7055鋁合金攪拌摩擦焊工藝

（上海航天設(shè)備制造總廠，上海 200245）

7055鋁合金攪拌摩擦焊工藝

湯化偉，張 聃，封小松，徐 奎，陸劍東

（上海航天設(shè)備制造總廠，上海 200245）

利用正交試驗(yàn)法研究攪拌摩擦焊工藝參數(shù)對(duì)4 mm厚7055-T6鋁合金對(duì)接接頭力學(xué)性能和顯微組織的影響。結(jié)果表明：焊接速度對(duì)接頭抗拉強(qiáng)度影響最大，旋轉(zhuǎn)速度和壓入量依次減??；最優(yōu)參數(shù)焊接的試樣的抗拉強(qiáng)度為475.5MPa，接頭強(qiáng)度系數(shù)0.788；焊縫的顯微硬度低于母材，呈"W型"分布；在正彎角約75.4°和背彎角約62.1°時(shí)出現(xiàn)開裂。

正交試驗(yàn)；7055-T6鋁合金；工藝參數(shù)；力學(xué)性能

0 前言

7055鋁合金是以Al-Zn-Mg-Cu合金為主的超高強(qiáng)可熱處理強(qiáng)化鋁合金，具有很高的強(qiáng)度和硬度、良好的熱加工性、較好的耐腐蝕性能和較高的韌性等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域[1-3]。

7055鋁合金采用傳統(tǒng)的熔化焊技術(shù)進(jìn)行連接時(shí)，易產(chǎn)生熱裂紋等焊接缺陷，從而制約了7055鋁合金的應(yīng)用[4-5]。攪拌摩擦焊（FSW）是一種固相連接技術(shù)，特別適合于鋁合金產(chǎn)品的焊接，為7055鋁合金焊接提供了新的解決方案。本研究采用正交試驗(yàn)法對(duì)4 mm厚7055-T6鋁合金FSW的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并測試分析焊縫的力學(xué)性能和顯微組織，為其工業(yè)化應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)所用7055鋁合金板材厚度4 mm，尺寸110 mm×110 mm×4 mm，熱處理狀態(tài)為 T6態(tài)，即固溶強(qiáng)化+人工時(shí)效，化學(xué)成分如表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)采用圓錐螺紋攪拌工具，軸肩直徑13 mm，攪拌針端部直徑3.2 mm。

表1 7055-T6鋁合金化學(xué)成分%

采用正交試驗(yàn)法進(jìn)行FSW焊接試驗(yàn)，工藝參數(shù)因素水平見表2。焊后制備拉伸試樣、彎曲試樣和金相試樣，測試分析焊縫的力學(xué)性能和顯微組織。

表2 正交試驗(yàn)因素與水平

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 接頭抗拉強(qiáng)度

正交試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。焊接參數(shù)為：旋轉(zhuǎn)速度800 r/min，焊接速度120 mm/min，壓入量0.1 mm，其接頭最大抗拉強(qiáng)度為475.5 MPa，接頭強(qiáng)度系數(shù)0.79，為最優(yōu)焊接參數(shù)。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)3個(gè)因素各水平極差分析可知，焊接速度對(duì)接頭抗拉強(qiáng)度影響最大，而旋轉(zhuǎn)速度和壓入量對(duì)接頭抗拉強(qiáng)度影響次之。

2.2 接頭顯微組織

攪拌摩擦焊縫區(qū)域一般分為焊核區(qū)（WNZ）、熱機(jī)影響區(qū)（TMAZ）、熱影響區(qū)（HAZ）和母材（BMZ）。焊接接頭截面形貌如圖1所示。可以看出，焊縫區(qū)的組織與母材有明顯區(qū)別。攪拌摩擦焊縫左右不對(duì)稱，在焊縫的前進(jìn)側(cè)，攪拌針主要為熱剪切作用，且該處材料在攪拌頭旋轉(zhuǎn)力和前進(jìn)力的雙重作用下，相對(duì)于母材發(fā)生較大的相對(duì)變形差，因此，母材和焊縫前進(jìn)側(cè)之間分界線較明顯；而位于后退側(cè)的焊縫受到攪拌頭的擠壓、摩擦作用，同時(shí)受到旋轉(zhuǎn)面前方的金屬的擠壓作用，該側(cè)金屬的相對(duì)變形較小，熱塑金屬過渡較為均勻，因此，母材與焊縫后退側(cè)的分界線較模糊。

圖1 焊接接頭截面形貌

焊縫的金相組織如圖2所示。圖2b為焊核區(qū)組織形貌。該區(qū)由于受到攪拌頭的機(jī)械攪拌作用以及由摩擦和剪切產(chǎn)生的局部高溫作用，焊核區(qū)金屬發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，形成細(xì)小等軸晶粒。圖2c和圖2d分別為前進(jìn)側(cè)和后退側(cè)熱機(jī)影響區(qū)，該區(qū)受到攪拌頭的機(jī)械攪拌和焊接熱循環(huán)的雙重作用，晶粒被拉長，產(chǎn)生了較大的機(jī)械變形，具有一定的方向性，同時(shí)由于熱循環(huán)作用，晶粒大于母材。圖2e和圖2f分別為前進(jìn)側(cè)和后退側(cè)熱影響區(qū)，該區(qū)受到焊接熱循環(huán)作用，相對(duì)于母材，晶粒粗大。因此，焊縫熱機(jī)影響區(qū)和熱影響區(qū)為焊縫薄弱區(qū)域。

