航空鋁合金超聲攪拌復合焊工藝及機理

賀地求，彭建紅，楊坤玉，徐少華，汪 建，賀署俊

(中南大學 高性能復雜制造國家重點實驗室，長沙 410083)

航空鋁合金超聲攪拌復合焊工藝及機理

賀地求，彭建紅，楊坤玉，徐少華，汪 建，賀署俊

(中南大學 高性能復雜制造國家重點實驗室，長沙 410083)

分別采用超聲攪拌復合焊(USCW)和攪拌摩擦焊(FSW)對厚度為1.8 mm的2524-T3航空鋁合金薄板進行對接焊試驗，對比分析USCW和FSW接頭的外觀、性能和微觀組織。結果表明：USCW接頭質量優(yōu)于攪拌摩擦焊的，焊縫穩(wěn)定性比FSW焊縫的好，USCW可實現(xiàn)近零缺陷焊接，而FSW焊縫缺陷率達50%以上。顯微組織分析結果表明：USCW焊核區(qū)晶粒較攪拌摩擦焊更加細小、均勻；USCW焊縫熱機影響區(qū)與熱影響區(qū)較FSW的小。通過對超聲攪拌復合焊的機理分析發(fā)現(xiàn)，超聲波的熱效應、體積效應和強振動效應，具有補償焊縫中底部熱量、強化金屬塑性流動、細化和均勻組織的效果。

2524-T3鋁合金；超聲攪拌復合焊；攪拌摩擦焊；焊接穩(wěn)定性

攪拌摩擦焊(Friction stir welding，F(xiàn)SW)是英國焊接研究所發(fā)明的一種固相連接技術[1?3]。攪拌摩擦焊在焊接鋁、鎂和銅等合金方面具有獨特的優(yōu)越性，自問世以來，各國研究工作者對其開展了大量的研究與開發(fā)工作。但隨著鋁合金強度的不斷提高，焊接難度增大，焊接缺陷率增加，適焊工藝參數(shù)窗口變窄。攪拌摩擦焊缺陷的產(chǎn)生主要是由于不同部位的焊縫金屬經(jīng)歷了不同的熱機過程，焊縫上部同時受到攪拌針和軸肩的強烈摩擦和攪拌作用，是焊縫的主要熱源；焊縫中下部只受到攪拌針的摩擦攪拌作用，其熱輸入遠小于上部的，而且是主要熱耗散區(qū)，這一生熱機制導致金屬流變?yōu)樯蠌娤氯?。而高強度鋁合金的高溫強度較高，焊接時塑性流動較差，焊縫底部很容易因金屬流變不充分而產(chǎn)生缺陷[4?6]，目前改善攪拌摩擦焊接過程中材料流變行為的主要方法為優(yōu)化攪拌頭的幾何形狀、組合焊接工藝參數(shù)及改善焊接區(qū)的溫度場。但是受攪拌摩擦焊焊接原理和工藝特點所限，以上方法對材料流動行為的改善作用有限。對于航空鋁合金薄板焊接，還極易產(chǎn)生焊接變形，影響焊接質量，焊接效率也大大降低。

超聲攪拌復合焊(USCW)[7]是本課題組在攪拌摩擦焊基礎上研發(fā)的一種新型焊接技術。超聲攪拌復合焊是在攪拌摩擦焊的基礎上在焊接過程中引入超聲頻縱向振動，利用超聲高頻振動與攪拌摩擦的復合效應，強化焊縫中下部金屬流變行為，實現(xiàn)高性能鋁合金近零缺陷焊接。賀地求和李劍[8]采用超聲攪拌復合焊與攪拌摩擦焊對厚度為2.5 mm的2219鋁合金進行了焊接對比實驗分析。分析結果表明，引入超聲振動對焊接產(chǎn)生了積極的作用，超聲攪拌復合焊的焊縫拉伸強度較攪拌摩擦焊的焊縫有所提高，顯微組織結構也更致密均勻。但文中尚未對超聲攪拌復合焊的焊接穩(wěn)定性及超聲波的助焊效應和機理進行相應的研究。為此，本文作者采用超聲攪拌復合焊和攪拌摩擦焊對厚度為1.8 mm的2524-T3鋁合金薄板進行焊接工藝對比試驗，分析超聲攪拌復合焊的焊接穩(wěn)定性、接頭組織和拉伸強度，同時對超聲攪拌復合焊中超聲波的作用機理進行研究。

