不同形狀攪拌頭異種鋁合金攪拌摩擦焊接頭的性能

劉守法，蔡 云，吳松林

（1.西京學(xué)院機(jī)電工程系，西安710123；2.永城職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程系，永城476600）

0 引 言

2024與7075 鋁合金皆為可熱處理強(qiáng)化鋁合金，具有優(yōu)良的耐蝕性與較高的比強(qiáng)度，目前已廣泛應(yīng)用于航空航天工業(yè)。采用傳統(tǒng)熔焊對(duì)這兩種鋁合金進(jìn)行焊接時(shí)，易使熔融區(qū)形成樹(shù)狀晶組織并產(chǎn)生氣孔與凝固裂紋，從而導(dǎo)致焊接接頭質(zhì)量降低［1-2］。攪拌摩擦焊接（FSW）有別于傳統(tǒng)熔焊，它是一種具有低變形、高焊接質(zhì)量的固態(tài)焊接工藝，可有效提高鋁合金焊接的質(zhì)量與效率。

目前有關(guān)2024-T3與7075-T6鋁合金FSW的相關(guān)研究中，大多數(shù)著重于接頭顯微組織、硬度、拉伸與疲勞性能等方面的研究［3-4］，而關(guān)于攪拌針形狀對(duì)焊縫內(nèi)材料流動(dòng)與力學(xué)性能影響的研究較少［5-6］。為了提高此類合金接頭的性能，作者選用兩種形狀的攪拌頭，在不同攪拌頭轉(zhuǎn)速、焊接速度和材料搭配方式下對(duì)異種鋁合金（2024-T3與7075-T6）進(jìn)行攪拌摩擦焊接，研究了不同條件下接頭的焊縫形貌和力學(xué)性能。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

對(duì)3mm厚的2024-T3與7075-T6鋁合金板進(jìn)行焊接，焊接前先將它們切割成表面尺寸為120mm×60mm的長(zhǎng)方形，待焊接面用銑床加工平整。攪拌頭材料為鉬系高速鋼SKH55，形狀為圓柱螺紋和三棱柱螺紋，攪拌頭的尺寸及形狀如圖1所示。攪拌頭的轉(zhuǎn)速為1 100r·min-1，焊接速度分別為80，120mm·min-1。鋁合金的搭配方式：前進(jìn)側(cè)（AS）和后退側(cè)（RS）分別放置2024-T3和7075-T6鋁合金記為 AS（2024）-RS（7075），反之記為AS（7075）-RS（2024）。焊接后鋁合金板的表面尺寸為120mm×120mm。

焊接完成后在焊縫處取樣，利用HXS-1000A型顯微硬度儀測(cè)顯微硬度，加載載荷為1.96N，保持時(shí)間為5s；分別觀察母材（BM）、熱影響區(qū)（HAZ）、熱機(jī)影響區(qū)（TMAZ）和攪拌區(qū)（STZ）的宏觀形貌。

根據(jù)GB/T 2651-2008，用線切割機(jī)從接頭上沿垂直于焊縫方向截取標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，在RG2000-20型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速度為2mm·s-1，每組測(cè)試3個(gè)試樣取平均值，每組數(shù)據(jù)中選取抗拉強(qiáng)度最大的試樣，采用JSM-5600型掃描電子顯微鏡進(jìn)行斷口形貌觀察。

圖1 不同形狀攪拌頭的尺寸Fig.1 Dimension of threaded cylindrical（a）and threaded triangular prism stir head（b）

