2219鋁合金攪拌摩擦焊焊縫夾雜的形成原因分析與控制

（上海航天設(shè)備制造總廠有限公司，上海200245）

0 前言

2219鋁合金是一種Al-Cu系高強(qiáng)鋁合金，Cu含量為 5.8%～6.8%，其強(qiáng)化相主要為 θ′、θ″、θ（Al2Cu），具有優(yōu)良的高低溫（-250～250℃）力學(xué)性能、斷裂韌性、抗應(yīng)力腐蝕性能、焊接性能，因此廣泛應(yīng)用于航空、航天、軍事等領(lǐng)域[1-2]。作為運(yùn)載火箭燃料貯箱制造的理想材料，2219鋁合金目前已經(jīng)取代2A14鋁合金成為我國新一代運(yùn)載火箭貯箱制造的主要材料[3-5]。

攪拌摩擦焊（friction stir welding，F(xiàn)SW）是一種新型的固相連接技術(shù)，可以徹底避免鋁合金熔化焊常見的氣孔、裂紋等焊接缺陷，同時相比熔化焊獲得的接頭強(qiáng)度更高[6-9]。但是當(dāng)攪拌摩擦焊工藝參數(shù)不合理或焊前被焊板材表面清理不徹底時，會產(chǎn)生溝槽、隧道、孔洞、未焊透、夾雜等焊接缺陷[10]。一般情況下夾雜是因外來物質(zhì)殘留在焊縫中形成的。然而在生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，即使在2219鋁合金焊前對接面、墊板清理干凈，未發(fā)生背部扎穿的情況下，焊縫的X射線底片中仍然會出現(xiàn)一種月牙狀夾雜，導(dǎo)致產(chǎn)品返修，影響生產(chǎn)進(jìn)度。因此，分析夾雜的形成原因進(jìn)而提出消除夾雜的方法對提升產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性具有重要意義。

本文通過分析夾雜的分布特征、微觀形貌及化學(xué)成分，結(jié)合焊接試驗等手段確定了缺陷的形成原因和機(jī)理，并研究了夾雜對接頭拉伸性能的影響，為2219鋁合金攪拌摩擦焊生產(chǎn)應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 試驗材料和方法

試驗材料為10 mm厚2219-T87鋁合金，其主要化學(xué)成分如表1所示，抗拉強(qiáng)度440 MPa，斷后伸長率12%。采用環(huán)縫攪拌摩擦焊設(shè)備進(jìn)行焊接試驗，攪拌頭軸肩為光面內(nèi)凹型，軸肩直徑27 mm，攪拌針采用右旋螺紋帶三棱面的圓臺結(jié)構(gòu)，攪拌針根部直徑9.6 mm。焊接過程攪拌頭轉(zhuǎn)速為700 r/min，焊接速度為200 mm/min，攪拌頭傾角為2.7°。

表1 2219-T87鋁合金的主要化學(xué)成分 %

焊接完成后通過X射線檢測觀察焊縫內(nèi)部夾雜的宏觀形貌以及沿焊縫長度方向上的分布特征。為分析夾雜的微觀形貌及化學(xué)成分，截取含有夾雜的攪拌摩擦焊接接頭，用砂紙打磨并拋光制取金相試樣，采用Keller試劑（用10 g FeCl3+30 mL HCl+120mL H2O）進(jìn)行金相腐蝕，采用Axio Observer D1M光學(xué)顯微鏡觀察夾雜的微觀形貌，采用FEINOVA450掃描電鏡對夾雜進(jìn)行能譜分析。

為進(jìn)一步確定夾雜的形成原因，采用改進(jìn)后的攪拌頭進(jìn)行焊接試驗，焊后通過X射線檢測焊縫內(nèi)部質(zhì)量來確定夾雜是否消除。為確定夾雜對接頭拉伸性能的影響，根據(jù)GB/T228-2010《金屬材料拉伸試驗方法》截取拉伸試樣并在CMT-5305力學(xué)性能試驗機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 夾雜的形貌特征及成分分析

2219鋁合金攪拌摩擦焊焊縫夾雜的X射線底片如圖1所示，焊縫長度方向上存在多處大小不等的月牙狀夾雜，大部分具有向前進(jìn)側(cè)甩尾的特征，夾雜亮度高于底片的其他位置，曲率半徑與攪拌針半徑基本相當(dāng)。單個夾雜的最大尺寸達(dá)7 mm。焊縫長度方向上夾雜的分布無周期性規(guī)律，而在焊縫寬度方向上夾雜均出現(xiàn)在攪拌針作用區(qū)內(nèi)。將圖1a中的某一處夾雜放大后如圖1b所示，發(fā)現(xiàn)夾雜并非是連續(xù)的線狀，而是由多個小尺寸顆粒組成。

