焊接參數(shù)對(duì)5A06鋁合金攪拌摩擦焊接頭性能的影響

李小欣 鄭延召 徐仲勛 王曉貞

(1.平高電氣股份有限公司，河南 平頂山 467001； 2.平高集團(tuán)焊接技術(shù)及壓力容器實(shí)驗(yàn)室，河南 平頂山 467001；3.平高集團(tuán)有限公司，河南 平頂山 467001)

攪拌摩擦焊是英國焊接研究所于1991年發(fā)明的一種固相焊接技術(shù)，經(jīng)過近30年的發(fā)展，該技術(shù)已廣泛應(yīng)用在船舶、航空航天、機(jī)車車輛等領(lǐng)域[1]。攪拌摩擦焊接過程中的峰值溫度低于材料熔點(diǎn)，有效降低了焊接熱輸入，使得焊接接頭不產(chǎn)生焊接熔池，從而避免了鑄造組織的產(chǎn)生，并通過攪拌頭劇烈的攪拌作用細(xì)化接頭組織，進(jìn)而改善接頭的性能[2]。攪拌摩擦焊過程非常復(fù)雜，焊接工藝參數(shù)是影響焊接接頭質(zhì)量的重要因素之一。攪拌頭轉(zhuǎn)速和焊接速度是焊接過程中最常用的調(diào)整參數(shù)，焊接速度與攪拌頭轉(zhuǎn)速的比值(即焊接熱輸入特征值)決定焊接熱輸入，焊接熱輸入特征值對(duì)接頭的力學(xué)性能有重要影響[3]。在工程應(yīng)用中，普遍希望采用能耗小、效率高的焊接參數(shù)以獲得優(yōu)質(zhì)的焊接接頭。

5A06鋁合金屬于高鎂含量的Al- Mg系合金，具有良好的耐蝕性、可焊性以及中等強(qiáng)度[4]，其焊接結(jié)構(gòu)在航空航天、軌道交通等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。采用傳統(tǒng)熔焊焊接5A06鋁合金時(shí)，易產(chǎn)生氣孔、裂紋等焊接缺陷，降低了焊接質(zhì)量；同時(shí)，傳統(tǒng)熔焊過程中產(chǎn)生的氣體煙塵、弧光等會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。攪拌摩擦焊作為一種綠色環(huán)保的固相焊接方法，可以有效地避免上述問題[5- 9]。目前，關(guān)于5A06鋁合金攪拌摩擦焊工藝的研究主要集中在單一焊接參數(shù)對(duì)性能的影響方面，各參數(shù)之間的相互作用對(duì)焊接質(zhì)量影響的研究報(bào)道較少。因此，本文對(duì)5A06鋁合金進(jìn)行攪拌摩擦焊對(duì)接焊，研究了攪拌頭轉(zhuǎn)速和焊接速度對(duì)接頭顯微組織和力學(xué)性能的影響，以確定合適的焊接參數(shù)范圍，為5A06鋁合金板材的攪拌摩擦焊提供理論參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為尺寸500 mm×125 mm×10 mm的5A06鋁合金板，化學(xué)成分見表1。

表1 5A06鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Chemical composition of the 5A06 aluminium alloy (mass fraction) %

焊前沿板厚方向進(jìn)行銑切處理，用不銹鋼絲刷去除鋁板對(duì)接表面氧化皮，并用酒精擦拭。采用FSW- LM- AM16- 2D型攪拌摩擦焊接設(shè)備進(jìn)行攪拌摩擦對(duì)接焊，攪拌針形狀為錐形螺紋，針長9.8 mm，軸肩形狀為內(nèi)凹錐面，軸肩直徑為18 mm，機(jī)頭傾角為2.5°，攪拌頭轉(zhuǎn)速為150、250、400 r/min，焊接速度為50、100、150、200 mm/min，具體試驗(yàn)參數(shù)見表2。

表2 攪拌摩擦焊參數(shù)Table 2 Friction stir welding parameters

從焊接接頭上垂直于焊縫方向截取金相試樣，經(jīng)粗磨、精磨、機(jī)械拋光后，在5 mL HF+50 mL H2O混合溶液中腐蝕10 min，然后在Axio Scope.A1型金相顯微鏡下觀察顯微組織。按照GB/T 228—2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》，以焊縫為中心，垂直于焊縫方向截取如圖1所示的拉伸試樣，在EW- 100B型液壓萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，拉伸速度為1 mm/min，測量3個(gè)試樣，結(jié)果取平均值；拉伸試驗(yàn)結(jié)束后，采用JSM- 6510A型掃描電子顯微鏡觀察斷口形貌。按照GB/T 4340.1—1999《金屬維氏硬度試驗(yàn)第1部分：試驗(yàn)方法》，采用HVS- 1000型維氏硬度計(jì)測試接頭硬度，測試間隔為1 mm，試驗(yàn)力為0.98 N，保載時(shí)間為(30±2)s。