1 實驗

1.1 實驗裝置

超聲攪拌復合焊系統(tǒng)是在中南大學研制的攪拌摩擦焊接機基礎上，通過增加自主研制的超聲攪拌模塊組成的。超聲攪拌模塊主要由超聲波電源、超聲換能器、變幅桿、碳刷、滑電環(huán)和超聲攪拌焊頭組成[9?10]。其中超聲換能器是利用壓電效應將電能轉換成輸出端的機械振動能。超聲波電源的作用是將工頻交流電轉換為一定輸出功率的超聲頻交流電，以供給工具端面往復振動能量，為換能器提供激勵輸入。變幅桿是將換能器輸出端的超聲振幅放大，以滿足超聲焊接的需要[11?15]。圖1所示為超聲攪拌復合焊裝置圖。在焊接過程中，開啟超聲波電源，即為超聲攪拌復合焊；關閉超聲波電源，即為攪拌摩擦焊。

1.2 實驗材料和方法

圖1 超聲攪拌復合焊裝置Fig. 1 Install of ultrasonic stir compound welding

表1 2524鋁合金的主要化學成分Table 1 Main chemical composition of 2524 aluminum alloy (mass fraction, %)

實驗方案是在保持頂鍛壓力、攪拌頭旋轉速度、焊接進給速度等各項工藝參數(shù)一致的前提下，分別采用超聲攪拌復合焊和攪拌摩擦焊兩種焊接方法對2524鋁合金薄板進行對比焊接試驗。焊接方式為單道對接焊，采用經(jīng)優(yōu)化后的攪拌摩擦焊工藝參數(shù)，具體參數(shù)如下：轉速為1 800 r/min，焊速為100 mm/min，冷卻水壓為0.2 MPa。實驗用攪拌頭參數(shù)為：軸肩直徑為6 mm；攪棒直徑為1.8 mm，長度為1.6 mm。焊接實驗前，先對工件表面和結合面進行去污處理，再用專用夾具將工件剛性固定在鋼板上。超聲攪拌復合焊焊接時，先開啟超聲波發(fā)生器，將攪拌頭緩慢地插入結合面內，待此過程完成后，打開冷卻裝置，同時攪拌頭沿著結合線方向完成焊接。圖2所示為超聲攪拌復合焊和攪拌摩擦焊焊縫外觀對比試件，前段為攪拌摩擦焊，后段為加載了超聲波的超聲攪拌復合焊。焊接時中間不停頓，且其他焊接參數(shù)不變。從圖2可以看出，超聲導入后，焊縫表面出現(xiàn)2種主要變化：1) 焊縫上表面變光滑，紋理變細膩，說明超聲波使金屬塑性流動得到加強；2) 顏色加深，材料氧化程度加大，說明超聲波使金屬活性加強。這兩個效應對改善焊接質量，消除焊接缺陷有積極作用。前者有利于消除疏松孔洞，后者有利于消除弱連接。

圖2 超聲攪拌復合焊與攪拌摩擦焊外觀對比Fig. 2 Comparison between photos by ultrasonic stir compound welding and friction stir welding

為了更深入地分析實驗結果，對兩種焊接方法得到的焊縫試件，先使用XD7600NT型X射線檢查儀對焊接缺陷進行CT檢測，然后在焊接件上垂直于焊縫方向上，制取金相試樣和拉伸試樣。使用Instron 8802型電液伺服力學實驗機進行拉伸實驗；使用Leica DMI LM EC3金相顯微鏡進行焊縫組織分析。

2 結果與分析

2.1 焊縫X射線檢測與分析

通過X射線檢測，發(fā)現(xiàn)攪拌摩擦焊中容易出現(xiàn)連續(xù)性、斷續(xù)性、點狀和起焊缺陷，出現(xiàn)概率可達50%以上，其CT照片如圖3所示。影響焊接缺陷的因數(shù)很多，包括攪拌頭的結構尺寸、焊接工藝參數(shù)、冷卻方式、裝夾工藝、對接板間隙和焊接板厚度匹配等。對于薄板攪拌摩擦焊，由于焊接高溫區(qū)三維空間尺寸很小，熱容也小，而焊件底部與工作臺直接接觸傳熱，接觸熱阻隨機多變，焊縫區(qū)熱損失也隨機多變，導致焊接過程難以穩(wěn)定，焊縫缺陷率高。而在超聲攪拌復合焊接試驗中發(fā)現(xiàn)，在與攪拌摩擦焊相同的工藝參數(shù)條件下，經(jīng)過多次重復試驗，X射線檢測未出現(xiàn)任何缺陷，可實現(xiàn)近零缺陷焊接。圖4所示為4組超聲攪拌摩擦焊焊件的CT照片。由圖4可知，從起焊至終焊，焊件組織致密，說明超聲波對消除焊縫缺陷具有顯著的效果。從上述試驗結果可看出，超聲波的這種助焊效應使焊縫質量及焊接穩(wěn)定性顯著提升，焊縫缺陷率比攪拌摩擦焊的大幅降低。