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 焊縫的宏觀形貌

由表1可以看出，在攪拌頭轉(zhuǎn)速和焊接速度分別為1 100r·min-1和80mm·min-1的情況下，兩種形狀攪拌頭形成的焊縫均無(wú)隧道類缺陷，圓柱螺紋攪拌頭對(duì)應(yīng)焊縫的攪拌區(qū)中可明顯分辨出兩種材料，說(shuō)明兩種材料并未完全均勻地?cái)嚢柙谝黄?，而三棱柱螺紋攪拌頭可以使材料的塑性流動(dòng)更劇烈，所以它對(duì)應(yīng)的焊縫攪拌區(qū)中兩種材料混合得較均勻［7］。在攪拌頭轉(zhuǎn)速和焊接速度分別為1 100r·min-1和120mm·min-1的情況下，圓柱螺紋攪拌頭對(duì)應(yīng)的焊縫有明顯的隧道類缺陷形成，這主要是由單位長(zhǎng)度上焊縫輸入熱量不足，導(dǎo)致材料不易形成塑性流動(dòng)而造成的，其中2024-T3合金位于前進(jìn)側(cè)時(shí)的隧道類缺陷較為嚴(yán)重，而三棱柱螺紋攪拌頭對(duì)應(yīng)焊縫中的隧道類缺陷較輕。由此可見(jiàn)，三棱柱螺紋攪拌頭較圓柱螺紋攪拌頭更易使材料產(chǎn)生塑性流動(dòng)，而由于7075-T6鋁合金的塑性流動(dòng)能力較差，故應(yīng)將其放置在攪拌針邊緣與材料相對(duì)速度較大的前進(jìn)側(cè)。

表1 不同焊接條件下焊縫的宏觀形貌Tab.1 Macro morphology of weld seam under different welding conditions

2.2 焊縫的硬度

由圖2可見(jiàn)，兩種攪拌頭對(duì)應(yīng)焊縫硬度的變化趨勢(shì)相似，其中母材的硬度最高，HAZ的硬度最低。由于7075-T6合金母材比2024-T3合金母材的硬度高，而在焊縫兩側(cè)材料同時(shí)受熱影響時(shí)，會(huì)導(dǎo)致析出物粗化［8］，造成硬度下降；且在相同的條件下，7075-T6合金的析出強(qiáng)化效果高于2024-T3的，所以7075-T6合金側(cè)的硬度高于2024-T3側(cè)的。另外，由于TMAZ區(qū)材料受熱以及塑性變形的影響而產(chǎn)生位錯(cuò)及部分再結(jié)晶，而HAZ區(qū)的材料受熱影響出現(xiàn)晶粒長(zhǎng)大，故而導(dǎo)致TMAZ區(qū)的硬度比HAZ區(qū)的高［9］。

在攪拌頭轉(zhuǎn)速與焊接速度相同的情況下，AS側(cè)熱機(jī)影響區(qū)的范圍比RS側(cè)的大。這是由于AS側(cè)攪拌針邊緣上的點(diǎn)與待焊材料（鋁合金）的相對(duì)速度比RS側(cè)的大，從而導(dǎo)致AS側(cè)材料塑性變形大而引起的。

三棱柱螺紋攪拌頭焊縫的硬度比圓柱螺紋攪拌頭的略高，這主要是由于前者對(duì)被焊材料的脈沖作用產(chǎn)生了較大的摩擦與塑性變形，使得位錯(cuò)及部分再結(jié)晶程度較大所致。

攪拌頭轉(zhuǎn)速不變，將焊接速度提高至120mm·min-1，其硬度曲線如圖2（b）所示。可見(jiàn)，硬度曲線的變化不大，2024-T3鋁合金置于不同側(cè)時(shí)HAZ區(qū)的硬度差異有所增大，其中材料搭配方式為AS（2024）-RS（7075）的焊接接頭 HAZ區(qū)的硬度僅為107HV，在所有焊接接頭中最小。

2.3 接頭的拉伸性能

2024-T3和7075-T6鋁合金母材的抗拉強(qiáng)度分別為270，340MPa。由表2可見(jiàn)，在相同的焊接參數(shù)下，圓柱螺紋攪拌頭對(duì)應(yīng)接頭的抗拉強(qiáng)度低于三棱柱螺紋攪拌頭的。這是因?yàn)槿庵菁y攪拌頭有三個(gè)平面，會(huì)對(duì)材料產(chǎn)生脈沖式攪拌，增加了材料的塑性流動(dòng)，使兩種材料容易均勻地混合在一起，從而提高了抗拉強(qiáng)度［10］。

