7050鋁合金攪拌摩擦焊接頭微觀組織及力學(xué)性能分析

姜玉恒，劉金合，周衛(wèi)濤

(西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院，陜西 西安 710072)

7050鋁合金攪拌摩擦焊接頭微觀組織及力學(xué)性能分析

姜玉恒，劉金合，周衛(wèi)濤

(西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院，陜西 西安 710072)

采用攪拌摩擦焊焊接厚12 mm的7050鋁合金，分析接頭的微觀組織和力學(xué)性能。研究結(jié)果表明，焊核區(qū)由于熱循環(huán)作用形成細(xì)小的等軸再結(jié)晶組織；熱機(jī)影響區(qū)受機(jī)械和熱的雙重作用組織發(fā)生了較大程度的變形，在熱循環(huán)的作用下發(fā)生回復(fù)反應(yīng)；熱影響區(qū)僅受熱循環(huán)的作用，組織稍微有粗化現(xiàn)象。力學(xué)試驗(yàn)表明：旋轉(zhuǎn)速度400r／min、焊接速度180mm／min時(shí)，接頭的抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到391 MPa，為母材的77%；焊接速度200 mm／min，旋轉(zhuǎn)速度450 r／min時(shí)，接頭的抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到376 MPa，為母材的74%。斷口形貌分析顯示，接頭斷裂模式為穿晶和沿晶混合型斷裂。

攪拌摩擦焊；7050鋁合金；微觀組織；力學(xué)性能；斷口形貌

0 前言

7050屬高強(qiáng)度可熱處理合金，具有極高的強(qiáng)度及抗剝落腐蝕和抗應(yīng)力腐蝕斷裂性能。常用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的中厚板擠壓件、自由鍛打件和模鍛件。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)材料選擇12mm厚的7050鋁合金軋制板，規(guī)格為300 mm×100 mm，其主要化學(xué)成分如表1所示。試驗(yàn)在中國(guó)攪拌摩擦焊中心自主研制的FSW-1DB-025型懸臂式攪拌摩擦焊機(jī)上進(jìn)行，沿試樣軋制方向進(jìn)行對(duì)接試驗(yàn)。焊接前，將兩塊待焊鋁合金厚板剛性固定在鋼墊板上，焊接傾角2.5°，壓入量充分。焊接前用粗砂紙對(duì)焊接區(qū)域進(jìn)行打磨，并用丙酮擦拭試樣表面[1]。

表17050 鋁合金主要化學(xué)成分 %

焊接時(shí)，攪拌頭高速旋轉(zhuǎn)插入待焊板材接縫，當(dāng)攪拌頭軸肩壓實(shí)鋁板后，沿接縫前進(jìn)以完成焊接過程。攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度300 r／min，攪拌頭沿焊縫方向的焊接速度150mm／min。焊接后，在拼焊板上沿焊縫橫向分別取樣，在Z100電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)；沿垂直焊接方向截取試樣，經(jīng)粗磨、細(xì)磨和機(jī)械拋光后，使用柯氏試劑對(duì)試樣進(jìn)行腐蝕，在OLYMPUS-PMG3光學(xué)顯微鏡下觀察微觀組織，然后使用HX-100硬度計(jì)測(cè)量橫截面和焊核區(qū)厚度方向的顯微硬度；最后用VEGA-Ⅱ型(SEM)掃描電鏡觀察微觀端口形貌[2]。

