5083鋁合金的攪拌摩擦焊研究

邱 宇，郭曉娟，李 光，王怡嵩

（中航工業(yè)北京航空制造工程研究所北京賽福斯特技術(shù)有限公司，北京100024）

0 前言

5083鋁合金是一種Al-Mg系合金，具有較高的耐蝕性、強(qiáng)度，焊接性能優(yōu)良，被廣泛用于船舶、汽車、軌道交通等領(lǐng)域[1-2]。作為一種固相連接技術(shù)，攪拌摩擦焊（Friction Stirring Welding，F(xiàn)SW）特別適用于鋁合金等有色金屬的焊接，它可以克服熔焊接頭中的氣孔、裂紋等缺陷，提高連接區(qū)的質(zhì)量，且效率較高[3-6]。此外，與熔焊相比，攪拌摩擦焊（FSW）具有基本無(wú)合金元素?zé)龘p[7]、焊接變形小、接頭強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。5083是一種不能熱處理強(qiáng)化的鋁合金，減小其焊接時(shí)的強(qiáng)度降低尤為重要。為了獲得強(qiáng)度較高的5083鋁合金焊接接頭，針對(duì)5083鋁合金開(kāi)展了攪拌摩擦焊試驗(yàn)研究，以期獲得優(yōu)化的工藝參數(shù)，為工程應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)材料為加工硬化態(tài)的5083-H111鋁合金板材，其化學(xué)成分如表1所示，符合GB/T 3190-2008標(biāo)準(zhǔn)。力學(xué)性能為：抗拉強(qiáng)度367.52 MPa、屈服強(qiáng)度270.94 MPa、延伸率15.58%。

表1 試驗(yàn)材料主要化學(xué)成分 %

采用FSW方法焊接尺寸為300mm×150mm×5mm的5083鋁合金板材，所用設(shè)備為中航工業(yè)集團(tuán)北京賽福斯特技術(shù)有限公司自主研制的FSW-RT31-010攪拌摩擦焊設(shè)備。焊接用攪拌頭的軸肩直徑為12 mm，攪拌針長(zhǎng)為4.8 mm。所用焊接參數(shù)為：主軸傾角 2.5°、焊接速度 300 mm/min、攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度600～1 400 r/min。

焊接接頭經(jīng)鑲嵌、拋光、腐蝕后用光學(xué)顯微鏡觀察其微觀組織，并測(cè)定焊核區(qū)的晶粒度。按照相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)焊接接頭的拉伸性能進(jìn)行測(cè)試，拉伸試樣示意和尺寸如圖1所示。用HXD-1000型顯微硬度儀測(cè)試焊接接頭橫截面的顯微硬度，加載載荷為0.98 N、保持時(shí)間 15 s，在距上、下表面約 1.5 mm 的直線上依次打點(diǎn)測(cè)試，兩點(diǎn)間距0.5 mm。

圖1 拉伸試樣示意

2 試驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 拉伸

不同工藝參數(shù)的焊接接頭拉伸性能如表2所示。當(dāng)焊接速度v保持不變（300 mm/min）時(shí)，隨著攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度ω的減小，焊接接頭的強(qiáng)度逐漸增加，這是因?yàn)閿嚢枘Σ梁傅臒彷斎肴Q于ω/v，熱輸入大導(dǎo)致焊接接頭軟化嚴(yán)重，因此攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度與焊接速度的比值（ω/v值）是決定FSW接頭性能的關(guān)鍵因素[8]。

表2 不同參數(shù)的焊接接頭拉伸性能

當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度600 r/min、焊接速度300mm/min（ω/v=2）、主軸傾角2.5°時(shí)，焊接接頭的強(qiáng)度和延伸率最高：抗拉強(qiáng)度 310.71MPa、屈服強(qiáng)度 211.09 MPa、延伸率5.96%，與母材的百分比分別為：抗拉強(qiáng)度84.54%、屈服強(qiáng)度77.91%、延伸率38.25%。該參數(shù)條件下的斷后試樣如圖2所示，可以看出試樣斷裂均發(fā)生在焊縫的前進(jìn)側(cè)熱機(jī)影響區(qū)，說(shuō)明這部分為焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)。

圖2 焊接接頭斷后形貌

2.2 金相

母材、前進(jìn)側(cè)熱影響區(qū)、前進(jìn)側(cè)熱機(jī)影響區(qū)、焊核區(qū)、后退側(cè)熱機(jī)影響區(qū)和后退側(cè)熱影響區(qū)的微觀組織照片如圖3所示?？梢钥闯瞿覆模˙M）組織（見(jiàn)圖3a）為明顯的軋制組織，晶粒方向與軋制方向平行；與母材相比，前進(jìn)側(cè)和后退側(cè)的熱影響區(qū)（HAZ）晶粒（見(jiàn)圖3b、圖3f）均有一定程度的長(zhǎng)大，但晶粒形態(tài)、取向與母材一樣，這是因?yàn)樵搮^(qū)域離焊縫中心較遠(yuǎn)，僅受熱長(zhǎng)大，未受到機(jī)械攪拌作用。

