2A12與2A11鋁合金超聲波焊接工藝與組織研究

謝俊峰，朱有利，黃元林，白 昶

（1裝甲兵工程學(xué)院 裝備再制造工程系，北京 100072；2中國人民解放軍65331部隊，吉林 吉林 132012；3中國北方車輛研究所，北京 100072）

2A12與2A11鋁合金均屬于2XXX系列高強度鋁合金，具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，廣泛應(yīng)用于飛機和汽車制造業(yè)。但是高強度鋁合金的傳統(tǒng)焊接方法，如TIG焊、電阻焊等，易出現(xiàn)焊件熱變形大、焊縫缺陷多等缺點，很大程度上降低了焊接接頭的力學(xué)性能［1］。因此，近年來學(xué)者們對攪拌摩擦焊、超聲波焊接等新型焊接方法進(jìn)行了廣泛研究，以克服傳統(tǒng)焊接方法的缺點，更好地發(fā)揮高強鋁合金的性能［2－4］。

自20世紀(jì)60年代起，國內(nèi)外學(xué)者對超聲波金屬焊接技術(shù)進(jìn)行了較多的研究。超聲波金屬焊接主要原理是：在法向正壓力和切向高頻超聲波振動的共同作用下，焊接界面上發(fā)生高頻切向摩擦，產(chǎn)生高速率塑性變形和快速的溫升，從而破碎去除焊接界面的氧化膜和污染物，使純凈的裸露金屬原子發(fā)生接觸，以金屬鍵的形式形成焊接結(jié)合［5］。超聲波金屬焊接是一種低溫固態(tài)焊接技術(shù)，焊接界面上產(chǎn)生的溫度一般僅為母材熔點的30%～50%［6］，因而具有無焊接熱變形、耗能小、室溫操作等優(yōu)點以及良好的發(fā)展前景。在鋁合金焊接領(lǐng)域，國內(nèi)外研究人員對鋁合金超聲波焊接的工藝參數(shù)、焊接接頭力學(xué)性能和焊接界面組織結(jié)構(gòu)等方面開展了比較多的研究工作［7－10］。但由于影響超聲波金屬焊接的因素比較復(fù)雜，而且焊接時間短暫（＜1s），因此對于超聲波金屬焊接的焊接機理，目前尚無統(tǒng)一的認(rèn)識［11］。而且以往的鋁合金超聲波焊接研究多集中在6XXX系列和3XXX系列等中低強度鋁合金，對于2XXX系列高強度鋁合金的研究較少。

本工作對2XXX系列高強度鋁合金進(jìn)行了超聲波焊接，為了便于在焊接界面上區(qū)分母材與箔材，采用材料成分略有不同的2A12－T3與2A11－O鋁合金分別作為母材與箔材。采用掃描電鏡、能譜分析、電子背散射衍射和透射電鏡研究了超聲波焊接工藝參數(shù)對焊接界面結(jié)合狀況的影響和焊接界面的組織結(jié)構(gòu)，并分析了相關(guān)機理。