2 試驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 接頭微觀組織分析

在攪拌頭轉(zhuǎn)速300 r／min、焊接速度150 mm／min的焊接工藝條件下，7050鋁合金板焊縫橫截面的宏觀形貌如圖1所示。

圖1 7050鋁合金焊縫宏觀橫截面形貌

由圖1可見，焊縫區(qū)上寬下窄，呈“V”字形，焊縫上部近似與攪拌頭軸肩等寬。宏觀組織的光澤存在明暗差異，有較明顯的界線。在軸肩影響區(qū)下方為焊核區(qū)，其形狀、大小與攪拌針相似；焊核區(qū)與熱機(jī)影響區(qū)交界處兩側(cè)呈現(xiàn)不同的宏觀形貌，前進(jìn)側(cè)呈現(xiàn)明顯的拐角，而后退側(cè)平滑過渡，這是由于前進(jìn)側(cè)在焊接過程中發(fā)生了較大的塑性變形。可將焊接接頭分四個(gè)組織性能區(qū)：焊核區(qū)WNZ(weld nugget zone)、熱機(jī)影響區(qū)TMAZ(thermo-mechanically affected zone)，熱影響區(qū)HAZ(heat affected zone)、母材區(qū)BM (base metal)，如圖2所示。

圖2 7050鋁合金焊縫微觀組織和區(qū)域

焊核區(qū)WNZ由于受到攪拌棒強(qiáng)烈的機(jī)械攪拌作用，以及由劇烈摩擦產(chǎn)生的局部高溫作用，組織發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。該區(qū)受攪拌棒機(jī)械作用的影響最大，發(fā)生再結(jié)晶的晶粒來(lái)不及長(zhǎng)大就在攪拌的作用下發(fā)生破碎，形成細(xì)小的等軸晶組織(見圖2a)。熱機(jī)影響區(qū)TMAZ在攪拌頭的劇烈攪拌作用引起的塑態(tài)鋁的粘附作用下，在接近焊核區(qū)的小部分區(qū)域發(fā)生了局部破碎和粘附長(zhǎng)大現(xiàn)象，而其他部分的組織發(fā)生了較大程度的彎曲變形，在板條狀組織內(nèi)形成了回復(fù)晶粒組織，并在焊接熱循環(huán)作用下發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶，其晶粒相比焊核區(qū)要大些(見圖2b)。熱影響區(qū)HAZ是沒有受到攪拌頭機(jī)械攪拌作用的區(qū)域，但在焊接過程中由于受到的焊接熱循環(huán)的作用比焊核區(qū)弱，僅僅發(fā)生回復(fù)反應(yīng)，相對(duì)于母材，該區(qū)內(nèi)組織發(fā)生粗化(見圖2c)。母材沒有受到熱機(jī)械作用，晶粒組織仍成板條狀，沿軋制方向分布(見圖2d)[4]。

2.2 接頭力學(xué)性能分析

2.2.1 拉伸性能分析厚12 mm的7050鋁合金FSW接頭力學(xué)性能如圖3所示。由圖3a可知，當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度400 r／min、焊接速度150～200 mm／min時(shí)，隨著焊接速度的增加，接頭抗拉強(qiáng)度和斷面伸長(zhǎng)率呈先上升后下降的趨勢(shì)。由圖3b可知，當(dāng)焊接速度200 mm／min、轉(zhuǎn)速度400～500 r／min時(shí)，接頭抗拉強(qiáng)度和斷面伸長(zhǎng)率同樣呈先上升后下降的趨勢(shì)。

圖3 焊接參數(shù)對(duì)接頭拉伸性能的影響

2.2.2 接頭顯微硬度分析

當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度300r／mm、焊接速度150mm／min時(shí)，7050鋁合金攪拌摩擦焊接接頭微觀硬度分布如圖4所示。由圖4可知，焊核區(qū)微觀硬度較高，熱影響區(qū)微觀硬度相對(duì)較低。焊核區(qū)經(jīng)歷較高溫度的焊接熱循環(huán)，并在攪拌針作用下發(fā)生劇烈塑性變形，組織為再結(jié)晶晶粒，晶粒細(xì)小，顯微硬度較高。熱影響區(qū)由于強(qiáng)化相發(fā)生聚集現(xiàn)象，使熱影響區(qū)溫度較低，產(chǎn)生過時(shí)效現(xiàn)象，降低顯微硬度[4]。

