6156-T4和2524-T3異種鋁合金攪拌摩擦焊對接接頭組織性能研究

任香會，萬里鵬，胡建冬

（洪都航空工業(yè)集團有限責任公司，江西 南昌 330024）

0 前言

攪拌摩擦焊（FSW）是英國焊接研究所（TWI）于1991年發(fā)明的一種固相連接技術(shù)，其原理是在高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭作用下，利用摩擦和劇烈塑性變形產(chǎn)生的熱形成一個熱塑性變形區(qū)域，塑性金屬隨著攪拌頭的移動和攪動，在軸肩鍛壓作用下形成致密的焊縫，實現(xiàn)材料的連接[1-3]。大量研究表明，由于鋁及其合金熔點低，采用攪拌摩擦焊技術(shù)可以獲得良好的接頭性能[4-6]。

隨著鋁合金在工業(yè)中的廣泛使用，對鋁合金攪拌摩擦焊的研究越來越廣泛和深入，其研究范圍涵蓋了攪拌頭的形狀設計和優(yōu)化、不同鋁合金結(jié)構(gòu)件的焊接工藝、鋁合金材料攪拌摩擦焊焊接參數(shù)的優(yōu)化以及攪拌摩擦焊的計算機數(shù)值仿真等方面[7-8]。關于攪拌摩擦焊異種鋁合金接頭性能與焊接參數(shù)關系的研究尚未見報道。在工業(yè)應用中，往往涉及到異種鋁合金材料的連接，因此異種鋁合金的FSW工藝的開發(fā)具有重要的理論意義和工程應用價值。

本研究對1.8 mm厚鋁合金6156-T4和2524-T3進行對接攪拌摩擦焊，研究不同焊接參數(shù)下接頭微觀組織、強度、顯微硬度以及殘余應力分布規(guī)律，為改進異質(zhì)鋁合金對接攪拌摩擦焊工藝提供試驗數(shù)據(jù)，為攪拌摩擦焊技術(shù)的推廣和應用奠定基礎。

1 試驗方法

試驗材料為300 mm×100 mm×1.8 mm的異種鋁合金6156-T4和2524-T3合金軋制薄板，6156-T4在后退側(cè)，2524-T3在前進側(cè)。兩種材料的化學成分如表1所示，板材的拉伸性能如表2所示。焊接設備主軸傾角2.5°，攪拌頭選用雙圓環(huán)軸肩（直徑D=10mm），攪拌針長 1.66mm，焊速 50~500 mm/min，轉(zhuǎn)速600~1 400 r/min。

表1 母材鋁合金化學成分 %

表2 母材鋁合金機械性能

在接頭橫截面上截取金相試樣，利用Keller試劑進行浸蝕，在ZEISS Axiovert 200 MAT金相顯微鏡上觀察試樣的微觀組織；接頭的拉伸性能試驗按國標GB/T228-2002在Zwick/Roll-Z050拉伸試驗機上測試接頭的性能。顯微硬度測試在HVA-5型顯微硬度計上進行，加載載荷選用100 g，停留時間15 s。測試位置是沿橫截面厚度中心方向，硬度測試間隔為0.5 mm。使用YCY型機械應變儀并按照《CB3395-92殘余應力測量方法-鉆孔應變釋放法》對FSW焊后試件進行殘余應力檢測。

2 試驗結(jié)果和分析

2.1 X-ray檢測及微觀組織分析

采用12組不同的焊接參數(shù)FSW焊接6156-T4和2524-T3異種鋁合金，對不同參數(shù)的焊縫進行X光檢測，檢測結(jié)果如表3所示，可以看出低焊速低轉(zhuǎn)速的焊縫和高轉(zhuǎn)速高焊速的焊接參數(shù)能夠形成致密的焊縫，而其他參數(shù)存在“隧道”缺陷。

表3 X-ray檢測結(jié)果

攪拌頭轉(zhuǎn)速為1 400 r/min時，不同焊速下焊縫的宏觀形貌及X光底片如圖1所示，可以看到焊速為50 mm/min時，焊縫的弧紋光滑，X-ray顯示內(nèi)部存在隧道缺陷；速度提高到200 mm/min后，焊縫表面十分粗糙，隧道缺陷減??；焊速為500mm/min時，焊縫弧紋清晰，波峰波谷分布均勻，X光檢測顯示焊縫內(nèi)無缺陷。