圖1 焊接接頭拉伸試樣Fig.1 Tensile specimen of welded joint

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 外觀及宏觀形貌

觀察發(fā)現(xiàn)12組接頭焊縫成形光滑，弧形紋較密集，無宏觀缺陷，如圖2所示。

圖2 焊接接頭焊縫的外觀形貌Fig.2 Appearance of weld in the welded joint

12組接頭截面的宏觀形貌相似，呈V形，如圖3所示。接頭由母材(BM)、熱影響區(qū)(HAZ)、熱機(jī)影響區(qū)(TMAZ)和焊核區(qū)(WNZ)4個(gè)區(qū)域組成。接頭兩側(cè)形狀不對(duì)稱，分為前進(jìn)側(cè)和后退側(cè)。焊縫兩側(cè)材料的流動(dòng)狀態(tài)存在差異，導(dǎo)致前進(jìn)側(cè)熱影響區(qū)與焊縫區(qū)分界明顯，而后退側(cè)熱影響區(qū)與焊縫區(qū)分界比較模糊。

圖3 焊接接頭的截面宏觀形貌Fig.3 Macrograph of cross- section of the welded joint

2.2 顯微組織

6號(hào)接頭的顯微組織如圖4所示。母材為軋制態(tài)帶狀組織。熱影響區(qū)僅受熱循環(huán)作用，其帶狀組織較母材略有粗化。熱機(jī)影響區(qū)為被拉長的回復(fù)晶粒。熱機(jī)影響區(qū)受攪拌力和焊接熱循環(huán)的雙重作用，但該區(qū)域距離攪拌針較遠(yuǎn)，受到的攪拌作用很小，因此組織僅發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)，帶狀組織消失，并在攪拌力作用下回復(fù)晶粒被拉長。焊核區(qū)晶粒細(xì)小，組織均勻，沒有明顯的方向性。焊核區(qū)位于接頭中心，受到強(qiáng)烈的攪拌作用及軸肩與母材的摩擦作用而產(chǎn)生大量的熱量，在溫度較高的熱循環(huán)作用下，周圍金屬發(fā)生塑性流動(dòng)，且焊縫溫度達(dá)到再結(jié)晶溫度，同時(shí)位錯(cuò)密度不斷增加，當(dāng)達(dá)到臨界形核密度時(shí)，金屬發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象；在攪拌力的作用下，晶粒來不及長大而被打碎成細(xì)小的等軸晶。除9號(hào)接頭外，其他接頭的組織與6號(hào)接頭相似。9號(hào)接頭熱機(jī)影響區(qū)和焊縫區(qū)的組織較粗大，如圖5所示。此時(shí)焊接熱輸入較大，使得焊核區(qū)溫度過高，從而導(dǎo)致晶核過熱長大，同時(shí)冷卻過程中散熱緩慢，促使晶粒進(jìn)一步長大，因此9號(hào)接頭的組織較粗大。

圖4 6號(hào)接頭不同區(qū)域的顯微組織Fig.4 Micorstructures of the different areas of the joint No.6

圖5 9號(hào)接頭熱機(jī)影響區(qū)和焊核區(qū)的顯微組織Fig.5 Micorstructures of the TMAZ and WNZ of the joint No.9

2.3 拉伸性能

表3為接頭的拉伸性能及斷裂位置，可見接頭的抗拉強(qiáng)度為340～381 MPa，達(dá)到母材的89%以上，斷后伸長率為16.5%～25.4%，達(dá)到母材的66.5%以上。4號(hào)和9號(hào)接頭在焊縫處斷裂，而其他試樣均在熱影響區(qū)斷裂。

