5052鋁合金FSW接頭組織和力學(xué)性能

湯化偉，崔 凡，黃 征，李 丹，徐 勇

（上海航天設(shè)備制造總廠，上海 200245）

5052鋁合金FSW接頭組織和力學(xué)性能

湯化偉，崔 凡，黃 征，李 丹，徐 勇

（上海航天設(shè)備制造總廠，上海 200245）

采用攪拌摩擦焊焊接8 mm厚5052-O鋁合金，并對焊接接頭進(jìn)行了顯微組織觀察和力學(xué)性能測試。結(jié)果表明：接頭組織左右不對稱，前進(jìn)側(cè)與母材分界線較明顯，后退側(cè)與母材分界線較模糊；焊接接頭抗拉強(qiáng)度平均值為193.5 MPa，接頭強(qiáng)度可達(dá)母材的99%，伸長率可達(dá)母材的84%；焊接接頭正彎角和背彎角均可達(dá)到180°，彎曲性能良好；焊核區(qū)顯微硬度約為72 HV，略高于母材，硬度最低點(diǎn)出現(xiàn)在前進(jìn)側(cè)熔合過渡區(qū)。

攪拌摩擦焊；5052-O鋁合金；顯微組織；力學(xué)性能

0 前言

5052鋁合金以Al、Mg為主要合金元素，屬于不可熱處理強(qiáng)化鋁合金，具有良好的加工性能、抗蝕性、可焊性等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空、軌道交通、船舶等領(lǐng)域[1-2]。

攪拌摩擦焊（FSW）作為一種固相連接技術(shù)，具有接頭性能優(yōu)良、變形小等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)全系列鋁合金的焊接[3]。本研究對8 mm厚5052鋁合金板材進(jìn)行FSW試驗(yàn)，并測試分析焊縫的組織和力學(xué)性能，為其工業(yè)化應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)用5052-O鋁合金的板材厚度8 mm，尺寸400 mm×200 mm，化學(xué)成分及力學(xué)性能如表1所示。采用龍門式攪拌摩擦焊設(shè)備（FSW-LM2-1012）進(jìn)行焊接試驗(yàn)。試驗(yàn)采用的攪拌針為圓錐螺紋型，端部直徑5.0 mm，軸肩直徑18 mm。焊接參數(shù)為：旋轉(zhuǎn)速度500r/min，焊接速度100mm/min，壓入量0.2 mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 接頭組織

腐蝕后接頭宏觀形貌如圖1所示。攪拌摩擦焊接頭一般分為母材（BMZ）、熱影響區(qū)（HAZ）、熱機(jī)影響區(qū)（TMAZ）及焊核區(qū)（WNZ）。由圖1可知，接頭組織左右不對稱，前進(jìn)側(cè)（AS）與母材分界線較明顯，后退側(cè)（RS）與母材分界線較模糊。前進(jìn)側(cè)和后退側(cè)熔合過渡區(qū)如圖2所示。攪拌摩擦焊過程中，攪拌針位于前進(jìn)側(cè)位置會形成一個瞬時空腔，后退側(cè)金屬受擠壓后填充空腔。因此，前進(jìn)側(cè)主要受到剪切作用，材料相對母材發(fā)生了較大的變形量，而后退側(cè)主要受擠壓作用，材料變形量小于前進(jìn)側(cè)。

表1 5052-O鋁合金化學(xué)成分及力學(xué)性能Table 1 Chemical composition and mechanical properties of 5052-O aluminum alloy

圖1 接頭宏觀形貌Fig.1 Image of FSW weld joint

圖2 接頭微觀組織形貌Fig.2 Microstructures of FSW welded joint

2.2 接頭力學(xué)性能

2.2.1 接頭抗拉強(qiáng)度

將焊后試板按GB/T 2651加工成標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣后進(jìn)行測試，拉伸性能測試結(jié)果如表2所示。

表2 接頭拉伸性能Table 2 Tensile strength of the welded joint

其中，試件1、2均取自同一條焊縫。由表2可知，焊縫接頭平均抗拉強(qiáng)度（193.5 MPa）可達(dá)到母材強(qiáng)度（195 MPa）的99%；斷后平均伸長率（21%）為母材（25%）的84%。由圖3可知，拉伸試樣斷裂位置均位于母材處，說明焊縫拉伸性能良好。