圖1 轉(zhuǎn)速為1 400 r/min焊縫形貌和X光無損檢測照片

圖2為1 400 r/min、500 mm/min參數(shù)下的金相組織圖片。由于腐蝕性能差異較大，經(jīng)Keller試劑浸蝕后，在光學顯微鏡下呈現(xiàn)不同的狀態(tài)，其中黑色為2524-T3材料，白色為6156-T4材料，在焊核區(qū)可以清晰看見兩種鋁合金的分界面。圖2a、圖2b分別為6156-T4和2524-T3母材組織表現(xiàn)為帶狀板條狀軋制型晶粒結(jié)構(gòu)。經(jīng)過攪拌摩擦焊后接頭宏觀形貌如圖2c所示。受攪拌摩擦作用，母材組織發(fā)生了顯著變化，焊核區(qū)由細化的等軸細小晶粒組成，如圖2d所示。

由于在攪拌摩擦焊接過程中存在前進側(cè)和后退側(cè)，其中攪拌頭旋轉(zhuǎn)線速度方向與焊接方向一致的一側(cè)為前進側(cè)，攪拌旋轉(zhuǎn)線速度方向與焊接方向相反的一側(cè)為后退側(cè)，這兩個區(qū)域經(jīng)歷的熱力循環(huán)存在顯著差異，因此產(chǎn)生相應區(qū)域組織結(jié)構(gòu)不同的現(xiàn)象，從而影響接頭性能。圖2e為后退側(cè)熱影響區(qū)6156-T4晶粒發(fā)生了粗化現(xiàn)象；在前進側(cè)的2524-T3熱影響區(qū)內(nèi)，焊核區(qū)組織與母材形成明顯的界面，如圖2f所示。此外，在焊核區(qū)內(nèi)還可以看到兩種鋁合金存在清晰的界面，并沒有成分混合均勻的區(qū)域，如圖2e所示。

圖3為焊速500 mm/min時，不同轉(zhuǎn)速對接頭宏觀形貌的影響。可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的增加，焊縫區(qū)隧道缺陷逐漸減小直至消失，焊核區(qū)內(nèi)兩種材料的混合程度也逐漸加深。研究表明，當焊速一定時，轉(zhuǎn)速增加導致焊縫內(nèi)單位長度的熱輸入量增加，塑化金屬的流動更加充分，這有利于得到高質(zhì)量的焊接接頭。

圖2 焊接參數(shù)1 400 r/min、500 mm/min條件下6156-T4和2524-T3接頭不同區(qū)域的微觀組織

圖3 不同轉(zhuǎn)速的6156-T4和2524-T3接頭的微觀組織

2.2 拉伸性能分析

12組焊接參數(shù)條件下6156-T4和2524-T3對接接頭的拉伸力學性能如表4所示。由表4可知，在低焊速、低轉(zhuǎn)速或者高轉(zhuǎn)速、高焊速工藝參數(shù)條件下，接頭可形成致密的焊縫接頭且抗拉強度較高，這與X光檢測結(jié)果一致，即存在隧道缺陷的焊接接頭性能顯著降低。其中，當轉(zhuǎn)速為1 400 r/min時，焊速由50 mm/min提高到500 mm/min，焊縫中的隧道缺陷逐漸減小至消失，接頭性能也逐漸提高；在焊速為500 mm/min時，隨著轉(zhuǎn)速的增加（從600 r/min到1 400 r/min），焊核區(qū)兩種材料的混合程度逐漸加劇，抗拉強度由259 MPa逐漸提高到289 MPa，最高可達到6156-T4母材性能的80%。

表4 不同參數(shù)下6156-T4和2524-T3接頭的拉伸性能

觀察焊縫斷裂位置發(fā)現(xiàn)在1400r/min、500mm/min的工藝參數(shù)條件下，6156-T4和2524-T3兩種鋁合金對接接頭均斷裂在后退側(cè)。對于同種鋁合金FSW而言，通常接頭斷裂位置出現(xiàn)在前進側(cè)或焊核區(qū)內(nèi)。本研究條件下斷裂在后退側(cè)，其原因在于后退側(cè)為6156-T4材料，其母材強度顯著低于前進側(cè)的2524-T3材料，因此后退側(cè)的強度也明顯較低。

2.3 殘余應力分析

對垂直焊縫方向夸接頭進行殘余應力分布測量，結(jié)果表明殘余應力的峰值出現(xiàn)在軸肩邊緣處，并且上表面應力值高于下表面。前進側(cè)（2524-T3鋁合金）軸肩邊緣處峰值應力低于后退側(cè)（6156-T4鋁合金）軸肩邊緣峰值應力，應力峰值分別為125 MPa和150MPa，這與斷裂位置在后退側(cè)相吻合。此外，由圖4還可看出，上表面應力值高于下表面，這是因為上表面同時受到攪拌針和軸肩的摩擦和攪拌作用更顯著，導致溫度高、塑性變形更劇烈，因此殘余應力較高。而下表面僅受攪拌針端部的攪拌作用，下表面溫度低、塑性變形區(qū)域較小，因此殘余應力低于上表面。

