轉(zhuǎn)速對水下攪拌摩擦焊接7A04-T6鋁合金組織與性能的影響

王 文，李天麒，喬 柯，徐瑞琦，王快社

(西安建筑科技大學(xué) 冶金工程學(xué)院 材料加工實驗室，西安 710055)

轉(zhuǎn)速對水下攪拌摩擦焊接7A04-T6鋁合金組織與性能的影響

王 文，李天麒，喬 柯，徐瑞琦，王快社

(西安建筑科技大學(xué) 冶金工程學(xué)院 材料加工實驗室，西安 710055)

對7A04-T6鋁合金板進行水下攪拌摩擦焊接(FSW)，研究轉(zhuǎn)速對水下FSW接頭組織和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：水下FSW接頭的硬度最小值均位于熱機械影響區(qū)。高轉(zhuǎn)速條件下(950r/min)接頭的硬度分布呈現(xiàn)“W”形，焊核區(qū)平均硬度值高于低轉(zhuǎn)速條件下(475，600，750r/min)接頭的硬度值。當(dāng)焊速恒定為235mm/min，轉(zhuǎn)速從475r/min提高到750r/min時，接頭焊核區(qū)的析出相隨轉(zhuǎn)速的增大逐漸粗化，接頭抗拉強度系數(shù)從89.71%降低到82.33%；當(dāng)轉(zhuǎn)速升高到950r/min時，析出相發(fā)生固溶時效，呈現(xiàn)細小彌散的分布特征，接頭的強度系數(shù)提高到89.04%。接頭具有較高的應(yīng)變硬化能力，塑性伸長率較高。水下FSW接頭的拉伸斷口均呈現(xiàn)微孔聚合和解理混合斷裂特征。

水下攪拌摩擦焊接；7A04鋁合金；轉(zhuǎn)速；組織；力學(xué)性能

Abstract： Underwater friction stir welding (FSW) on 7A04-T6 aluminum alloy plates was carried out, and the effect of rotation rate on microstructure and mechanical properties of joints was investigated. The results show that the minimum hardness of underwater FSW joints is located in the thermo-mechanically affected zone. The hardness of welded joints at the high rotation rate of 950r/min exhibits W-shaped distribution, and the average hardness value in the nugget zone is higher than that of welded joints at the low rotation rate of 475, 600, 750r/min. When the rotation rate increases from 475r/min to 750r/min with a constant welding speed of 235mm/min, the precipitated phases in the nugget zone gradually become coarse, and the ultimate tensile strength coefficient of the joint decreases from 89.71% to 82.33%; when rotation rate increases to 950r/min, the precipitated phases dissolve into aluminum matrix during welding, and age after welding. This produces the fine and homogeneous dispersed phases, which results in an increase of the strength coefficient to 89.04% and a certain enhancement of strain hardening capacity and elongation for the joints. All the tensile fracture surfaces exhibit the mixed characteristics of microporous polymerization and cleavage fracture.

Keywords：underwater friction stir welding;7A04 aluminum alloy;rotation rate;microstructure;mechanical property

7A04屬于Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金，是一種超高強鋁合金，具有質(zhì)量輕、比強度高、疲勞性能好、抗腐蝕性能強、易成形等諸多優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于航空、航天、船舶、車輛、現(xiàn)代核工業(yè)等領(lǐng)域。在7A04鋁合金加工過程中，焊接成為必不可少的關(guān)鍵技術(shù)。采用傳統(tǒng)的熔化焊接方法，如鎢極氣體保護焊、熔化氣體保護焊、等離子弧焊、激光焊和電子束焊等，焊接接頭容易產(chǎn)生氣孔、裂紋等缺陷，接頭強度僅為母材強度的50%～70%[1]，很難進行優(yōu)質(zhì)連接。