1 實驗材料與方法

實驗選用2A12－T3鋁合金軋制板材作為超聲波焊接母材，母材試樣的尺寸規(guī)格為3mm×20mm×100mm。超聲波焊接箔材選用尺寸為0.5mm×20mm×20mm的2A11－O鋁合金。2A12與2A11鋁合金的主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)／%）分別為Si 0.5，F(xiàn)e 0.5，Cu 3.8～4.9，Mg 1.2～1.8，Mn 0.3～0.9，Zn 0.3，Al余量以及 Si 0.7，F(xiàn)e 0.7，Cu 3.8～4.8，Mg 0.4～0.8，Mn 0.4～0.8，Zn 0.3，Al余量。超聲波焊接方式為點焊，超聲波焊接振動頻率為20kHz，其余工藝參數(shù)如表1所示。其中，進(jìn)行氬氣保護(hù)時，首先去除焊接試樣表面的氧化物，然后焊接過程中向焊接區(qū)域施加氬氣氣流，防止焊區(qū)材料發(fā)生氧化。采用QUANTA 200型掃描電鏡觀察試樣焊接界面的結(jié)合狀況，試樣經(jīng)鑲樣、磨制和拋光后，采用配比為1%氫氟酸（HF）＋1.5% 鹽酸（HCl）＋2.5%硝酸（HNO3）＋95%水（H2O）的混合酸進(jìn)行腐蝕。利用裝配在JEM－7001F型場發(fā)射掃描電子顯微鏡的背散射電子衍射系統(tǒng)（EBSD）表征了超聲波焊接試樣的晶粒形貌，并通過EBSD的分析軟件計算分析試樣的晶粒尺寸和晶界角度。EBSD試樣經(jīng)磨制和機械拋光后，再進(jìn)行電解拋光。電解液為10%HClO4＋90%C2H5OH，電壓為20V，室溫下電解拋光，時間為15～30s。焊接界面組織的微觀結(jié)構(gòu)分析在JEM－2010型透射電鏡下進(jìn)行，試樣首先由機械方法減薄至50μm，然后在氬氣中進(jìn)行離子減薄。SEM，EBSD和TEM試樣均從在超聲波焊接試樣的斷面上取樣。

表1 超聲波焊接工藝參數(shù)Table 1 Process parameters of ultrasonic welding

2 結(jié)果與討論

2.1 超聲波焊接界面的結(jié)合狀況

圖1（a）～（d）分別為工藝1～4條件下超聲波焊接界面的掃描電鏡照片，其中圖中上側(cè)為箔材，下側(cè)為母材。通過對比圖1（a）和圖1（b）可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)焊接振幅為15μm時，焊接工藝2（有氬氣保護(hù)）焊接界面的結(jié)合狀況相對工藝1（無氬氣保護(hù)）有較大的改善。工藝1焊接界面上母材與箔材之間存在明顯的焊接缺陷層。而在工藝2的焊接界面上缺陷層的長度和寬度明顯減小，并且其余區(qū)域的母材與箔材結(jié)合良好。由圖1（c）和圖1（d）可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)焊接振幅由15μm增大到30μm時，工藝3與工藝4焊接的焊接界面結(jié)合狀況遠(yuǎn)優(yōu)于工藝1和工藝2。工藝3、4焊接界面上的母材與箔材完全結(jié)合在一起，沒有出現(xiàn)如工藝1、2焊接界面的缺陷層，而且工藝3、4焊接界面上發(fā)生了比較強烈的塑性變形，箔材和母材的形貌有著比較明顯區(qū)別。在超聲波焊接研究中，焊接界面上結(jié)合區(qū)域與焊接界面的長度比值稱為線性焊接密度［7］，是直接反映超聲波焊接結(jié)合狀況和結(jié)合性能的重要指標(biāo)，常用來表征焊接結(jié)合強度。從圖1中可觀察到，工藝1的線性焊接密度僅為30% 左右，工藝2提高到70%左右，而工藝3和工藝4則接近100%。由此可見，相對于工藝1，其他三種工藝提高了超聲波焊接的線性焊接密度和結(jié)合強度。

2.2 工藝參數(shù)對超聲波焊接結(jié)合狀況的影響

2.2.1 氬氣保護(hù)的影響

圖1 不同工藝焊接界面掃描電鏡照片 （a）工藝1；（b）工藝2；（c）工藝3；（d）工藝4Fig.1 SEM micrographs of welded interfaces with various processes （a）process 1；（b）process 2；（c）process 3；（d）process 4

