Al-Zn-Mg-Cu合金攪拌摩擦焊接頭的顯微組織與力學(xué)性能

張 會，劉 磊，周 楠，王順成

(廣東省材料與加工研究所，廣東 廣州 510651)

隨著世界能源危機和環(huán)境污染問題日益嚴(yán)峻，汽車迫切需要減重，以達(dá)到節(jié)能減排的目的[1]。鋁合金具有密度小、耐腐蝕性能好、可回收利用等優(yōu)點，在汽車上的應(yīng)用日益擴(kuò)大，采用高強度鋁合金制造汽車結(jié)構(gòu)件是實現(xiàn)汽車輕量化的有效措施[2-4]。安裝在汽車前后部位的保險杠是汽車上的重要安全部件，在汽車發(fā)生碰撞過程中，可以吸收緩和外界的沖擊力，降低碰撞事故對行人的傷害和對車輛的損壞。隨著汽車輕量化的發(fā)展，汽車保險杠迫切需要采用高強度鋁合金來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼材[5-8]。為了滿足汽車保險杠對高強度鋁合金的需求，課題組開發(fā)了Al-6.6Zn-1.7Mg-0.26Cu合金，該合金具有較高的強度、塑性和優(yōu)良的擠壓加工性能，但該合金的焊接性能尚未進(jìn)行研究。焊接是鋁合金汽車保險杠生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)[9]，攪拌摩擦焊是一種新型的固相連接技術(shù)，具有焊接接頭強度高、能耗低、焊接過程無污染等優(yōu)點[10]。因此，本文采用攪拌摩擦焊技術(shù)對Al-6.6Zn-1.7Mg-0.26Cu合金擠壓材進(jìn)行焊接，研究了攪拌摩擦焊接頭的顯微組織和力學(xué)性能。

1 實驗材料與方法

實驗材料為Al-6.6Zn-1.7Mg-0.26Cu合金，采用工業(yè)純鋁(99.9%，質(zhì)量百分比，下同)、純鎂(99.9%)、純鋅、鋁銅合金和鋁鈦合金熔煉配制。實驗設(shè)備為200kg鋁合金熔化爐和半連續(xù)鑄造機。在740℃將純鋁、純鎂、純鋅、鋁銅合金和鋁鈦合金加熱熔化，經(jīng)精煉除氣除渣后，將鋁合金液半連續(xù)鑄造成直徑100mm的合金圓棒。經(jīng)SPECTROMAX光電直讀光譜儀測定，合金圓棒的化學(xué)成分為，Zn 6.6%、Mg 1.7%、Cu 0.26%、Ti 0.03%、Fe 0.09%、Si 0.06%，余量為Al。

將合金圓棒加熱至 450℃保溫 4h，再繼續(xù)升溫至 510℃保溫 10h進(jìn)行均勻化處理，之后用水霧強制冷至室溫。將合金圓棒加熱至475℃后在630t擠壓機上擠壓成寬94.6mm、厚8.2mm的板材，擠壓速度為7mm/s，擠壓比為10∶1，然后進(jìn)行在線水冷淬火。采用攪拌摩擦焊接技術(shù)對Al-6.6Zn-1.7Mg-0.26Cu合金板材進(jìn)行焊接，焊接方向平行于板材的擠壓方向，焊接前進(jìn)速度為80mm/min，攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為1000r/min，圖1為攪拌摩擦焊攪拌頭的運動示意圖。

在焊接接頭部位取樣，試樣經(jīng)磨制、拋光和腐蝕后，在LEICA-DMI3000M金相顯微鏡上進(jìn)行觀察。在MH-5L型維氏硬度儀上測試合金焊接接頭的硬度，測試載荷為200g，加載時間為10s。在DNS200型電子拉伸試驗機上進(jìn)行室溫拉伸試驗，拉伸速率2mm/min，拉伸試樣形狀尺寸如圖2所示。

圖1 攪拌摩擦焊攪拌頭運動示意圖Fig.1 Motion diagram of friction stir welding agitator

圖2 拉伸試樣的形狀尺寸(單位：mm)Fig.2 Shape and size of tensile specimens (unit: mm)

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 接頭的顯微組織

圖3為Al-6.6Zn-1.7Mg-0.26Cu合金攪拌摩擦焊接頭的低倍顯微組織。從圖3可看到，攪拌摩擦焊接頭的焊縫形貌呈“盆狀”，焊縫的低倍顯微組織呈“洋蔥環(huán)”形狀[11]。根據(jù)圖1攪拌摩擦焊的前進(jìn)方向和攪拌頭的旋轉(zhuǎn)方向?qū)附咏宇^進(jìn)行分區(qū)，焊縫左側(cè)為前進(jìn)側(cè)，該側(cè)的合金塑性變形方向與焊接前進(jìn)方向一致；焊縫右側(cè)為回撤區(qū)，該側(cè)的合金塑性變形方向與焊接前進(jìn)方向相反。在焊縫內(nèi)，由于攪拌頭旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的空腔作用，使攪拌區(qū)內(nèi)前進(jìn)側(cè)的合金沿攪拌頭的外表面逆時針地被擠壓至攪拌頭后方，而在回撤區(qū)的合金隨攪拌頭的外表面順時針地流向攪拌頭后方，最終導(dǎo)致前進(jìn)側(cè)焊縫的分界面比較清晰，而回撤側(cè)焊縫的分界面則比較模糊。