圖3 攪拌摩擦焊焊件缺陷的CT照片F(xiàn)ig. 3 CT detection photos showing defects of friction stir welding: (a) Continuous defect; (b) Intermittent defect; (c) Starting point defect; (d) Spot defect

圖4 超聲攪拌復合焊焊件CT照片F(xiàn)ig. 4 CT detection photos showing defects of ultrasonic stir compound welding: (a) Sample 1, initial segment; (b) Sample 1, middle segment; (c) Sample 1, end segment; (d) Sample 2, initial segment; (e) Sample 2, middle segment; (f) Sample 2, end segment; (g) Sample 3, initial segment; (h) Sample 3, middle segment; (i) Sample 3, end segment; (j) Sample 4, initial segment; (k) Sample 4, middle segment; (l) Sample 4, end segment

2.2 焊接接頭強度

對厚度為1.8 mm的2524鋁合金板進行攪拌摩擦對接焊和超聲攪拌復合對接焊，選擇無缺陷的FSW試樣與超聲攪拌復合焊試樣進行拉伸強度對比試驗。母材的強度為439.4 MPa，平均伸長率為18.98%。兩種焊接方法得到的焊接接頭拉伸試驗數(shù)據(jù)見表2和3。表2所列為攪拌摩擦焊接頭拉伸試驗數(shù)據(jù)，表3所列為超聲攪拌復合焊接頭拉伸試驗數(shù)據(jù)。由表2可以看出，攪拌摩擦焊的接頭平均強度為383.2 MPa，平均伸長率4.33%。對于此焊接試件，焊后在常溫下，放置10 d，經(jīng)自然時效后，強度有所升高，平均拉伸強度達403.6 MPa。

表2 攪拌摩擦焊接頭拉伸試驗數(shù)據(jù)表Table 2 Mechanics stretch experiment data of friction stir welding specimens

表3 超聲攪拌復合焊接頭拉伸試驗數(shù)據(jù)表Table 3 Mechanics stretch experiment data of fltrasonicstir compound welding specimens

由表3可以看出，超聲攪拌焊的接頭平均強度為393.4 MPa，平均伸長率為6.91%。此試件經(jīng)過自然時效后，平均抗拉強度411.7 MPa。對比分析顯示，超聲攪拌復合焊在保證焊接穩(wěn)定性的同時，也得到較高的焊接強度，其接頭強度達到母材的93.6%。

2.3 焊接接頭組織

圖5所示為焊縫整體組織，包括焊核區(qū)(WNZ)、熱機影響區(qū)(TMAZ)和熱影響區(qū)(HAZ)。圖5中AS表示前進側；RS表示返回側。圖5(a)所示為攪拌摩擦焊焊縫組織，圖5(b)所示為超聲攪拌復合焊焊縫組織。對比分析圖5(a)、(b)可以看出，超聲攪拌焊的焊核區(qū)比攪拌摩擦焊小，且呈現(xiàn)明顯的洋蔥環(huán)特征。

圖5 焊縫整體組織Fig. 5 Microstructures of complete plate joint: (a) FSW; (b) USCW

圖6所示為焊核區(qū)微觀組織。從圖6可以看出，焊核區(qū)的組織與母材明顯不同，因受攪拌頭直接作用，焊核區(qū)表現(xiàn)為非常細小的等軸再結晶晶粒。圖6(a)所示為為攪拌摩擦焊焊核區(qū)組織，圖6(b)所示為超聲攪拌復合焊焊核區(qū)組織。對比圖6(a)、(b)可以看出，超聲攪拌復合焊焊核區(qū)晶粒較攪拌摩擦焊焊核區(qū)晶粒更加均勻、致密，而FSW組織中有多條較長的弱連接邊界。分析認為超聲攪拌焊中超聲對焊縫晶粒起到了均勻、細化和夯實的作用。

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圖7所示為焊縫返回側熱機影響區(qū)與熱影響區(qū)的微觀組織，圖7(a)所示為攪拌摩擦焊組織，圖7(b)所示為超聲攪拌復合焊組織。對比分析圖7(a)和(b)可以看出，USCW熱機影響區(qū)比熱影響區(qū)較FSW的明顯縮小。這說明超聲攪拌復合焊的工作溫度較低，攪拌針周圍金屬經(jīng)歷充分流變過程。

圖6 焊核區(qū)的微觀組織Fig. 6 Microstructures of nugget zone: (a) FSW; (b) USCW

3 USCW機理分析

圖7 熱機影響區(qū)與熱影響區(qū)的微觀組織Fig. 7 Microstructures of thermo-mechanically-affected zone and heat-affected zone: (a) FSW; (b) USCW