攪拌摩擦焊(Friction Stir Welding, FSW)是英國焊接研究所于1991年發(fā)明的一種固相連接新技術(shù)[2]。焊接過程中，被焊接材料產(chǎn)生劇烈的塑性變形，可實現(xiàn)焊接接頭組織細化和均勻化。焊接過程中較低的熱循環(huán)作用，避免了氣孔、裂紋等熔焊缺陷的產(chǎn)生，減小了組織粗化傾向，使焊接接頭具有較高的強度和塑性[3-6]。近年來國內(nèi)外學(xué)者對航空航天廣泛應(yīng)用的2系、7系高強和超高強鋁合金FSW進行了大量的研究，結(jié)果表明：與傳統(tǒng)熔化焊接技術(shù)相比，F(xiàn)SW可以顯著提高高強和超高強鋁合金焊接接頭的強度。但是，由于FSW過程中仍產(chǎn)生了大量的摩擦熱和塑性變形熱，造成焊接接頭析出相的溶解與粗化[7，8]，導(dǎo)致接頭的強度仍明顯低于母材，其抗拉強度約為母材強度的60%～80%[9，10]。

為了解決FSW的熱軟化效應(yīng)，國內(nèi)外學(xué)者嘗試采用冷卻介質(zhì)對焊接過程中的工件進行實時冷卻[11-16]。Benavides等[11]對比研究了空氣和液氮強冷介質(zhì)中2024鋁合金FSW接頭的組織與性能。結(jié)果表明：液氮的強制冷卻作用有效抑制了再結(jié)晶晶粒的長大，接頭焊核區(qū)的晶粒尺寸由空氣介質(zhì)中的10μm 細化到800nm。與空氣中接頭相比，強制冷卻FSW接頭的軟化區(qū)明顯變窄，熱機械影響區(qū)和熱影響區(qū)的硬度值提高。Liu等[15]分別在空氣和水下對2219鋁合金進行了FSW，對比研究了FSW接頭的力學(xué)性能。結(jié)果表明：水下FSW接頭的抗拉強度比空氣中接頭的抗拉強度提高了17MPa，達到母材抗拉強度的79%，但伸長率有所降低。與空氣中FSW接頭相比，水下FSW接頭焊核區(qū)的硬度值略有降低，熱機械影響區(qū)/熱影響區(qū)的硬度升高。水作為一種常用的冷卻介質(zhì)，具有較高的比熱容和較強的導(dǎo)熱能力，其強大的冷卻作用可以有效地減少被焊接工件的熱輸入量，減小再結(jié)晶晶粒和析出相長大的驅(qū)動力，進而達到細晶強化和沉淀強化的目的。強制冷卻FSW接頭組織與性能除了受到強化冷卻介質(zhì)的影響，焊接工藝參數(shù)、工具等諸多因素對其也有顯著影響，呈現(xiàn)出多樣性和復(fù)雜性的特點。目前，關(guān)于焊接工藝參數(shù)對水下FSW超高強鋁合金接頭組織與性能的影響研究涉及較少。本工作對7A04-T6鋁合金板進行水下FSW，重點研究攪拌頭旋轉(zhuǎn)速率對接頭組織與性能的影響，以期為實現(xiàn)7A04超高強鋁合金高效優(yōu)質(zhì)連接提供實驗數(shù)據(jù)和理論支持。

1 實驗材料與方法

實驗選用60.0mm×60.0mm×2.8mm的7A04-T6鋁合金板材進行FSW，鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)/%)為Cu 2.0，Mg 2.8，Zn 7.0，Mn 0.6，Cr 0.25，Si 0.5，F(xiàn)e 0.5，Ti 0.1，余Al。FSW實驗在改造的X5032型立式升降臺銑床上進行。攪拌頭工具材料為W18Cr4V，攪拌頭軸肩直徑為12mm，攪拌針直徑為3.4mm，高度為2.6mm。攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速率分別為475，600，750，950r/min，焊接速率恒定為235mm/min，實際壓下量為0.2mm。首先將鋁合金板接頭端面用刨床刨平，并用丙酮將工件清洗干凈。然后，將被焊接材料用壓板固定在焊機平臺上的冷卻水槽內(nèi)，如圖1所示。冷卻循環(huán)水流速為0.15L/s。