圖47050 鋁合金FSW焊接接頭的顯微硬度分布

2.3 接頭斷口分析

7050鋁合金攪拌摩擦焊接接頭斷口形貌如圖5所示，試件斷裂于焊接熱影響區(qū)與熱機(jī)影響區(qū)交界處，因?yàn)檫@兩部分金相組織過渡不平滑，易產(chǎn)生應(yīng)力集中。從圖5a體形貌來(lái)看，斷口表面光滑平整，局部區(qū)域有少量的纖維狀特征。從圖5b的微觀斷口形貌可以發(fā)現(xiàn)大量的等軸韌窩和撕裂棱，部分區(qū)域有解理斷裂和沿晶斷裂的特征。從斷口形貌分析，接頭斷裂模式穿晶和沿晶混合型斷裂[5]。

3 結(jié)論

(1)7050鋁合金攪拌摩擦焊接接頭焊核區(qū)發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，組織為等軸晶組織，微觀顯微硬度較高，而熱影響區(qū)組織粗化，并受強(qiáng)化相聚集的影響，該區(qū)域微觀顯微硬度較低。焊接接頭顯微硬度整體趨勢(shì)呈現(xiàn)“W”形。

(2)當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度400 r／min、焊接速度180 mm／min時(shí)，接頭抗拉強(qiáng)度和斷面伸長(zhǎng)率接近母材的抗拉強(qiáng)度和斷面伸長(zhǎng)率，接頭的抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到391 MPa，為母材的77%；當(dāng)焊接速度200 mm／min、旋轉(zhuǎn)速度450 r／min時(shí)，接頭抗拉強(qiáng)度和斷面伸長(zhǎng)率接近母材的抗拉強(qiáng)度和斷面伸長(zhǎng)率，接頭的抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到376 MPa，為母材的74%。

(3)7050鋁合金攪拌摩擦焊接接頭斷口處于熱影響區(qū)和熱機(jī)影響區(qū)交界處，屬于穿晶和沿晶混合型斷裂。

圖5 接頭斷口形貌

[1]周萬(wàn)盛，姚君山.鋁及鋁合金的焊接.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[2]柯黎明，邢 麗.攪拌摩擦焊工藝及其應(yīng)用[J].焊接技術(shù)，2000，29(2)：7-8.

[3]王慶國(guó)，趙衍華.鋁合金的攪拌摩擦焊接[M].北京：中國(guó)宇航出版社，2010.10.

[4]徐韋鋒，劉金合，架國(guó)紅，等.厚板鋁合金攪拌摩擦焊接頭顯微組織與力學(xué)性能[J].金屬學(xué)報(bào)，2008，44(11)：1404-1408.

[5]趙衍華，林三寶，申家杰，等.2014鋁合金攪拌摩擦焊接頭的微觀組織及力學(xué)性能[J].航空材料導(dǎo)報(bào)，2006，26(1)：67-70.

Microstructure and mechanical properties analysis of welding joint 7050 Aluminum alloy in friction stir welding

JIANG Yu-heng，LIU Jin-he，ZHOU Wei-tao
(School of Materials and Engineering，Northwestern Polytechnical University，Xi'an 710072，China)

The butt joints of 7050 aluminum alloy plates with thickness of 12 mm were obtained by friction stir welding with optimizal parameters，and the microstructure and Mechanical properties of the joints were analyzed.The results indicate that weld nugget zone is the formation of small equiaxial recrystallization organization.Thermo-mechanically affected zone with machine and hot dual role organization has undergone great degree of distortion，under the action of thermal cycle，happened reply response.Heat affected zone only the function of the heat cycle，coarse grains were found in heat affected zone.Mechanics test shows that the rotation speed is 400 r／min，welding speed is 180 mm／min，joint tensile strength can reach 391 MPa，the 77%of mother material and the Welding speed is 200 mm／min，rotation speed is 450 r／min，joint tensile strength can reach 376 MPa，the 74%of the mother materials.The fracture morphology analysis show joint fracture mode is wear crystal and the intergranular mixed fracture.

friction stir welding；7050 aluminum alloy；microstructure；mechanical properties；fracture morphology

TG457.19

A

1001-2303(2012)07-0086-04

2012-01-30

姜玉恒(1978—)，男，甘肅慶陽(yáng)人，碩士，主要從事攪拌摩擦焊工藝和模擬的研究工作。