飛機(jī)機(jī)身鎂合金的攪拌摩擦焊接工藝研究

收稿日期：20240516

基金項(xiàng)目：陜西省教育廳2022年度青年創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)建設(shè)科研計(jì)劃項(xiàng)目“高溫合金葉片氣膜孔精整技術(shù)的研究”（編號(hào)22JP035）。

作者簡(jiǎn)介：王炳坤，講師，主要從事飛行器制造及維修方面的研究。

摘 要：為提升ZM5鎂合金的焊接性能，實(shí)現(xiàn)該材料在機(jī)翼整體壁板中的有效應(yīng)用，采用攪拌摩擦工藝對(duì)該材料實(shí)施焊接處理，并通過(guò)掃描電子顯鏡和維氏硬度計(jì)對(duì)焊接接口進(jìn)行微觀形貌觀測(cè)和硬度測(cè)試。結(jié)果表明，當(dāng)攪拌摩擦焊的攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為800r/min，焊接速度為120mm/min時(shí)，ZM5鎂合金接頭硬度達(dá)到85HV的最高水平，約為母材硬度的90%，焊接效果最為理想。斷裂形貌表現(xiàn)為少量韌窩和解理面，斷裂形式為準(zhǔn)解理斷裂。根據(jù)分析結(jié)果可知，在參數(shù)合適的情況下，攪拌摩擦焊接工藝能夠?qū)崿F(xiàn)ZM5鎂合金的有效粘接，可用于機(jī)翼壁板中鎂合金材料的焊接與成型。

關(guān)鍵詞：焊接速度；旋轉(zhuǎn)速度；ZM5鎂合金；微觀形貌

中圖分類(lèi)號(hào)：TG241

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Research on friction stir welding process of magnesium alloy for aircraft fuselage

WANG Bingkun

（Xian Aeronautical Polytechnic Institute， Xian 72703 ""Shaanxi， China）

Abstract： In order to improve the welding performance of ZM5 magnesium alloy， the effective application of this material in the repair of the external shell and parts of the aircraft fuselage was realized. In this study， the material was welded by friction stirring process， and the microscopic morphology observation and hardness test of the welding interface were carried out by scanning electron microscope and Vickers hardness tester. After observation and testing， it is found that when the friction stir welding stir welding stir welding stir head rotation speed is 800r/min and the welding speed is 120mm/min， the hardness of ZM5 magnesium alloy joint reaches the highest level of 85HV， which is about 90% of the hardness of the base metal， and the welding effect is the most ideal. The fracture morphology showed a small number of dimples and cleavage planes， and the fracture form was quasi-cleavage fracture. According to the analysis results， it can be seen that the friction stir welding process can achieve effective bonding of ZM5 magnesium alloy under the condition of appropriate parameters， which can be used to repair cracks and corrosion defects in the external shell of the fuselage.

Key words： welding speed； rotation speed； ZM5 magnesium alloy； microscopic morphology

0 引 言

鋁鎂合金因其輕質(zhì)高強(qiáng)的特性，在飛機(jī)制造中有著廣泛的應(yīng)用。用鋁鎂合金制造飛機(jī)機(jī)身、翼面、機(jī)翼桁架、梁等部件，不僅可以保證飛機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，還能顯著減輕飛機(jī)重量，從而提高飛機(jī)的性能。與傳統(tǒng)的鋁合金相比，鋁鎂合金的密度更低，強(qiáng)度更高，因此在飛機(jī)制造中更為常見(jiàn)。ZM5鎂合金通常用于飛機(jī)機(jī)身的外部殼體和零部件修復(fù)工作，由于該材料存在化學(xué)穩(wěn)定性差、比剛度高、比強(qiáng)度高等特征，常規(guī)的焊接方法容易出現(xiàn)熱裂紋缺陷、氣孔等問(wèn)題。采用攪拌摩擦焊的方式對(duì)ZM5鎂合金實(shí)施焊接處理可一定程度上改善上述問(wèn)題，但仍需要對(duì)該焊接方法的工藝參數(shù)進(jìn)行改良與優(yōu)化^［12］。魏藝涵等^［3］對(duì)7075鋁合金與AZ31鎂合金進(jìn)行攪拌摩擦焊接實(shí)驗(yàn)，集中分析了搭接接頭的微觀組織與拉剪強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)攪拌摩擦焊接技術(shù)能夠在兩種材料之間形成一定的機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)，可提升搭接接頭的剪切強(qiáng)度；陳平^［4］采用攪拌摩擦焊對(duì)鋁板進(jìn)行焊接，發(fā)現(xiàn)在攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度為1000r/min且焊接速度為100mm/min的情況下，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度高達(dá)140MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為17.1%，接頭綜合性能優(yōu)良。在現(xiàn)有成果的啟發(fā)下，本文研究通過(guò)攪拌摩擦焊接工藝對(duì)ZM5鎂合金進(jìn)行處理，同樣取得了較為理想的焊接效果。