圖1 水下攪拌摩擦焊接示意圖Fig.1 Schematic diagram of the underwater FSW

焊接后將工件沿橫斷面切斷制作金相試樣。金相試樣采用Keller試劑腐蝕后用Neophot-21型光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織。沿平行于焊縫方向切取透射電子顯微鏡觀察試樣，試樣厚度研磨至50μm后采用MTP-1型雙噴減薄機進行減薄。減薄后的試樣在JEM-3010型透射電子顯微鏡下觀察。采用401MVD型數(shù)顯顯微維氏硬度計進行顯微硬度測試，測試位置為沿試樣橫截面厚度中心水平方向，硬度測試間隔為0.5mm。室溫拉伸實驗在Instron8801試驗機上進行，拉伸實驗按照ASTM-E8/E8M-08標準執(zhí)行，沿垂直于焊縫方向切取拉伸試樣，平行試樣3個，拉伸速率為1mm/min。拉伸斷口形貌采用JSM-6700F型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)觀察。

2 結(jié)果與分析

2.1 接頭宏觀形貌

圖2所示為7A04-T6鋁合金水下FSW接頭的橫截面宏觀形貌。由圖2可見，水下FSW接頭分為焊核區(qū)(Nugget Zone，NZ)、熱機械影響區(qū)(Thermo-mechanically Affected Zone，TMAZ)、熱影響區(qū)(Heat-affected Zone, HAZ)和母材區(qū)(Base Metal，BM)。由于循環(huán)水在FSW過程中的強制冷卻作用抑制了由摩擦熱和塑性變形熱引起的高溫，使HAZ的組織因受熱產(chǎn)生的變化較小，因此HAZ不明顯。位于前進側(cè)(Advancing Side,AS)的TMAZ與NZ的分界面較后退側(cè)(Retreating Side,RS)清晰。這是因為在水下FSW過程中，位于AS側(cè)的金屬在攪拌針旋轉(zhuǎn)剪切的作用下，流動方向與焊接方向相同，而RS側(cè)金屬的流動方向與焊接方向相反。在攪拌針的移動過程中，AS側(cè)和RS側(cè)的金屬同時受到攪拌針的前進擠壓作用，使得兩側(cè)的金屬都向焊接方向的反方向流動，造成AS側(cè)的金屬在攪拌針旋轉(zhuǎn)剪切和前進擠壓作用下形成了相反的流動方向，金屬在該區(qū)域形成強烈的相對運動，從而形成清晰的分界面[1]。

圖2 7A04-T6鋁合金水下FSW接頭橫截面宏觀形貌Fig.2 Cross section macroscopic morphology of the underwater FSW joint of 7A04-T6 aluminum alloy

2.2 微觀組織

(1)

式中：ω為攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速率；RSZ和LSZ分別為NZ的平均半徑與深度。

攪拌摩擦焊接晶粒細化是受熱激活控制，可由Z參數(shù)表示，見式(2)：

(2)

式中：Q是晶格擴散熱激活能；R是氣體常數(shù)；T是NZ的絕對溫度。

通常情況下，材料的Z參數(shù)與晶粒尺寸的對數(shù)呈線性關(guān)系，如式(3)所示：

lnd=a-blnZ

(3)

式中a和b是由實驗數(shù)據(jù)擬合的常數(shù)，均為正數(shù)。

從式(1)～(3)可見，隨著轉(zhuǎn)速的增加，NZ的應(yīng)變速率增大，使得晶粒尺寸減??；另一方面，從熱輸入的角度來看，旋轉(zhuǎn)速率的增大，將使NZ的熱輸入量升高，導(dǎo)致晶粒粗化；因此，當(dāng)轉(zhuǎn)速為475r/min和600r/min時，晶粒細化主要受熱輸入控制；當(dāng)轉(zhuǎn)速升高到750r/min和950r/min時，應(yīng)變速率對晶粒細化起主要作用。