圖2為工藝1超聲波焊接界面上缺陷層的放大圖，可觀察到缺陷層內(nèi)部存在連續(xù)絮狀物。能譜分析顯示，圖2中黑色箭頭所指處絮狀物的氧元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為21.5%，表明缺陷層內(nèi)部主要為氧化物。這說明在工藝1的條件下進(jìn)行超聲波焊接時，未被破碎去除的表面氧化物殘留在焊接界面上形成氧化物缺陷層，阻礙母材與箔材形成焊接結(jié)合，但殘留氧化物可與箔材、母材分別形成類似于陶瓷與金屬之間的超聲波焊接結(jié)合，也具備一定的結(jié)合強度［6］。為了減少或者去除焊接界面上的殘留氧化物，工藝2采用了氬氣保護(hù)進(jìn)行超聲波焊接。如圖1（b）所示，工藝2的超聲波焊接界面上的氧化物缺陷層的長度和寬度都明顯減少，表明氬氣保護(hù)減少了焊接界面上的殘留氧化物，使更多區(qū)域母材與箔材的裸露原子發(fā)生接觸，更易于形成焊接結(jié)合，因此有助于提高線性焊接密度及焊接結(jié)合強度。圖1（c）和圖1（d）顯示，工藝3和工藝4的超聲波焊接界面上未發(fā)現(xiàn)氧化物缺陷層，該區(qū)域的母材與箔材相互交錯并完全結(jié)合在一起。同時對比工藝3和工藝4的焊接界面，可發(fā)現(xiàn)兩者界面結(jié)合狀況基本相同。這表明當(dāng)焊接振幅增大到30μm時，焊接過程中產(chǎn)生的高頻切向摩擦能夠有效地破碎去除試樣的表面氧化物，而此時氬氣保護(hù)對去除焊接界面的殘留氧化物和線性焊接密度的影響不大。

圖2 焊接界面缺陷層掃描電鏡和能譜分析（a）缺陷層形貌；（b）缺陷層能譜分析Fig.2 SEM and EDS analysis of deficiency layer（a）morphology；（b）EDS analysis

以上實驗結(jié)果表明，當(dāng)焊接振幅較小時，試樣表面氧化物殘留在焊接界面上，阻礙母材與箔材形成焊接結(jié)合，焊接界面的線性焊接密度僅為30%。采用氬氣保護(hù)措施可以較好地去除試樣表面氧化物，較明顯地提高線性焊接密度，從而提高試樣的焊接結(jié)合強度。而當(dāng)焊接振幅增大到30μm時，超聲波焊接界面的材料會產(chǎn)生更加強烈的高頻切向摩擦和剪切變形，能夠更有效地破碎去除焊接試樣的表面氧化物。因此這種狀況下，氬氣保護(hù)措施對超聲波焊接界面的線性焊接密度無明顯影響。

2.2.2 焊接振幅和焊接時間的影響

由圖1（a）～（d）可知，當(dāng)焊接振幅較小，焊接時間較長時，超聲波焊接不僅難以去除試樣表面氧化物，而且在氬氣保護(hù)下，得到的線性焊接密度也只有70%左右；當(dāng)焊接振幅較大時，雖然焊接時間較短，但卻能更有效地去除試樣表面氧化物，而且使焊接界面區(qū)域產(chǎn)生更加強烈的塑性變形，形成較好的焊接結(jié)合，得到的線性焊接密度接近100%。因此，相比焊接時間，焊接振幅是影響超聲波焊接線性焊接密度以及焊接結(jié)合強度的最主要參數(shù)。這是因為，只有當(dāng)超聲波焊接產(chǎn)生的摩擦力和剪應(yīng)力達(dá)到或超過氧化物的內(nèi)聚強度和結(jié)合強度時，才可以起到破碎去除氧化物的作用，僅靠增加焊接時間不能起到有效的破碎去除作用。但是，振幅過大時會在焊接界面上產(chǎn)生過大的應(yīng)力，從而破壞焊接結(jié)合，使線性焊接密度下降［5］。

2.3 超聲波焊接界面的塑性流動

超聲波焊接過程中，在法向壓力和高頻切向摩擦的共同作用下，母材與箔材之間的焊接界面上會產(chǎn)生強烈的塑性變形，使得焊接界面上形成漩渦和波紋狀塑性流動［12］，了解和認(rèn)識焊接界面的塑性流動有助于理解超聲波焊接結(jié)合的焊接機理。

