，不同區(qū)域之間存在速度、粘性梯度，其流動速度和方向隨時間和位置的不同而發(fā)生復雜變化，得到的焊核區(qū)不同部位晶粒大小不同。

焊縫組織分布的特點：靠近前進側(cè)(AS)的焊核區(qū)晶粒比靠近后退側(cè)(RS)的晶粒大。距離軸肩較近的上表面部位晶粒比焊核區(qū)中心部位晶粒大，靠近前進側(cè)晶粒的尺寸比焊核區(qū)中心部位和靠近后退側(cè)晶粒尺寸大，如圖2所示。在焊核(NZ)、攪拌頭軸肩下方區(qū)域、熱機影響區(qū)(TMAZ)三區(qū)交界區(qū)域，攪拌針根部等流動性差的區(qū)域易形成孔洞型缺陷。

(a)接頭分區(qū)示意圖

(b)焊核區(qū)后退側(cè) (c)焊核區(qū)中心

(d)焊核區(qū)前進側(cè) (e) 焊核前進側(cè)近上表面

3.2 焊接接頭硬度

焊接接頭的顯微硬度試驗結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，顯微硬度在焊后1個月內(nèi)提升明顯，但從焊后1～3個月內(nèi)提升緩慢。

由于焊核區(qū)發(fā)生時效后，晶界的析出相出現(xiàn)偏聚現(xiàn)象，析出相強化效果表現(xiàn)的還是較為顯著，硬度上升。但隨著晶界析出相增多，導致晶界脆性增加，使得接頭塑性有所下降。

(a)距上表面2 mm處

(b)距下表面2 mm處

熱影響區(qū)發(fā)生時效后，硬度試驗發(fā)現(xiàn)距焊縫中心30 mm處熱影響區(qū)的硬度值最低，使得斷裂位置出現(xiàn)在距焊縫中心30 mm處的熱影響區(qū)位置。熱影響區(qū)內(nèi)析出相粗化和其晶界區(qū)內(nèi)析出相的貧瘠，使得此處強化效果并不顯著。拉伸試驗數(shù)據(jù)也表明，時效后接頭斷后伸長率有一定程度的下降。

3.3 焊接殘余應力

使用超聲法對攪拌焊接試板中心線縱向殘余應力的測試結(jié)果如圖4所示。隨著自然時效的發(fā)展，試板正面、背面近縫區(qū)的殘余應力值有所上升，最大升值達30 MPa左右。同時，由于攪拌摩擦焊的三維塑性流動的不對稱性，前進側(cè)殘余應力值呈高于退出側(cè)殘余應力值，其焊縫兩側(cè)的縱向殘余應力分布表現(xiàn)不對稱。

傳統(tǒng)觀點認為，攪拌摩擦焊接熱輸入低，殘余應力低于弧焊方法。這一認識存在嚴重誤區(qū)，因其未認識到攪拌摩擦焊與電弧弧焊殘余應力形成的機理并不完全相同。

由于無填充金屬材料、總體熱輸入相對較低，攪拌焊接在一般焊接條件下相對弧焊的焊接變形較低。但攪拌摩擦焊過程中被焊產(chǎn)品存在很強的剛性固定、工裝拘束，同時攪拌頭對焊接接頭部位存在較大下壓力，整體拘束度很大，焊塑性變形在強拘束度下發(fā)生，攪拌摩擦焊接工藝的殘余應力峰值不一定低，殘余應力場的分布也和弧焊表現(xiàn)出差異。

(a)工件正面

(b)工件背面

對于受拘束體在熱循環(huán)中的應力變形演變過程分析，出現(xiàn)壓縮塑性應變的臨界溫度為

式中E為彈性模量；α為線膨脹系數(shù)；σs屈服極限；T為出現(xiàn)壓縮塑性應變臨界溫度。

對于受拘束鋁合金構(gòu)件，經(jīng)計算鋁合金在150 ℃左右開始出現(xiàn)壓縮塑性應變，此溫度即臨界殘余應力溫度。

實際焊接中，攪拌焊接攪拌頭附近溫度峰值可達500 ℃甚至更高[13-14]。同時，攪拌針周圍的金屬承受軸肩對工件很大的壓力，金屬在強拘束狀態(tài)下發(fā)生塑性軟化、演變。因此，其焊接殘余應力不低于弧焊。