7A04鋁合金的主要強化機制是沉淀時效強化，合金的強度主要由沉淀相的特征決定。轉(zhuǎn)速對焊接接頭的析出相會產(chǎn)生明顯的影響。當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時(475r/min)，加之循環(huán)水的強制冷卻作用，析出相未發(fā)生明顯長大(圖3(c))。當(dāng)轉(zhuǎn)速升高到600r/min時，部分析出相產(chǎn)生粗化，TEM照片中部分粗大的析出相在雙噴減薄時從基體中脫落(圖3(d))。隨著轉(zhuǎn)速增大到750r/min，由于NZ瞬時溫度超過了析出相η-MgZn2的固溶溫度，在強塑性變形的聯(lián)合作用下，部分析出相發(fā)生了固溶，未固溶的析出相發(fā)生長大(圖3(e))。當(dāng)轉(zhuǎn)速升高到950r/min時，接頭的熱輸入量繼續(xù)增加，導(dǎo)致大部分的析出相發(fā)生固溶反應(yīng)，并在焊接冷卻過程中或焊后靜置時從基體中析出。由于循環(huán)水冷的快速冷卻作用，抑制了沉淀析出相的聚集長大，因此呈現(xiàn)出彌散分布的細小析出相形貌(圖3(f))。

圖3 母材和不同轉(zhuǎn)速下NZ微觀組織(a)，(b)母材；(c)475r/min；(d)600r/min；(e)750r/min；(f)950r/minFig.3 Microstructures of the BM and NZ at different rotation rates(a),(b)BM;(c)475r/min;(d)600r/min;(e)750r/min;(f)950r/min

2.3 力學(xué)性能

圖4所示為不同轉(zhuǎn)速下7A04-T6鋁合金水下FSW接頭的顯微硬度。由圖4可見，與母材相比，水下FSW接頭的硬度都明顯降低，這是因為焊接過程中的熱軟化作用破壞了母材T6峰值時效狀態(tài)，導(dǎo)致接頭中析出相η-MgZn2產(chǎn)生的沉淀強化作用減弱。接頭硬度最小值均出現(xiàn)在TMAZ處，這是由于焊接過程中該處經(jīng)受焊接熱循環(huán)作用，晶粒粗化，且析出相偏聚長大。當(dāng)轉(zhuǎn)速為950r/min時，焊接接頭的硬度分布曲線呈現(xiàn)“W”形。這是因為在高轉(zhuǎn)速焊接條件下，NZ材料經(jīng)受了大量的摩擦熱，并產(chǎn)生了劇烈的塑性變形，使得第二相發(fā)生了固溶，在焊后冷卻過程中，NZ發(fā)生了析出時效效應(yīng)，使得NZ硬度明顯回升。當(dāng)轉(zhuǎn)速為750r/min時，NZ的硬度略微有所回升。而在低轉(zhuǎn)速475r/min和600r/min條件下，NZ的硬度幾乎沒有回升，在硬度最低值處波動。該現(xiàn)象主要是由析出相的演變規(guī)律引起的。

圖4 不同轉(zhuǎn)速下水下FSW接頭橫截面顯微硬度分布Fig.4 Distributions of the microhardness of the underwater FSW joints at different rotation rates