工藝1的超聲波焊接界面上存在較多的氧化物缺陷層和孔洞等未結(jié)合區(qū)，但結(jié)合區(qū)與未結(jié)合區(qū)的交界處更容易觀察到材料的塑性流動特征。圖3白色方框區(qū)域為工藝1超聲波焊接界面的結(jié)合區(qū)，兩側(cè)為超聲波焊界面的未結(jié)合區(qū)。在右側(cè)結(jié)合區(qū)與未結(jié)合區(qū)的交界處，由于受結(jié)合區(qū)材料的波紋狀塑性流動影響，平直的氧化物缺陷層明顯發(fā)生轉(zhuǎn)動、彎曲和分叉。同時可觀察到，焊接界面上的微結(jié)合區(qū)發(fā)生如圖4中白色箭頭所示的轉(zhuǎn)動和圖5中漩渦狀塑性流動，并且圖5中缺陷層中的部分氧化物被塑性流動攪拌粉碎。這表明超聲波焊接過程中，焊接界面上微凸峰首先接觸形成微結(jié)合區(qū)，隨后微結(jié)合區(qū)發(fā)生轉(zhuǎn)動，形成波紋或漩渦狀塑性流動，進(jìn)而破碎去除焊接界面上的殘留氧化物，使箔材和母材的裸露原子直接接觸，形成較大面積的焊接結(jié)合區(qū)［12］。

2.4 超聲波焊接界面的微觀組織結(jié)構(gòu)

圖6為SEM下工藝4超聲波焊接界面的組織形貌，黑色箭頭所指處為焊接界面，焊接界面上下兩側(cè)分別2A11箔材和2A12母材。圖中顯示，母材與箔材在焊接界面上相互交錯并完全結(jié)合在一起。相比母材，靠近焊接工具頭的箔材因發(fā)生了較為強烈的塑性變形而顯得更加致密。由于掃描電鏡無法觀察到更詳細(xì)的焊接界面組織微觀結(jié)構(gòu)，因此采用了EBSD和TEM進(jìn)行更深入的觀察分析。

圖3 工藝1焊接界面上的結(jié)合區(qū)Fig.3 Bonding zone at the welded interface with process 1

圖4 工藝1焊接界面上的微結(jié)合區(qū)Fig.4 Micro－bonding zone at the welded interface with process 1

圖5 工藝1焊接界面上的漩渦Fig.5 Vortex at the welded interface with process 1

圖6 工藝4焊接界面形貌的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.6 SEM micrograph of welded interface morphology with process 4

圖7為工藝4超聲波焊接試樣各區(qū)域的EBSD晶界分布圖，其中紅色、青色和紫色線條分別代表2～5°，5～15°的小角度晶界和大于15°的大角度晶界。從圖7中對比可以看出，超聲波焊接過程中，焊接界面上的箔材和母材發(fā)生了明顯的晶粒細(xì)化。圖7（a）和圖7（b）中區(qū)域分別為原始焊接箔材和母材，圖中顯示原始箔材與母材組織的平均晶粒尺寸約為20～30μm，主要以大角度晶界晶粒為主，符合2A11－O和2A12－T3鋁合金的組織特征。其中原始箔材為軋制后退火2A11鋁合金，因此部分晶粒還保留著沿軋制方向伸長的形貌特征。原始箔材的大角度晶界內(nèi)部存在較多的2～5°小角度晶界，這是由于2A11鋁合金退火處理后，第二相粒子再結(jié)晶形成的。從圖7（c）可以得出，焊接界面區(qū)域上形成了平均尺寸約為3μm，以大角度晶界為主的細(xì)晶組織。其中如箭頭所示，在焊接界面處，母材和箔材在材料塑性流動的作用下融合在一起，形成一個充滿大量紫色線條的結(jié)合區(qū)域，這表示箔材和母材在焊接界面處完全結(jié)合在一起，并形成了由尺寸小于1μm的大角度晶界細(xì)小晶粒組成的焊接界面組織。由于焊接界面處的晶粒尺寸過小，在圖中表現(xiàn)為密集纏結(jié)的紫色線條。此外，焊接界面區(qū)域還存在一些由紅色和青色線條所表示的小角度晶界，這是焊接界面區(qū)域形成的亞晶組織。圖中的白色虛線旋轉(zhuǎn)箭頭所指為焊接界面附近的弧線狀帶狀晶粒組織，這表明焊接界面區(qū)域發(fā)生了強烈塑性變形，形成的漩渦狀塑性流動，與2.3節(jié)的分析相符合。