圖1 焊縫夾雜的X 射線底片

夾雜的宏觀形貌如圖2所示，圖中白色質(zhì)點(diǎn)即為焊縫X射線底片上的夾雜，觀察發(fā)現(xiàn)夾雜質(zhì)點(diǎn)均為不規(guī)則的多邊形，同時大顆粒質(zhì)點(diǎn)附近往往分布有一定數(shù)量的小顆粒質(zhì)點(diǎn)，其中最大的夾雜質(zhì)點(diǎn)尺寸達(dá)400 μm。在焊縫厚度方向上夾雜的分布是隨機(jī)性的。夾雜的微觀形貌如圖3所示，可以發(fā)現(xiàn)夾雜與鋁基體間界面清晰，并且夾雜有被“打碎”的跡象。采用掃描電鏡對夾雜進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖4所示，夾雜的主要化學(xué)成分為Al和Cu，質(zhì)量分?jǐn)?shù)比為48∶52，根據(jù)Al-Cu二元相圖可以確定夾雜質(zhì)點(diǎn)為化合物Al2Cu。

康舉[11]等人研究2219攪拌摩擦焊時在焊核區(qū)發(fā)現(xiàn)了異常的呈斷續(xù)曲線分布的Al2Cu，分析認(rèn)為其為焊接過程中材料發(fā)生局部液化并在攪拌頭的旋轉(zhuǎn)擠壓作用下所形成的離異共晶。不同于康舉等人的發(fā)現(xiàn)，本研究中Al2Cu的尺寸遠(yuǎn)大于其發(fā)現(xiàn)的線狀離異共晶，且形貌特征也并不相同，因此分析認(rèn)為本研究中的異常Al2Cu不是局部液化產(chǎn)生的離異共晶。由于焊接所使用的攪拌頭和焊接墊板中均不含有Cu元素，為確定夾雜缺陷的形成原因，需要進(jìn)一步分析攪拌摩擦焊過程。

圖2 焊縫夾雜的宏觀形貌

圖3 焊縫夾雜的微觀形貌

圖4 焊縫夾雜的能譜分析

2.2 夾雜的形成原因分析及驗證

2219母材中Al2Cu的形貌及分布情況如圖5a所示，第二相顆粒的尺寸一般在20 μm以內(nèi)，通過X射線檢測無法分辨。典型攪拌摩擦焊焊縫焊核區(qū)Al2Cu的形貌及分布情況如圖5b所示，與母材相比大尺寸的Al2Cu顆粒數(shù)量明顯減少。這是由于受攪拌頭的旋轉(zhuǎn)擠壓作用，焊核區(qū)溫度最高，同時攪拌作用也最為劇烈，因此焊核區(qū)的Al2Cu顆粒向鋁基體內(nèi)發(fā)生了固溶。

研究發(fā)現(xiàn)，Al2Cu顆粒大都呈聚集狀，單個最大尺寸達(dá)400 μm，分析認(rèn)為只有金屬材料長期受熱才會導(dǎo)致Al2Cu顆粒急劇長大到該尺寸，因此降低攪拌頭轉(zhuǎn)速、提高焊接速度再次進(jìn)行焊接，焊縫經(jīng)X射線檢測后仍然存在月牙狀夾雜缺陷，說明攪拌摩擦焊焊接過程峰值溫度低，高溫停留時間短，焊接熱循環(huán)不會導(dǎo)致焊核區(qū)Al2Cu顆粒異常長大，通過改變工藝參數(shù)無法消除夾雜缺陷?？紤]到整個焊接過程中只有攪拌頭持續(xù)處于高溫狀態(tài)，因此推測Al2Cu顆粒的異常長大與攪拌頭有關(guān)。

圖5 FSW接頭母材和焊核區(qū)Al2Cu的分布

焊接所用攪拌頭的形貌如圖6所示，軸肩為光面內(nèi)凹型，攪拌針上具有螺紋和三棱面特征，螺紋槽寬較小且三棱面尺寸較大，推測認(rèn)為焊接過程中攪拌針上存在被焊材料的粘滯，滿足了鋁合金中第二相長大的條件，進(jìn)而可能導(dǎo)致焊縫中出現(xiàn)異常長大的Al2Cu顆粒。由于焊接過程中攪拌針上是否粘滯材料無法直接驗證，采用攪拌針帶有螺紋、三棱面特征和不帶任何特征的攪拌頭在同一塊試板上進(jìn)行焊接試驗，發(fā)現(xiàn)采用帶有螺紋和三棱面特征的攪拌頭的焊縫中存在月牙狀夾雜，而不帶任何特征的攪拌頭所焊焊縫存在內(nèi)部缺陷?？紤]到攪拌針上的螺紋和三棱面特征有利于金屬材料的流動和焊縫成形，因此對現(xiàn)有攪拌頭上的螺紋和三棱面特征進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的攪拌頭如圖7所示，一是增大了攪拌針上螺紋的槽寬，二是減小了三棱面的尺寸。采用改進(jìn)后的攪拌頭再次進(jìn)行焊接試驗，在相同工藝參數(shù)下連續(xù)焊接10 m后對焊縫全長進(jìn)行X射線檢測，均未發(fā)現(xiàn)月牙狀夾雜。這證實了焊縫中Al2Cu顆粒的異常長大是由于攪拌頭設(shè)計不合理，存在金屬材料粘滯導(dǎo)致的，通過優(yōu)化攪拌頭的結(jié)構(gòu)形式，可以有效避免焊縫夾雜的產(chǎn)生。