超聲波對降低焊縫缺陷的機理主要是超聲波的熱效應、體積效應和強振動效應。超聲波的強振動效應可以使金屬顆粒在超聲波的作用下發(fā)生高頻振動，活性增強，金屬材料的擴散能力和運動能級加強。另一方面，超聲攪拌復合焊接過程中，超聲波的體積效應使得質點內應力增加，晶體內部質點在內應力作用下發(fā)生排列變形，原子行間相互滑移，導致晶體的位錯移動，位錯移動能夠強化材料的塑性流動。而超聲波的熱效應使超聲波的一部分能量被熱塑化金屬在短時間內吸收升溫，因薄板焊接過程中底部熱量散失很快，溫度較低材料的流動阻力大，極易造成焊接缺陷，而超聲波具有“硬碰硬”的特性，與攪拌針接觸的金屬越硬，超聲能耗轉化為熱能就越多，起到選擇性補充中底部熱量的作用。超聲能量在這些焊接薄弱地帶積聚可以克服攪拌摩擦焊在這方面的局限性。通過超聲波的強振動、體積效應和熱效應等作用為焊接提供新的熱源，同時加強了材料的流動性，有效地提高了焊縫的質量。

超聲對焊縫晶粒起到了均勻、細化和夯實的作用，這主要是因為超聲波產(chǎn)生的強大瞬時沖擊加速度。實驗用超聲波頻率為20 kHz，最大共振振幅70 μm，流體中金屬質點在超聲波的振動下作高頻振動，加速度高達1.12×104g(g為重力加速度)。當高頻超聲作用于介質時，介質中的質點也會以相同的頻率振動，所以金屬質點受攪拌頭攪拌作用的同時，在高頻超聲的共振作用下作劇烈振動，并且具有同樣強大的瞬時沖擊加速度，金屬固塊間因此相互發(fā)生劇烈的碰撞，金屬鍵充分重組，從而導致已結晶細化的晶粒在強烈撞擊作用下得到進一步的細化、均勻，組織變得更加致密。

超聲攪拌復合焊的熱機影響區(qū)與熱影響區(qū)較攪拌摩擦焊縮小，其機理主要是超聲波作用于焊縫流變金屬，產(chǎn)生極高的振動峰值加速度和峰值應力，使金屬塑性流變的平均阻力下降，流變區(qū)金屬流動更加流暢，材料形變內摩擦力減小，摩擦力生熱減少，溫度下降。

4 結論

1) 在USCW中導入超聲后，焊縫表面出現(xiàn)兩種主要變化：焊縫上表面變光滑，紋理變細膩，說明超聲波使金屬塑性流動得到加強；顏色加深，材料氧化程度加大，說明超聲波使金屬活性加強。

2) 在最優(yōu)參數(shù)下，多次重復試驗后，USCW焊件中未見任何焊接缺陷，焊接缺陷率大幅降低，明顯優(yōu)于FSW焊件的，說明超聲波對降低焊縫缺陷具有顯著效果。USCW焊接穩(wěn)定性較FSW的明顯提升。

3) 金相組織顯示，USCW焊核區(qū)晶粒更加均勻、致密，且其焊縫熱機影響區(qū)與熱影響區(qū)較FSW的小。

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(編輯 龍懷中)

Technology and mechanism of ultrasonic stir compound welding of aeronautical aluminum alloy

HE Di-qiu, PENG Jian-hong, YANG Kun-yu, XU Shao-hua, WANG Jian, HE Shu-jun
(State Key Laboratory of High Performance Complex Manufacturing, Central South University, Changsha 410083, China)

The joint appearance, properties and microstructure of 1.8 mm-thickness 2524-T3 aluminum alloy sheet in friction stirring welding and ultrasonic agitation compound welding were compared. The results show the joint quality and stability of USCW are better than those of the FSW. The USCW defect rate is nearly zero, while FSW defect rate is more than 50%. The microstructure analysis results show that the grain of USCW is smaller and more uniform than that of FSW. The heat-affected zone (HAZ) and thermo-mechanically-affected zone (TMAZ) of USCW is significantly reduced, compared to FSW. Through the mechanism analysis of USCW, the thermal effect, volume effect and strong vibration effect of ultrasonic wave can add the heat to the bottom of joint, strength metal plastic flow and refine, uniform organization.

2524-T3 aluminum alloy; ultrasonic stir compound welding; friction stir welding; welding stability

TG453

A

國家重點基礎研究發(fā)展計劃資助項目(2010CB731704)

2011-09-16；

2012-02-10

賀地求，教授；電話：15211106298；E-mail: pengjianhong520150@163.com

1004-0609(2012)10-2743-06