圖5所示為不同轉(zhuǎn)速下7A04-T6鋁合金水下FSW接頭的室溫拉伸性能。由圖5可見，轉(zhuǎn)速對接頭的抗拉強度和伸長率有顯著的影響。當(dāng)轉(zhuǎn)速為475r/min時，接頭的抗拉強度為550.8MPa，達到母材抗拉強度(極限強度系數(shù))的89.71%。結(jié)果表明：在低轉(zhuǎn)速條件下，強制冷卻作用抑制了晶粒和析出相的長大，均勻分布的細小析出相造成了基體晶格畸變，阻礙了材料塑性變形時的位錯運動。沉淀強化和細晶強化的共同作用減弱了空氣條件下焊接接頭的熱軟化效應(yīng)。金屬強化取決于位錯與脫溶相質(zhì)點間的相互作用。當(dāng)運動位錯遇到脫溶質(zhì)點時，會在質(zhì)點周圍生成位錯環(huán)以通過脫溶質(zhì)點的阻礙。按照Orowan強化機制[19]，位錯繞過脫溶質(zhì)點時所需增加的切應(yīng)力與質(zhì)點的半徑相關(guān)。當(dāng)體積分數(shù)一定時，強化值與脫溶質(zhì)點半徑成反比，質(zhì)點越小，強化值越大。當(dāng)轉(zhuǎn)速增大到750r/min時，在高溫和強塑性變形的聯(lián)合作用下，部分析出相發(fā)生了固溶反應(yīng)，未固溶的析出相長大，導(dǎo)致接頭的抗拉強度僅為505.5MPa，達到母材抗拉強度的82.33%。當(dāng)轉(zhuǎn)速為950r/min時，由于焊后冷卻過程中析出彌散分布的細小沉淀相，使得接頭的強度系數(shù)達到89.04%。水下FSW接頭拉伸斷裂位置主要位于NZ和TMAZ交界處，該區(qū)域組織梯度較大，析出相尺寸也較大，導(dǎo)致接頭塑性較差，成為水下FSW接頭的薄弱區(qū)。

圖5 不同轉(zhuǎn)速下水下FSW接頭拉伸性能Fig.5 Tensile properties of the underwater FSW joints at different rotation rates

圖6所示為不同轉(zhuǎn)速下水下FSW接頭加工硬化率-真應(yīng)變曲線。從圖6可以看出，不同轉(zhuǎn)速下的水下FSW接頭表現(xiàn)出相同的應(yīng)變硬化階段。在變形初始階段，材料中位錯存儲速率較大，具有較高的加工硬化率。隨著變形的進行，材料的應(yīng)變硬化率持續(xù)下降，當(dāng)位錯的存儲被動態(tài)回復(fù)所抵消且兩者達到平衡時，出現(xiàn)了新的平衡階段，材料的應(yīng)變硬化率保持恒定。由于損傷的積累，最終導(dǎo)致在該平衡階段臨近結(jié)束時，材料發(fā)生失效。與轉(zhuǎn)速為600r/min和750r/min時的接頭相比，轉(zhuǎn)速為475r/min和950r/min時的接頭表現(xiàn)出較高的加工硬化程度。這是因為細小的析出相，提高了可動位錯運動障礙，從而提高了接頭的應(yīng)變硬化能力，使得接頭在具有優(yōu)良強度的同時，保持了較好的塑性。在本實驗參數(shù)范圍內(nèi)，綜合考慮接頭的強塑性，當(dāng)焊接速率恒定為235mm/min，轉(zhuǎn)速為950r/min時，接頭的力學(xué)性能最優(yōu)。

圖6 不同轉(zhuǎn)速下水下FSW接頭的加工硬化率-真應(yīng)變曲線Fig.6 Work hardening rate-true strain curves of the underwater FSW joints at different rotation rates