1 攪拌摩擦焊接的試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 試驗(yàn)所需材料與設(shè)備

研究所采用的焊接材料為ZM5鎂合金板材（洛陽(yáng)巨申高性能合金材料有限公司），規(guī)格為300mm×150mm×6mm，其化學(xué)成分如表1所示。該材料的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別為301MPa和194MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為3.3%，硬度為93HV。試驗(yàn)所需設(shè)備有ZEM20型臺(tái)式掃描電鏡（北京天耀科技有限公司）和HV550型維氏硬度計(jì)（上海奕縱精密儀器有限公司）。

1.2 ZM5鎂合金板材的焊接

首先對(duì)ZM5鎂合金板材實(shí)施打磨和清洗處理，完成裝夾和對(duì)中后設(shè)定攪拌頭的傾斜角度為2.5°，下壓量為0.2mm，在焊接過(guò)程中調(diào)整焊接速度與攪拌頭轉(zhuǎn)速^［56］。

1.3 試驗(yàn)方法

通過(guò)掃描電子顯鏡觀察焊接截面的組織特征；通過(guò)維氏硬度計(jì)測(cè)試焊接接頭的硬度。

2 ZM5鎂合金摩擦焊接工藝分析

2.1 焊縫表面形貌分析

當(dāng)焊接速度為120mm/mim時(shí)，在各攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度下，ZM5鎂合金板材焊接接頭的表面形貌如圖1所示。根據(jù)圖1可知，當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度為400r/min和600r/min時(shí)，接頭無(wú)裂紋、孔洞等缺陷且表面光滑；當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度為800r/min時(shí)，接頭存在飛邊缺陷，均勻性較差且表面粗糙；在進(jìn)一步增加旋轉(zhuǎn)速度的情況下，接頭存在嚴(yán)重的飛邊缺陷且表面十分粗糙。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因在于，接頭熱量的輸入與攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度有關(guān)，過(guò)高的旋轉(zhuǎn)速度會(huì)大幅增加接頭位置的熱輸入，燒損板材表面^［79］。

當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度為800r/min時(shí)，各焊接速度下ZM5鎂合金板材焊接接頭的表面形貌如圖2所示，根據(jù)圖2可知，當(dāng)焊接速度為80mm/min和120mm/min時(shí)，接頭存在飛邊缺陷和起皮現(xiàn)象；當(dāng)焊接速度為160mm/min時(shí)，接頭表面均勻且無(wú)飛邊現(xiàn)象；在進(jìn)一步增加焊接速度的情況下，接頭無(wú)明顯表面缺陷，均勻性良好且表面平整光滑。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因在于，焊接速度同樣會(huì)影響到接頭的熱輸入。在焊接速度過(guò)慢的情況下，接頭熱輸入過(guò)高，致使接頭出現(xiàn)飛邊、起皮等現(xiàn)象。

2.2 焊接硬度分析

當(dāng)焊接速度為120mm/mim時(shí)，在攪拌頭各旋轉(zhuǎn)速度下，ZM5鎂合金板材焊接接頭的硬度測(cè)試結(jié)果如圖3所示。根據(jù)圖3可知，在不改變焊接速度且逐漸提升攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度的情況下，接頭硬度呈先升后降的趨勢(shì)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度為400r/min時(shí)，過(guò)低的旋轉(zhuǎn)速度會(huì)降低焊縫的熱輸入，進(jìn)而抑制金屬的流動(dòng)性，降低接頭硬度；在旋轉(zhuǎn)速度為800r/min時(shí)，焊縫熱輸入適中，接頭硬度得到改善；而在進(jìn)一步增加旋轉(zhuǎn)速度的情況下，金屬內(nèi)部晶粒擴(kuò)張^［1011］，接頭硬度隨之下降。