2.3 接頭顯微硬度

沿焊縫接頭橫截面水平方向進(jìn)行顯微硬度測試，測量點(diǎn)間距為0.5 mm，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，攪拌摩擦焊縫顯微硬度值呈“W”型分布，母材硬度值較高，接近180 HV，焊縫中心位置為焊核區(qū)，硬度達(dá)到160 HV，硬度值較周圍熱影響區(qū)大；熱機(jī)影響區(qū)與熱影響區(qū)過渡區(qū)存在明顯的硬度軟化，該位置硬度值較低，最低值為109.5 HV，出現(xiàn)在前進(jìn)側(cè)熱機(jī)影響區(qū)與熱影響區(qū)過渡區(qū)，其數(shù)值且后退側(cè)顯微硬度變化較為平緩，范圍較前進(jìn)側(cè)大，這與后退側(cè)熱機(jī)影響區(qū)和熱影響區(qū)范圍較大有關(guān)。

2.4 接頭彎曲性能

接頭彎曲試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。在相同焊接參數(shù)下，正彎角度平均值為75.4°，背彎角度平均值為62.1°，正彎角度明顯大于背彎角度。這主要是由于背彎試驗(yàn)中焊縫背部受拉伸作用力，對(duì)于攪拌摩擦焊來說，焊縫背部接受的熱輸入量較小，組織成分不如焊縫正面均勻，是焊縫較薄弱的區(qū)域，因此正彎角度大于背彎角度。

圖2 焊縫的金相組織

圖3 攪拌摩擦焊縫顯微硬度分布

3 結(jié)論

（1）4 mm厚7055-T6鋁合金最優(yōu)焊接參數(shù)為：旋轉(zhuǎn)速度800 r/min、焊接速度120 mm/min，壓入量0.1 mm，其接頭抗拉強(qiáng)度可達(dá)475.5 MPa，接頭強(qiáng)度系數(shù)0.79，正彎角度平均值為75.4°，背彎角度平均值為 62.1°。

圖4 接頭彎曲試件

（2）由正交試驗(yàn)極差分析可知，焊接速度對(duì)接頭抗拉強(qiáng)度影響最大，而旋轉(zhuǎn)速度和壓入量對(duì)接頭抗拉強(qiáng)度的影響依次減小。

（3）7055-T6鋁合金攪拌摩擦焊縫焊核區(qū)發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，形成細(xì)小的等軸晶粒，熱機(jī)影響區(qū)和熱影響區(qū)相對(duì)于母材晶粒長大，為焊縫薄弱區(qū)域。

[1]潘復(fù)生，張丁菲.鋁合金及應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006：59-60.

[2]王濤，尹志明.高強(qiáng)變形鋁合金的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].稀有金屬，2006，30（2）：197-202.

[3]李成功，巫世杰，戴圣龍，等.先進(jìn)鋁合金在航空航天工業(yè)中的應(yīng)用與發(fā)展[J].中國有色金屬學(xué)報(bào)，2002，12（1）：14-21.

[4]Wu Y L，F(xiàn)roes F H，Alvarez A，et al.Microst-ructure and properties of a new super high-strength Al-Zn-Mg-Cu alloy C912[J].Materials and Design，1997，18（4/6）：211-213.

[5]李先聚，楊杰，張豪，等.噴射成形7055鋁合金的顯微組織和力學(xué)性能[J].中國有色金屬學(xué)報(bào)，2007，17（12）:1987-1992.

Frictionstir welding process parametersof 7055 aluminumalloy

TANG Huawei，ZHANG Dan，F(xiàn)ENG Xiaosong，XU Kui，LU Jiandong

（Shanghai Aerospace Equipments Manufacturer，Shanghai 200245，China）

The effects of friction stir welding process parameters on the mechanical properties and microstructure of 4 mm thick 7055-T6 aluminum alloy were studied by adopting orthogonal test method.The results show that the effect of welding speed on the tensile strength is maximal，then the rotational speed and heel plunge depth.By using the optimal parameters，the tensile strength of the sample is up to 475.5 MPa，and the joint coefficient of strength is up to 0.788.The microhardness of weld，which is"W"distribution，is lower than the base material.At about 75.4°face bending test and 62.1°back bending test，the cracking is found in the joint.

orthogonal test；7055-T6 aluminum alloy；process parameters；mechanical properties

TG453+.9

A

1001-2303（2017）09-0046-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.09.10

本文參考文獻(xiàn)引用格式：湯化偉，張聃，封小松，等.7055鋁合金攪拌摩擦焊工藝[J].電焊機(jī)，2017，47（09）：46-49.

2017-04-01

上海市優(yōu)秀技術(shù)帶頭人計(jì)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)研究工作。E-mail：lajiao9@163.com。