對(duì)于在AS側(cè)放置7075-T6鋁合金的焊接接頭，其斷裂位置均位于RS側(cè)2024-T3鋁合金的STZ區(qū)，而在RS側(cè)放置7075-T6鋁合金的焊接接頭，其斷裂位置均位于AS側(cè)2024-T3鋁合金的TAMZ區(qū)或BM區(qū)。因攪拌區(qū)大多由RS側(cè)的材料組成，故其力學(xué)性能接近于RS側(cè)的材料，RS側(cè)材料對(duì)焊縫力學(xué)性能與顯微組織的影響較大，而AS側(cè)材料的影響較?。?］。由此可見(jiàn)，RS側(cè)2024-T3材料因進(jìn)入攪拌區(qū)較多而引起該區(qū)強(qiáng)度下降。

圖2 不同焊接條件下接頭焊縫的硬度分布曲線Fig.2 Micro hardness curves of weld seam under different welding conditions

表2 不同焊接條件下焊接接頭的抗拉強(qiáng)度Tab.2 Tensile strength of welded joint under different welding conditions

當(dāng)焊接速度提高至120mm·min-1時(shí)，兩種攪拌頭對(duì)應(yīng)接頭的抗拉強(qiáng)度均有所下降。由于焊接速度過(guò)高，單位長(zhǎng)度上的熱輸入不足，從而使材料的塑性流動(dòng)差，形成材料混合不均或者存在隧道類缺陷［9］。因此在制取拉伸試樣前，應(yīng)進(jìn)行無(wú)損探傷，以確保拉伸試樣沒(méi)有不容許的宏觀缺陷。

另由表2可見(jiàn)，當(dāng)攪拌頭轉(zhuǎn)速與焊接速度分別為1 100r·min-1和80mm·min-1時(shí)，三棱柱螺紋攪拌頭對(duì)應(yīng)的 AS（2024）-RS（7075）搭配方式的接頭抗拉強(qiáng)度最大，為260MPa。

2.4 斷口形貌

由圖3可見(jiàn)，各試樣的斷口均由韌窩和延性撕裂棱組成，為延性破壞的典型特征。焊接速度為80mm·min-1時(shí)，圓柱螺紋攪拌頭對(duì)應(yīng)拉伸斷口中的韌窩與延性撕裂棱比三棱柱螺紋攪拌頭的大，這與三棱柱螺紋攪拌頭對(duì)應(yīng)的抗拉強(qiáng)度較高相吻合。焊接速度為120mm·min-1時(shí)，圓柱螺紋攪拌頭對(duì)應(yīng)拉伸斷口中韌窩的數(shù)量和深度比三棱柱螺紋攪拌頭的少且淺，其中 AS（7075）-RS（2024）搭配方式下試樣6中的韌窩數(shù)量最少、深度最淺，這使得其抗拉強(qiáng)度最低。

圖3 不同焊接試樣的拉伸斷口形貌Fig.3 Tensile fracture morphology of different welded samples：（a）sample 1；（b）sample 2；（c）sample 3；（d）sample 4；（e）sample 5；（f）sample 6；（g）sample 7and（h）sample 8

3 結(jié) 論

（1）對(duì)2024-T3與7075-T6的鋁合金進(jìn)行了不同形狀攪拌頭攪拌摩擦焊接，攪拌頭轉(zhuǎn)速與焊接速度分別為1 100r·min-1和80mm·min-1時(shí)，焊縫無(wú)隧道類缺陷，且三棱柱螺紋攪拌頭使兩種材料融合得更好。

（2）當(dāng)攪拌頭轉(zhuǎn)速與焊接速度分別為1 100r·min-1和120mm·min-1、材料搭配方式為 AS（2024）-RS（7075）、攪拌頭形狀為圓柱螺紋時(shí)，焊縫的硬度最小，僅為107HV。

（3）攪拌頭轉(zhuǎn)速與焊接速度分別為1 100r·min-1和80mm·min-1、材料搭配方式為 AS（2024）-RS（7075）、攪拌頭形狀為三棱柱螺紋時(shí)，接頭的抗拉強(qiáng)度達(dá)到了260MPa，斷裂位置為2024-T3鋁合金的TMAZ區(qū)。

（4）當(dāng)攪拌頭轉(zhuǎn)速與焊接速度分別為1 100r·min-1和120mm·min-1、材料搭配方式 AS（7075）-RS（2024）時(shí)，圓柱螺紋攪拌頭對(duì)應(yīng)拉伸斷口上的韌窩數(shù)量最少且深度最淺，這使得其抗拉強(qiáng)度最低，為78MPa。

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