當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度為800r/min時(shí)，各焊接速度下ZM5鎂合金板材焊接接頭的硬度測(cè)試結(jié)果如圖4所示。根據(jù)圖4可知，在不改變攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度且逐漸提升焊接速度的情況下，接頭硬度同樣呈先升后降的趨勢(shì)。焊接速度過(guò)慢，則焊縫熱輸入過(guò)多，進(jìn)而引起晶粒擴(kuò)張，降低接頭硬度。焊接速度過(guò)快，則焊縫熱輸入過(guò)少，抑制金屬流動(dòng)^［1213］，同樣會(huì)降低焊縫硬度。整體來(lái)看，當(dāng)攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為800r/min、焊接速度為120mm/min時(shí)，接頭硬度為85HV，可達(dá)到母材硬度的90%。

2.3 微觀形貌分析

當(dāng)焊接速度為120mm/min時(shí)，各旋轉(zhuǎn)速度下ZM5鎂合金板材焊接接頭的斷口形貌如圖5所示。根據(jù)圖5（a）可知，在不改變焊接速度的情況下，過(guò)低的旋轉(zhuǎn)速度會(huì)降低接頭的熱輸入，影響接頭成型，使接頭內(nèi)部形成不均勻的孔洞缺陷，加速裂紋擴(kuò)展，降低接頭的力學(xué)性能。在圖5（b）中，虛線的右側(cè)表現(xiàn)為犁溝缺陷斷口，左側(cè)表現(xiàn)為內(nèi)部斷口。由此可知，在旋轉(zhuǎn)速度較高的情況下，接頭表面所產(chǎn)生的犁溝缺陷會(huì)逐漸發(fā)展為裂紋，大幅降低接頭質(zhì)量^［14］。

根據(jù)圖5（c）可知，母材的斷口形貌主要由解理臺(tái)（晶體沿一定結(jié)晶方向裂開(kāi)成光滑平面）和撕裂棱組成，表現(xiàn)為沿晶脆性斷裂。根據(jù)圖5（d）～5（f）可知，當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度為600， 800， 1000r/min時(shí)，三組試件表面形貌基本一致，均由解理面和少量韌窩組成，表現(xiàn)為準(zhǔn)解理斷裂，其塑性較母材略有增強(qiáng)。

當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度為800r/min時(shí)，各焊接速度下ZM5鎂合金板材焊接接頭的斷口形貌如圖6所示。根據(jù)圖6可知，當(dāng)焊接速度為80mm/min時(shí)，接頭斷口表現(xiàn)為脆性斷裂，微觀形貌以片層狀解理面為主；當(dāng)焊接速度為120mm/min時(shí)，接頭斷口表現(xiàn)為準(zhǔn)解理斷裂，微觀形貌以細(xì)小韌窩和小解理面為主，提升了接頭的塑性；在進(jìn)一步提升焊接速度的過(guò)程中，接頭斷口韌窩被拉長(zhǎng)^［15］，同樣表現(xiàn)為準(zhǔn)解理斷裂，但塑性有所下降。

2.4 拉伸性能分析

ZM5鎂合金板材焊接接頭的抗拉強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如圖7所示。根據(jù)圖7（a）可知，當(dāng)攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為800r/min、焊接速度為120mm/min時(shí)，焊接接頭的綜合力學(xué)性能最為理想，最大抗拉強(qiáng)度達(dá)到285.8MPa，最大伸長(zhǎng)率達(dá)到5.7%。進(jìn)一步驗(yàn)證了該焊接參數(shù)下ZM5鎂合金板材焊接接頭的力學(xué)性能優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了攪拌摩擦焊接工藝在ZM5鎂合金焊接工作中的應(yīng)用方法，從宏觀形貌、微觀形貌和維氏硬度三個(gè)方面對(duì)該工藝的綜合性能加以測(cè)試。經(jīng)試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，在攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度過(guò)快或焊接速度過(guò)慢的情況下，接頭熱輸入過(guò)大，宏觀上引起板材表面燒損，微觀上會(huì)造成晶粒擴(kuò)張，降低接頭硬度；而在攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度過(guò)慢或焊接速度過(guò)快的情況下，接頭熱輸入過(guò)小，宏觀上引起飛邊缺陷和起皮現(xiàn)象，微觀上會(huì)造成金屬流動(dòng)性不足，降低了接頭硬度。整體來(lái)看，當(dāng)攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為800r/min，焊接速度為120mm/min時(shí)，接頭硬度為85HV，可達(dá)到母材硬度的90%，焊接效果較為理想。

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