表3 接頭及母材的力學(xué)性能Table 3 Mechanical properties of the joints and base metal

圖6為攪拌頭轉(zhuǎn)速不變時(shí)，接頭抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率與焊接速度之間的關(guān)系。當(dāng)攪拌頭轉(zhuǎn)速為150 r/min時(shí)，隨著焊接速度的增加，接頭抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率均降低；焊接速度為50 mm/min時(shí)，接頭的抗拉強(qiáng)度最高，達(dá)到379 MPa，斷后伸長率也最大，為25.2%，與母材相當(dāng)；當(dāng)焊接速度增加到200 mm/min時(shí)，抗拉強(qiáng)度最低，為340 MPa，斷后伸長率也最小，為16.5%。當(dāng)攪拌頭轉(zhuǎn)速分別為250、400 r/mm時(shí)，接頭抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率隨焊接速度的增加均呈先升高后降低的趨勢，接頭強(qiáng)度較低時(shí)其對(duì)應(yīng)的斷后伸長率也較小，接頭抗拉強(qiáng)度較高時(shí)其對(duì)應(yīng)的斷后伸長率也較大。綜上，當(dāng)攪拌頭轉(zhuǎn)速不變，焊接速度達(dá)到一定值時(shí)，接頭抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率均達(dá)到最大值，隨著焊接速度的繼續(xù)增大，抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率下降。這是因?yàn)楹附铀俣仍龃?，軸肩在單位面積上產(chǎn)生的摩擦熱減少，塑性變形熱熱輸入中所占比例增加，焊縫橫截面組織更均勻，使得接頭抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率明顯提高；但繼續(xù)增大焊接速度，摩擦熱和塑性變形熱來不及傳導(dǎo)，致使焊縫橫截面組織不均勻，且易產(chǎn)生缺陷，接頭的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率下降。

圖6 接頭的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率隨焊接速度的變化曲線Fig.6 Variation curves of tensile strength and elongation of the joint with welding speed

圖7為焊接速度不變時(shí)，接頭抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率與攪拌頭轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。當(dāng)焊接速度較低(50 mm/min)時(shí)，隨著攪拌頭轉(zhuǎn)速的增大，接頭抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率均降低，焊接速度為100 mm/min時(shí)，隨著攪拌頭轉(zhuǎn)速的增大，接頭抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率先升高后降低，且變化較平緩。當(dāng)焊接速度為150、200 mm/min時(shí)，隨著攪拌頭轉(zhuǎn)速的增大，接頭抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率均明顯升高。攪拌頭轉(zhuǎn)速較低時(shí)，接頭拉伸性能達(dá)到最佳后，隨著攪拌頭轉(zhuǎn)速的增大，焊縫金屬因溫度太高而出現(xiàn)粗大組織，導(dǎo)致拉伸性能降低，這是9號(hào)接頭在焊縫處斷裂的原因。攪拌頭轉(zhuǎn)速較高時(shí)，接頭拉伸性能達(dá)到最佳后，隨著攪拌頭轉(zhuǎn)速的減小，摩擦熱減少而不足以形成熱塑性流動(dòng)層，使得焊縫中形成孔洞缺陷，因此接頭拉伸性能變差。

圖7 接頭的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率隨攪拌頭轉(zhuǎn)速的變化曲線Fig.7 Variation curves of tensile strength and elongation of the joint with rotating speed of stirring head

圖8為接頭抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率與焊接熱輸入特征值之間的關(guān)系。隨著焊接熱輸入特征值的增大，接頭抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率均先升高后降低。當(dāng)焊接熱輸入特征值在0.3～0.5 mm/r時(shí)，接頭抗拉強(qiáng)度基本高于370 MPa，斷后伸長率大于25%，與母材相當(dāng)；當(dāng)焊接熱輸入特征值小于0.3 mm/r或大于0.5 mm/r時(shí)，接頭抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率明顯降低。以較低的攪拌頭轉(zhuǎn)速(150 r/min)配合較低的焊接速度(50 mm/min)，或以較高的攪拌頭轉(zhuǎn)速(400 r/min)配合較高的焊接速度(150～200 mm/min)，均有利于獲得拉伸性能與母材相當(dāng)?shù)暮附咏宇^；以250 r/min攪拌頭轉(zhuǎn)速配合100 mm/min焊接速度時(shí)，亦可獲得拉伸性能與母材相當(dāng)?shù)暮附咏宇^。接頭的拉伸性能與焊接過程的熱輸入有關(guān)。當(dāng)焊接熱輸入特征值較小時(shí)，焊接產(chǎn)生的熱量過多，焊縫發(fā)生局部軟化，且組織粗大，導(dǎo)致接頭的強(qiáng)度及斷后伸長率較低；隨著焊接熱輸入特征值的增大， 焊接產(chǎn)生的熱量降低， 焊縫不發(fā)生軟化，焊縫金屬流動(dòng)充分而發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，組織細(xì)小， 同時(shí)攪拌時(shí)產(chǎn)生的摩擦熱傳遞到待焊母材，相當(dāng)于對(duì)待焊母材預(yù)熱，從而提高了接頭的強(qiáng)度及斷后伸長率；當(dāng)焊接熱輸入特征值為1.33時(shí)，4號(hào)接頭的熱輸入較小，焊縫金屬流動(dòng)不充分而無法發(fā)生再結(jié)晶，同時(shí)焊縫中易產(chǎn)生孔洞缺陷，導(dǎo)致接頭的強(qiáng)度及斷后伸長率較低，這也是4號(hào)接頭在焊縫處斷裂的原因。