焊核區(qū)（WNZ）晶粒（見(jiàn)圖3d）為等軸狀晶粒，晶粒分布不存在明顯的方向性，這是由位錯(cuò)的滑移和亞晶粒的轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致的[9]；其晶粒度約為10級(jí)，明顯比母材的晶粒細(xì)小。等軸晶粒的形成過(guò)程為：焊核區(qū)在攪拌頭強(qiáng)烈的攪拌作用和劇烈的摩擦作用下，溫度較高、應(yīng)變速率較大，焊縫金屬在機(jī)械變形作用下和摩擦熱升溫的雙重作用下，組織發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，新形成的等軸晶逐步取代了母材中的板條狀組織，最終形成等軸狀晶粒。

前進(jìn)側(cè)、后退側(cè)熱機(jī)影響區(qū)（TMAZ）的晶粒（見(jiàn)圖3c、圖3e）取向與軋制方向呈一定的角度關(guān)系，晶粒發(fā)生明顯流線狀變形，這是因?yàn)樵诤附舆^(guò)程中，該區(qū)域組織除了受熱以外，還受到機(jī)械攪拌作用。與焊核區(qū)（WNZ）相比，熱機(jī)影響區(qū)（TMAZ）的機(jī)械攪拌作用較小、溫度較低，沒(méi)有發(fā)生再結(jié)晶，在熱循環(huán)的條件下發(fā)生回復(fù)。對(duì)比圖3c和圖3e可以發(fā)現(xiàn)，前進(jìn)側(cè)熱機(jī)影響區(qū)晶粒的流線狀改變趨勢(shì)大于后退，出現(xiàn)這種情況一方面是因?yàn)楹笸藗?cè)的溫度高于前進(jìn)側(cè)[10]，流動(dòng)性相對(duì)較好，另一方面是因?yàn)榍斑M(jìn)側(cè)所受到的機(jī)械攪拌作用力比后退側(cè)大，塑性變形也較大。

前進(jìn)側(cè)熱機(jī)影響區(qū)晶粒的變形大于后退側(cè)，受到的剪切力更大，前進(jìn)側(cè)相對(duì)較為薄弱，這就是焊縫受到橫向拉伸時(shí)易在前進(jìn)側(cè)發(fā)生斷裂的原因。

圖3 微觀組織

2.3 顯微硬度

焊接接頭的硬度分布曲線如圖4所示。圖4中正方形、圓形分別代表距上、下表面1.5mm處的硬度值，兩條折線則反映出硬度的變化趨勢(shì)。兩條曲線中都有一段硬度較低的區(qū)域（軟化區(qū)），上面、下面的軟化區(qū)寬度分別約為11 mm和7 mm，在軟化區(qū)內(nèi)下面的硬度值要高于上面的硬度值。這是因?yàn)樵诤附舆^(guò)程中，焊縫下面僅受到針的攪拌，其熱輸入小于受到軸肩攪拌的焊縫上面。因?yàn)楹附訜彷斎胧沟貌牧显瓉?lái)的加工硬化被消除，所以硬度降低，形成軟化區(qū)。從硬度變化趨勢(shì)可以看出，后退側(cè)的硬度比前進(jìn)側(cè)稍低，這是因?yàn)楹笸藗?cè)的熱輸入較大[10]、軟化程度大。

圖4 硬度分布曲線

3 結(jié)論

（1）5083-H111合金的優(yōu)化焊接工藝為：主軸傾角2.5°、旋轉(zhuǎn)速度600 r/min、焊接速度300 mm/min（ω/v=2）。

（2）焊接接頭的抗拉強(qiáng)度為310.71 MPa、屈服強(qiáng)度為211.09 MPa、延伸率為5.96%，抗拉強(qiáng)度達(dá)到母材的84.54%，斷裂發(fā)生在前進(jìn)側(cè)的熱機(jī)影響區(qū)。

（3）焊核區(qū)的組織為細(xì)小的等軸晶，晶粒度約為10級(jí)。

（4）焊接熱輸入導(dǎo)致焊接接頭出現(xiàn)一段軟化區(qū)，距焊縫上表面1.5mm、下表面1.5mm處的軟化區(qū)寬度分別為11mm和7mm，且后退側(cè)的硬度低于前進(jìn)側(cè)。

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