2.3 夾雜的形成機(jī)理分析

圖6 攪拌頭的形貌

圖7 改進(jìn)后的攪拌頭的形貌

根據(jù)Al-Cu相圖可知，Cu在Al中的最大溶解度為5.7%，而2219鋁合金中Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)5.8%～6.8%，即在室溫和高溫狀態(tài)下2219鋁合金中的Cu在鋁基體中始終處于過飽和狀態(tài)。粘滯在攪拌針上的金屬材料在長時間高溫作用下，最初Cu原子會向鋁基體中固溶，表現(xiàn)為大顆粒Al2Cu發(fā)生溶解，而當(dāng)鋁基體中的Cu達(dá)到該溫度下的溶解極限時，還有會剩余一部分Cu無法固溶，Cu原子會在高溫條件下迅速聚集，與鋁基體形成大尺寸的金屬間化合物Al2Cu顆粒。隨著焊接的進(jìn)行，滯留在攪拌針上的金屬材料由于焊接振動或攪拌針回抽會發(fā)生隨機(jī)剝落，脫落的大尺寸Al2Cu顆粒進(jìn)入焊縫并在攪拌頭的攪拌作用下發(fā)生破碎，同時在攪拌頭的旋轉(zhuǎn)擠壓作用下在焊縫中形成與攪拌針直徑相當(dāng)?shù)脑卵罓願A雜。采用相同焊接參數(shù)，用改進(jìn)前的攪拌頭對Cu含量為3.9%～4.8%的2A14鋁合金進(jìn)行焊接試驗，焊縫經(jīng)X射線檢測后均未發(fā)現(xiàn)類似月牙狀夾雜。

2.4 夾雜對接頭拉伸性能的影響

為確定夾雜對接頭拉伸性能的影響，在同一條焊縫含有夾雜位置和不含有夾雜位置分別截取兩組拉伸試件，對接頭進(jìn)行拉伸測試，結(jié)果如表3所示，編號1～3為不含有夾雜的拉伸試樣，編號4～6為含有夾雜的拉伸試樣，對比發(fā)現(xiàn)含有夾雜的拉伸試樣與無缺陷的試樣拉伸測試結(jié)果無明顯差異，兩組試樣抗拉強(qiáng)度均為母材強(qiáng)度的62%左右，斷后伸長率為母材的42%。

表3 接頭的拉伸性能

含有夾雜的拉伸試樣斷裂位置的X射線底片如圖8所示，觀察發(fā)現(xiàn)接頭的斷裂均未發(fā)生在夾雜位置，而是熱影響區(qū)。分析認(rèn)為這是由于異常長大的Al2Cu顆粒僅少量存在于焊縫中，并且夾雜為非連續(xù)的線狀缺陷，對接頭拉伸性能的影響遠(yuǎn)小于接頭熱影響區(qū)整體性能的下降。關(guān)于夾雜對接頭其他性能的影響還有待進(jìn)一步研究。

圖8 含有夾雜拉伸試樣斷裂位置的X射線底片

3 結(jié)論

（1）在2219鋁合金攪拌摩擦焊焊縫中發(fā)現(xiàn)了多處月牙狀夾雜缺陷，集中在攪拌針作用區(qū)內(nèi)，焊縫長度方向夾雜的分布是隨機(jī)的，通過能譜分析發(fā)現(xiàn)其為異常長大的Al2Cu顆粒。

（2）異常長大的Al2Cu顆粒是由于攪拌針上存在金屬材料粘滯，在長時間高溫作用下，過飽和的Cu發(fā)生聚集，形成了大尺寸的Al2Cu顆粒，隨著焊接過程發(fā)生隨機(jī)脫落并在攪拌頭的帶動下形成了月牙狀的夾雜。通過改進(jìn)攪拌頭結(jié)構(gòu)，可以避免夾雜。

（3）對含有夾雜的接頭和無缺陷的接頭進(jìn)行拉伸測試，兩者接頭的抗拉強(qiáng)度及斷后伸長率無明顯差異，含有夾雜的接頭斷裂未發(fā)生在夾雜位置。