圖4為Al-6.6Zn-1.7Mg-0.26Cu合金擠壓材和攪拌摩擦焊接頭的高倍顯微組織。從圖4(a)可看出，Al-6.6Zn-1.7Mg-0.26Cu合金擠壓材的顯微組織為等軸晶粒。從圖4(b)可看出，接頭的焊縫顯微組織為細(xì)小均勻的等軸晶粒，這是由于在攪拌摩擦焊過程中，高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭使焊縫合金發(fā)生劇烈的塑性變形，使晶粒被不斷攪拌破碎，同時攪拌頭的高速旋轉(zhuǎn)攪拌摩擦作用使焊縫合金溫度上升，位錯密度增加，在合金儲能達(dá)到一定程度時發(fā)生再結(jié)晶[12]，最終使焊縫形成了細(xì)小均勻的等軸晶組織。從圖4(b)也可看出，接頭的焊縫組織上也存在少量細(xì)小的微觀空洞。從圖4(c)和(d)可看出，接頭前進(jìn)側(cè)和回撤側(cè)的熱影響區(qū)合金只是受到焊接熱循環(huán)的作用，并沒有受到攪拌頭的攪拌作用，所以接頭前進(jìn)側(cè)和回撤側(cè)的熱影響區(qū)合金組織與擠壓材相似，均為等軸晶組織，但該兩個區(qū)的晶粒由于受到熱影響作用，導(dǎo)致部分晶粒出現(xiàn)了長大粗化現(xiàn)象[13]。在熱影響區(qū)與焊縫之間的過渡區(qū)域，該區(qū)域既受到了攪拌頭的不完全旋轉(zhuǎn)攪拌作用，又受到了熱影響的作用，稱為熱機械影響區(qū)，如圖4(c)和(d)中的箭頭所示，熱機械影響區(qū)合金的晶粒大小分布不均勻，部分晶粒被拉長。

圖3 攪拌摩擦焊接頭的低倍顯微組織Fig.3 Low magnification microstructure of friction stir welded joint

(a)擠壓材；(b)焊縫；(c)前進(jìn)側(cè)；(d)回撤側(cè)圖4 攪拌摩擦焊接頭的高倍顯微組織Fig.4 High magnification microstructures of friction stir welded joint

2.2 接頭的硬度分布

圖5為Al-6.6Zn-1.7Mg-0.26Cu合金攪拌摩擦焊接頭的硬度分布。從圖5可以看出，攪拌摩擦焊接頭的硬度以焊縫為中心呈W形狀對稱分布，其中母材的硬度為125HV，焊縫的硬度處于107HV～115HV之間，焊縫寬度大概為8mm。從焊縫到母材的區(qū)域依次為熱機械影響區(qū)和熱影響區(qū)，熱機械影響區(qū)的寬度很薄約為2mm，熱影響區(qū)的寬度為18mm。從焊縫到熱機械影響區(qū)的硬度逐漸降低，從熱影響區(qū)到母材的硬度又逐漸升高。在攪拌摩擦焊過程中，由于焊縫的溫度很高，該溫度超過了合金GP區(qū)和η相的熔解溫度，而越靠近焊縫，合金的溫度也越高。因此，在熱機械影響區(qū)和熱影響區(qū)的合金，由于受到高溫?zé)嵊绊懽饔?，部分沉淀相熔解?dǎo)致強化相數(shù)量減少，同時由于熱機械影響區(qū)合金的晶粒大小不均勻，最終導(dǎo)致在熱機械影響區(qū)和熱影響區(qū)交界處的合金硬度值最低，其中回撤側(cè)熱影響區(qū)的硬度值最低為104HV，前進(jìn)側(cè)熱影響區(qū)的硬度值最低為102HV。

2.3 接頭的拉伸力學(xué)性能

表1為Al-6.6Zn-1.7Mg-0.26Cu合金擠壓材和攪拌摩擦焊接頭的拉伸力學(xué)性能。從表1可知，攪拌摩擦焊接頭的抗拉強度為合金擠壓材的95.8%，屈服強度為合金擠壓材的92.9%，伸長率為合金擠壓材的81.9%，Al-6.6Zn-1.7Mg-0.26Cu合金攪拌摩擦焊接頭的強度系數(shù)為0.96。

圖5 攪拌摩擦焊接頭的硬度分布Fig.5 Hardness distribution of friction stir welded joint

表1 合金擠壓材和攪拌摩擦焊接頭的拉伸力學(xué)性能

3 結(jié)論

(1)Al-6.6Zn-1.7Mg-0.26Cu合金攪拌摩擦焊接頭的焊縫形貌呈“盆狀”，焊縫顯微組織為細(xì)小均勻的等軸晶粒；

(2)攪拌摩擦焊接頭的硬度呈W形狀對稱分布，從焊縫中到母材，硬度先下降后再上升，焊縫硬度值在107 HV ～115HV；

(3)攪拌摩擦焊接頭的抗拉強度為404.3 MPa，屈服強度為265.9 MPa，延伸率為18.1%，接頭的焊接強度系數(shù)為0.96。