考慮到金屬處于半固態(tài)時粘性、模量、屈服強度的變化，對攪拌頭周圍的縱向、橫向、垂向力處于周期性的波動之中，其殘余應力形成仍缺乏嚴格的數(shù)學模型進行描述。

因此，在長期服役的攪拌摩擦焊產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應考慮上述現(xiàn)象，建議采取以下措施：(1)結(jié)構(gòu)為弧焊焊縫和攪拌焊焊縫組合設(shè)計時，應注意攪拌焊縫隨時效應力變化引起的結(jié)構(gòu)應力變化，合理安排焊縫布置、間距、焊縫交叉設(shè)計等。(2)合理布置攪拌摩擦焊縫的退出側(cè)、前進側(cè)位置，有效抵御攪拌后兩側(cè)的應力、缺陷、性能不對稱性。

3.4 極化曲線測試及分析

攪拌摩擦焊接接頭的極化曲線測試如圖5所示。熱影響區(qū)試樣的自腐蝕電位最低，為-689 mV；焊縫區(qū)去除魚鱗紋前后的自腐蝕電位較為接近，去除魚鱗紋前為-609 mV，去除魚鱗紋之后為-567 mV；母材試樣的自腐蝕電位最高，為-446 mV。因此，4種試樣的腐蝕電位之間的關(guān)系為Ecorr(母材)>Ecorr(去魚鱗紋焊縫)>Ecorr(焊縫)>Ecorr(熱影響區(qū))，合金的電位越正，其耐腐蝕性能越好，即母材耐腐蝕性最好，熱影響區(qū)耐腐蝕性最差，對于焊縫來說去除表面魚鱗紋有利于增強其抗腐蝕性能。在不去除表面氧化膜的情況下，熱影響區(qū)耐腐蝕性最差，母材耐腐蝕性最好。

圖5 接頭不同部位極化曲線

試樣極化曲線都存在一個較為明顯的鈍化區(qū)域，且此區(qū)域的電流密度維持在一個較為穩(wěn)定的狀態(tài)，不隨電位的增加而明顯爬升，如圖5所示。此時，合金表面的鈍化層對合金基體起到一定的保護作用。當電位增加到一定程度時，鈍化膜的保護作用被破壞，腐蝕加速，合金陽極溶解電流突然變大，原因是達到某點時合金表面開始發(fā)生點蝕反應。

綜上所述，組織、硬度等結(jié)果，殘余應力的回升現(xiàn)象，前進側(cè)的熱影響區(qū)距離軸肩較近的上表面部位晶粒比焊核區(qū)中心部位晶粒大，將成為耐應力腐蝕的薄弱區(qū)域，也成為攪拌焊關(guān)鍵承載部件的薄弱區(qū)域，應當引起足夠的注意。因此，在長期服役的攪拌摩擦焊產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應考慮上述現(xiàn)象，在攪拌焊接接頭較為薄弱區(qū)域采取有效防腐措施，合理設(shè)計結(jié)構(gòu)形狀，避免腐蝕液體的長期積存；或采取機械加工措施，銑削一定厚度的表面材料。

4 結(jié)論

(1)攪拌摩擦焊接攪拌頭周圍的金屬流動呈左右不對稱，同時由于攪拌頭的前傾，流場前后不對稱，因此導致攪拌摩擦焊整體溫度場不對稱，縱向殘余應力不對稱，后退側(cè)較前進側(cè)流動性差，孔洞型缺陷率高。

(2)攪拌摩擦焊接接頭前進側(cè)相對后退側(cè)晶粒較大，溫度峰值高，殘余應力高，在自然時效過程中，焊縫兩側(cè)的殘余應力逐漸升高，前進側(cè)的熱影響區(qū)成為薄弱區(qū)域。

(3)隨著自然時效的進行，接頭整體硬度提升，殘余應力回升，前進側(cè)熱影響區(qū)距離軸肩較近的上表面晶粒較大區(qū)域成為耐應力腐蝕的薄弱區(qū)域。

(4)在長期服役的攪拌摩擦焊產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應考慮上述現(xiàn)象，建議采取以下措施：結(jié)構(gòu)為弧焊焊縫和攪拌焊焊縫組合設(shè)計時，應注意攪拌焊縫隨時效應力變化引起的結(jié)構(gòu)應力變化，合理安排焊縫布置、間距、焊縫交叉設(shè)計等；合理布置攪拌摩擦焊縫的退出側(cè)、前進側(cè)位置，有效抵御攪拌后兩側(cè)的應力、缺陷、性能不對稱性。