圖4 焊接參數(shù)1 400 r/min、500 mm/min條件下6156-T4和2524-T3接頭的殘余應力

2.4 顯微硬度分析

三組不同焊接參數(shù)條件下6156-T4和2524-T3兩種鋁合金焊縫橫截面上硬度分布曲線如圖5所示。可以看出，2524-T3側(cè)的硬度高于6156-T4側(cè)，其中參數(shù)為1 400 r/min、500 mm/min的條件下，接頭焊核區(qū)的硬度值最大。在6156-T4側(cè)，母材和熱影響區(qū)對應的硬度分別為110HV和90HV；在2524-T3側(cè)，母材和熱影響區(qū)硬度分別為140 HV和130 HV。

由以上試驗結(jié)果可以看出，焊接接頭硬度分布呈不對稱性，這是因為焊核區(qū)材料是兩種合金的混合體。隨著焊接參數(shù)的不同，兩種材料的混合程度發(fā)生變化，反映在混合區(qū)的硬度值呈現(xiàn)出不均勻性的波動[9-10]。顯微硬度值在焊核區(qū)出現(xiàn)明顯的梯度變化，變化位置隨著焊接參數(shù)的改變發(fā)生移動，提高轉(zhuǎn)速和焊速，顯微硬度梯度變化位置向左移動，這說明2524-T3鋁合金向6156-T4鋁合金一側(cè)流動的更充分。

3 結(jié)論

（1）使用攪拌摩擦焊技術(shù)實現(xiàn)6156-T4和2524-T3兩種鋁合金高質(zhì)量焊接。在低焊速低轉(zhuǎn)速或者高焊速高轉(zhuǎn)速的條件下，接頭抗拉強度達到6156-T4母材強度的70%~80%；當轉(zhuǎn)速1400r/min、焊速500mm/min時，接頭強度最高達到289MPa。

圖5 不同參數(shù)條件下接頭硬度分布曲線

（2）殘余拉應力分布在焊核區(qū)，遠離焊核區(qū)為壓應力。在接頭上表面存在較大的拉應力，下表面表現(xiàn)出的拉應力較小，拉應力的存在一定程度上降低了接頭的力學性能。

（3）顯微硬度在焊核區(qū)發(fā)生梯度變化，變化位置隨著焊接參數(shù)的變化發(fā)生移動，提高轉(zhuǎn)速和接度，梯度變化位置向左移動。

[1]ZhouCZ，YangXQ.Effectofrootflawsonthefatigueproperty of friction stir welds in 2024-T3 aluminum alloys[J].Materials Science and Engineering A，2005，418（1-2）：155-160.

[2]Kwon Y J，Shigematsu I，Saito N.Dissimilar friction stir welding between magnesium and aluminum alloys[J].Materials Letters，2008，62（23）：3827-3829.

[3]Yasui T，Tsubaki M，F(xiàn)ukumoto M.Butt welding between aluminum alloy and Al-based MMC by friction stirring[C].Canada：6th international friction stir welding symposium，2006.

[4]陳樹海，李俐群，陳彥賓.Ti/Al異種合金激光焊熔釬焊過程氣孔形成機制[J].稀有金屬材料與工程，2010，39（1）：32-36.

[5]姚 為，吳愛萍，鄒貴生，等.Ti/Al擴散焊的接頭組織結(jié)構(gòu)及其形成規(guī)律[J].稀有金屬材料與工程，2007，36（4）：700-704.

[6]Elangoven K，Balasubramanian V.Influences of pin profile and rotational speed of the tool on the formation of friction stir processing zone in AA2219 aluminum ally[J].Material Science and Engineering A，200，459（1-2）：7-18.

[7]欒國紅，North T H，郭德倫，等.鋁合金攪拌摩擦焊接頭行為分析[J].焊接學報，2002，23（6）：62-66.

[8]Chen Y C，Nakata K.Friction stir lap joining aluminum and magnesium alloys[J].ScriptaMaterialia，2008（58）：433-436.

[9]柯黎明，劉鴿平，邢 麗，等.鋁合金LF6與工業(yè)純銅T1的攪拌摩擦焊工藝[J].中國有色金屬學報，2004，14（9）：1534-1538.

[10]Chen Y C，Nakata K.Microstructural characterization and mechanical properties in friction stir welding of aluminum and titanium dissimilar alloys[J].Materials and Design，2009（30）：469-474.