圖7 工藝4超聲波焊接試樣的EBSD晶界分布圖（a）原始箔材；（b）原始母材；（c）焊接界面區(qū)域Fig.7 EBSD grain boundary distribution maps of the USW sample with process 4 （a）original foil；（b）original substrate；（c）welded interface zone

圖8為工藝4焊接界面的組織結(jié)構(gòu)TEM圖像。圖8（a）中箭頭所指處為母材晶粒與箔材晶粒的交界處，左右兩側(cè)分別為母材和箔材晶粒，圖中顯示在母材與箔材的交界處以及其附近區(qū)域產(chǎn)生了由于位錯增殖形成的位錯纏結(jié)、位錯胞、亞晶和尺寸約為1μm的細(xì)小晶粒。并且如圖8（b）箭頭所示，焊接界面上母材與箔材的晶粒，通過由平行密集排列的位錯墻所形成的亞晶界和晶界結(jié)合在一起。EBSD和TEM分析表明超聲波焊接過程中，焊接界面上箔材和母材鋁合金完全結(jié)合在一起，并形成了由大量細(xì)小晶粒以及部分位錯纏結(jié)、位錯胞、亞晶構(gòu)成的晶粒細(xì)化結(jié)合區(qū)。超聲波焊接過程中，焊接界面上箔材與母材之間的高頻切向摩擦產(chǎn)生了劇烈的塑性變形和快速溫升。由于鋁合金的層錯能較高，使位錯容易產(chǎn)生交滑移，因此在溫升和塑性變形的共同作用下，鋁合金一般會發(fā)生動態(tài)回復(fù)，形成位錯胞和亞晶組織［13］。但是在攪拌摩擦焊等工藝中，高速率塑性變形會產(chǎn)生大量的位錯增值，使得發(fā)生動態(tài)回復(fù)的鋁合金進(jìn)一步發(fā)生連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶，形成具有大角度晶界的細(xì)小晶粒組織［14］。而超聲波焊接過程中，焊接界面上同樣會產(chǎn)生高速率塑性變形和比較高的溫度（240～420℃），從而引發(fā)鋁合金的動態(tài)回復(fù)和連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶［15］，形成由位錯纏結(jié)、位錯胞、亞晶和細(xì)小晶粒組成的焊接界面組織。同時在焊接界面上，母材與箔材的晶粒以亞晶界和晶界形成焊接結(jié)合。

3 結(jié)論

（1）焊接振幅是影響超聲波焊接線性焊接密度的最重要因素。當(dāng)焊接振幅為15μm時，形成的線性焊接密度僅為30%左右；當(dāng)焊接振幅為30μm時，形成的線性焊接密度接近100%。

（2）當(dāng)焊接振幅為15μm時，采用氬氣保護(hù)可將線性焊接密度提高到70%左右。當(dāng)焊接振幅為30μm時，焊接試樣表面氧化物被超聲波焊接過程中的高頻切向摩擦清除，氬氣保護(hù)對線性焊接密度的影響不大。

（3）焊接界面上形成微結(jié)合區(qū)并發(fā)生轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生波紋和漩渦狀的塑性流動，破碎去除焊接界面上的氧化物，從而形成面積較大的焊接結(jié)合區(qū)。

（4）焊接界面上的鋁合金發(fā)生了動態(tài)回復(fù)和連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶，形成由位錯纏結(jié)、位錯胞、亞晶和細(xì)小晶粒組成的焊接界面組織。母材與箔材在焊接界面上以亞晶界和晶界的形式形成焊接結(jié)合。

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