圖8 接頭的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率隨焊接熱輸入特征值的變化曲線Fig.8 Variation curves of tensile strength and elongation of the joint with characteristic value of welding heat input

圖9為4號(hào)和6號(hào)接頭拉伸斷口形貌，可見斷口中存在著大小不等的圓形和橢圓形杯狀韌窩，是典型的韌性斷裂。4號(hào)接頭拉伸斷口的韌窩小而淺，塑性較差，6號(hào)接頭拉伸斷口的韌窩大且深，塑性較好，這與表3中的試驗(yàn)結(jié)果相吻合。

圖9 4號(hào)和6號(hào)接頭拉伸斷口的微觀形貌Fig.9 Micrographs of tensile fractures of the joints No.4 and No.6

2.4 顯微硬度

焊接熱輸入特征值為0.13、0.4、1.33 mm/r時(shí)，接頭橫截面顯微硬度分布如圖10所示?？梢姀暮缚p中心向母材兩側(cè)硬度先降低后略微升高，呈近似“W”形分布；焊核區(qū)的硬度最高，這是焊核區(qū)在攪拌針強(qiáng)烈的機(jī)械攪拌作用下發(fā)生完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，晶粒細(xì)化所致；熱影響區(qū)的硬度最低，母材的硬度稍高于熱影響區(qū)，這是熱影響區(qū)僅受到熱循環(huán)作用， 晶粒發(fā)生一定程度的粗化所致。當(dāng)焊接熱輸入特征值為0.4 mm/r，即攪拌頭轉(zhuǎn)速為250 r/min、焊接速度為100 mm/min時(shí)，焊核區(qū)的硬度較高。當(dāng)攪拌頭轉(zhuǎn)速較低、焊接速度較高時(shí)，材料塑性變形程度較小，再結(jié)晶不充分；而當(dāng)攪拌頭轉(zhuǎn)速較高、焊接速度較低時(shí)，焊接熱輸入較高，這都將導(dǎo)致焊核區(qū)晶粒粗大，硬度降低。

圖10 不同焊接熱輸入特征值下接頭橫截面顯微硬度分布Fig.10 Distributions of microhardness on the cross-section of the joints under different characteristic values of welding heat input

3 結(jié)論

(1)攪拌頭轉(zhuǎn)速在150～400 r/min、焊接速度在50～200 mm/min時(shí)，均可獲得成形良好且無宏觀缺陷的5A06鋁合金攪拌摩擦焊接頭。接頭熱影響區(qū)組織比母材粗大，且均為帶狀組織；焊核區(qū)晶粒細(xì)小、組織均勻，熱機(jī)影響區(qū)組織比焊核區(qū)粗大。當(dāng)攪拌頭轉(zhuǎn)速為400 r/min、焊接速度為50 mm/min時(shí)，焊核區(qū)和熱機(jī)影響區(qū)組織明顯粗大。

(2)當(dāng)焊接熱輸入特征值，即焊接速度與攪拌頭轉(zhuǎn)速的比值在0.3～0.5 mm/r時(shí)，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率均與母材相當(dāng)，抗拉強(qiáng)度最高可達(dá)381 MPa，斷后伸長率最大達(dá)25.4%。接頭顯微硬度從焊縫中心向母材兩側(cè)先降低后略微升高，焊核區(qū)的硬度最高，熱影響區(qū)的硬度最低。當(dāng)焊接熱輸入特征值為0.4 mm/r，即攪拌頭轉(zhuǎn)速為250 r/min、焊接速度為100 mm/min時(shí)，焊核區(qū)的硬度較高。