圖3 接頭拉伸試樣斷裂位置Fig.3 Fracture location of tensile samples

2.2.2 接頭顯微硬度

沿焊縫接頭橫截面左右各8 mm區(qū)域進(jìn)行顯微硬度測試，測試點(diǎn)間隔0.5mm，測試結(jié)果如圖4所示。

焊核區(qū)最大顯微硬度約為72 HV，略高于母材（70 HV），這是由于在攪拌針的作用下，焊核區(qū)發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶，形成了細(xì)小的等軸晶。硬度最低值出現(xiàn)在前進(jìn)側(cè)熔合過渡區(qū)約為62 HV。相對于前進(jìn)側(cè)，后退側(cè)硬度變化較平緩，范圍較大，這與后退側(cè)熔合過渡區(qū)范圍較大有關(guān)。

2.2.3 接頭彎曲性能

將焊后試板按GB/T 2653加工成標(biāo)準(zhǔn)彎曲試樣進(jìn)行正彎和背彎測試。正彎時，焊縫正面受到拉應(yīng)力，背面受到壓應(yīng)力；背彎時則正好相反。彎曲試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖4 接頭顯微硬度分布Fig.4 Hardness distribution of welded joint

由圖5可知，接頭彎曲性能良好，正彎角和背彎角均達(dá)到180°，且均未出現(xiàn)開裂。

3 結(jié)論

（1）5052-O鋁合金接頭組織左右不對稱，前進(jìn)側(cè)與母材分界線較明顯，后退側(cè)與母材分界線較模糊。

（2）旋轉(zhuǎn)速度500 r/min、焊接速度100 mm/min、壓入量0.2mm時，接頭抗拉強(qiáng)度平均值為193.5MPa，接頭強(qiáng)度達(dá)母材的99%，伸長率達(dá)母材的84%。

（3）5052-O鋁合金FSW接頭正彎角和背彎角均可達(dá)到180°，彎曲性能良好。

（4）5052-O鋁合金接頭焊核區(qū)顯微硬度約為72 HV，略高于母材，硬度最低點(diǎn)出現(xiàn)在前進(jìn)側(cè)熔合過渡區(qū)。

圖5 接頭彎曲試件Fig.5 Bend samples of welded joint

[1]王祝堂，田榮璋.鋁合金及其加工手冊（第3版）[M].長沙：中南大學(xué)出版社，2005：310.

[2]徐軍.5052鋁薄板制作球形件的實(shí)踐應(yīng)用[J].金屬加工，2011（24）：60-61.

[3]欒國紅，關(guān)橋.固相連接新技術(shù)——攪拌摩擦焊技術(shù)[J].新工藝新技術(shù)設(shè)備，2005，35（9）：1-6.

Microstructure and mechanical properties of 5052 aluminum alloy FSW joint

TANG Huawei，CUI Fan，HUANG Zheng，LI Dan，XU Yong
（Shanghai Aerospace Equipments Manufacturer，Shanghai 200245，China）

8 mm thick 5052-O aluminum alloy was welded by friction stir welding(FSW)，and the microstructure of the welded joint was observed，meanwhile，the mechanical properties were tested.The results show that the microstructure of the welded joint is leftright asymmetry.The boundary of advancing side and base metal is obvious，but the boundary of retreating side and base metal is fuzzy.The average tensile strength of the welded joint can reach 193.5 MPa，the joint coefficient of strength can reach 99%of base metal，and the elongation can reach 84%of base metal.No cracking is found in the welded joint at the 180°face bending test and 180°back bending test.The microhardness of weld nugget zone is 72 HV，which is slightly higher than base metal.The minimum of the microhardness is in the advancing side fusion zone of transition.

FSW；5052-O aluminum alloy；microstructure；mechanical properties

TG453+.9

A

1001-2303（2017）10-0109-03

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.10.23

本文參考文獻(xiàn)引用格式：湯化偉，崔凡，黃征，等.5052鋁合金FSW接頭組織和力學(xué)性能[J].電焊機(jī)，2017，47（10）：109-111.

2017-06-21

上海市優(yōu)秀技術(shù)帶頭人計劃項(xiàng)目（14XD1421600）

湯化偉（1985—），男，工程師，碩士，主要從事鋁合金攪拌摩擦焊技術(shù)的研究。E-mail：lajiao9@163.com。