2.4 拉伸斷口形貌

圖7所示為不同轉(zhuǎn)速下水下FSW接頭拉伸斷口形貌。不同轉(zhuǎn)速條件下，接頭的拉伸斷口均呈現(xiàn)微孔聚合和解理混合斷裂特征。微孔聚合型韌性斷裂是由于原子鍵被剪切破壞而造成的分離破斷。解理斷裂是一種穿晶斷裂，斷裂面沿一定的解理面分離。韌窩的形成與析出相及塑性變形有關(guān)，因析出相的強度、彈性模量和塑性等均與母材不同，塑性變形時，滑移沿基體滑移面進行，析出相起到阻礙作用，形成位錯塞積群，進而在兩者交界處造成應(yīng)力集中，隨著應(yīng)變量的增大，應(yīng)力集中加劇，過大的應(yīng)力集中造成界面分離或析出相本身折斷，形成細小的微孔，這是裂縫的起源點。隨著塑性變形的繼續(xù)，微孔間金屬繼續(xù)變形，材料局部被拉長，微孔鈍化。微孔間的材料以內(nèi)頸縮的方式斷裂，拉伸破壞時，微觀裂紋就在析出相周圍形成，進而擴展斷裂。從圖7可見，在不同轉(zhuǎn)速的焊接接頭斷口中，韌窩內(nèi)部分布著粒狀的析出相，析出相在應(yīng)力集中的作用下已發(fā)生破裂，并在析出相和基體的界面處出現(xiàn)裂紋。同時，分布在斷口中的析出相改變了解理斷裂的方向。當(dāng)轉(zhuǎn)速為600r/min和750r/min時，拉伸斷口中存在粗大的破碎析出相，粗大的析出相增加了界面開裂的概率和裂紋的擴展速率，降低了焊接接頭的塑性，如圖7(b)，(c)所示。

圖7 不同轉(zhuǎn)速下水下FSW接頭的拉伸斷口形貌(a)475r/min；(b)600r/min；(c)750r/min；(d)950r/minFig.7 Tensile fracture surface morphologies of the underwater FSW joints at different rotation rates(a)475r/min;(b)600r/min;(c)750r/min;(d)950r/min

3 結(jié)論

(1)采用水下FSW可成功實現(xiàn)7A04鋁合金連接。當(dāng)焊接速率恒定為235mm/min，轉(zhuǎn)速從475r/min增大到750r/min時，接頭NZ的析出相隨著轉(zhuǎn)速的增大逐漸粗化；當(dāng)轉(zhuǎn)速為950r/min時，析出相發(fā)生固溶時效反應(yīng)，呈現(xiàn)細小彌散的分布特征。隨著轉(zhuǎn)速的增大，應(yīng)變速率增加，減弱了熱輸入量增大引起的晶粒粗化效應(yīng)。

(2)在不同轉(zhuǎn)速下焊接，接頭硬度最小值均出現(xiàn)在TMAZ處；當(dāng)轉(zhuǎn)速為950r/min時，接頭的硬度分布曲線呈現(xiàn)“W”形，NZ的硬度值明顯高于轉(zhuǎn)速為475，600，750r/min時接頭NZ的硬度值。

(3)當(dāng)轉(zhuǎn)速從475r/min增大到750r/min時，水下FSW接頭的抗拉強度系數(shù)從89.71%降低到82.33%；當(dāng)轉(zhuǎn)速升高到950r/min時，接頭的強度系數(shù)提高到89.04%，具有較高的應(yīng)變硬化能力，塑性伸長率較高。拉伸斷口均呈現(xiàn)微孔聚合和解理混合斷裂特征。

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(本文責(zé)編：寇鳳梅)

Effect of Rotation Rate on Microstructure and Properties of Underwater Friction Stir Welded 7A04-T6 Aluminum Alloy

WANG Wen,LI Tian-qi,QIAO Ke,XU Rui-qi,WANG Kuai-she

(Laboratory of Materials Processing,School of Metallurgical Engineering,Xi’an University of Architecture and Technology,Xi’an 710055,China)

10.11868/j.issn.1001-4381.2015.001234

TG457.1

A

1001-4381(2017)10-0032-07

國家自然科學(xué)基金項目(51404180,51274161)

2015-10-14;

2017-05-02

王文(1985-)，男，工程師，博士研究生，從事攪拌摩擦焊接及加工研究，聯(lián)系地址：陜西省西安市碑林區(qū)雁塔路13號西安建筑科技大學(xué)冶金工程學(xué)院材料加工實驗室(710055)，E-mail:wangwen2016@126.com