2219鋁合金攪拌摩擦焊縫Al2Cu相聚集行為特征分析

李 超 趙英杰 孫轉(zhuǎn)平 紀文學 李曉光

（1 天津航天長征火箭制造有限公司，天津 300462）

（2 首都航天機械有限公司，北京 100076）

0 引言

一種新的焊接技術(shù)，從發(fā)明到原理驗證，從技術(shù)實現(xiàn)到在航天工業(yè)中的應用，往往要經(jīng)過幾十年的時間，而攪拌摩擦焊技術(shù)（FSW）卻是個特例。從1991年由英國焊接技術(shù)研究所（TWI）發(fā)明攪拌摩擦焊接技術(shù)到1999年美國在Delta 運載火箭中間艙段焊接生產(chǎn)中的首次應用，僅經(jīng)過了8年時間，可見攪拌摩擦焊接技術(shù)在航天產(chǎn)品工程應用中備受青睞，目前已在在航空航天、軌道交通、汽車及船舶制造等領(lǐng)域得到了廣泛的應用［1-2］。作為一項獨具創(chuàng)新性的連接技術(shù)，攪拌摩擦焊在焊接科學技術(shù)應用發(fā)展史上具有里程碑的意義［3］。

攪拌摩擦焊技術(shù)是一種基于微區(qū)鍛造的綠色固態(tài)焊接工藝［2］，目前主要應用于鋁合金、鎂合金等輕金屬合金產(chǎn)品的焊接生產(chǎn)［4］。相對于傳統(tǒng)熔焊焊接工藝，攪拌摩擦焊技術(shù)具有接頭力學性能優(yōu)良、產(chǎn)品變形小、生產(chǎn)過程綠色無污染等諸多優(yōu)點，同時，由于攪拌摩擦焊屬于固相連接工藝，其焊縫組織特征、缺陷形態(tài)及影響因素等也與傳統(tǒng)熔化焊接工藝有著本質(zhì)的不同。攪拌摩擦焊技術(shù)在運載火箭燃料貯箱的焊接生產(chǎn)中最先得到廣泛的應用。燃料貯箱是運載火箭中最重要的組成部分之一，目前，中國新一代運載火箭燃料貯箱的主要材料為2219 鋁銅系鋁合金。本文針對2219 鋁銅合金，進行了一系列攪拌摩擦焊接試驗，研究了2219 鋁銅合金攪拌摩擦焊縫的微觀組織特性，并重點對焊縫中出現(xiàn)的亮白色聚集物異常聚集現(xiàn)象進行分析。

1 試驗材料與方法

采用10 mm 厚度的2219 鋁合金，材料狀態(tài)為C10S，采用平板對接焊方式，試驗板材規(guī)格為600 mm×150 mm，2219 鋁合金主要化學成分及力學性能如表1和表2所示。

表1 2219鋁合金主要化學成分Tab.1 Main chemical composition of 2219 aluminum alloy%（質(zhì)量分數(shù)）

表2 2219鋁合金基材力學性能Tab.2 Mechanical properties of 2219 aluminum alloy

攪拌頭采用高溫合金加工制造，焊接試驗前，對攪拌針長度進行修磨，使攪拌針長度小于試片最小板厚0.15～0.25 mm，攪拌頭形貌如圖1所示。

圖1 攪拌頭形貌Fig.1 Morphology of mixing head

焊接前，使用汽油對焊接工裝及待焊板材焊接區(qū)進行擦拭除油，并對待焊板材正、反面待焊區(qū)域及對接端面區(qū)域進行打磨和刮削清理，對攪拌頭使用酒精清洗。試驗焊接參數(shù)如表3所示。

表3 2219鋁合金焊接試驗參數(shù)Tab.3 2219 aluminum alloy welding test parameters

為得到充足的聚集相樣本，進行了多組焊接試驗，焊接完成后，剔除正面焊縫的飛邊，并對焊縫進行打磨圓滑處理，之后對焊縫背面進行打磨處理，打磨深度0.15～0.25 mm，去除未連接及弱結(jié)合缺陷。打磨處理完成后，對焊縫進行超聲相控陣檢測和X光檢測，對無聚集相焊縫及存在聚集相的位置處焊縫分別選取3 個拉伸子樣，在MTS-810 電子拉伸試驗機上進行拉伸試驗。根據(jù)無損檢測結(jié)果，對不同形貌的焊縫聚集相進行剖切截取金相試樣，用混合酸（1mL HF+1.5mL HCl+2.5mL HNO3+95mL H2O）溶液對拋光后的試樣進行腐蝕，在OLYM-PUS 光學顯微鏡下進行典型區(qū)域金相組織分析，并對聚集相進行能譜分析。

2 焊縫力學性能及無損檢測分析

2.1 焊縫的力學性能

無聚集相攪拌摩擦焊縫和聚集相位置處的攪拌摩擦焊縫力學性能如表4 所示。無聚集相位置處焊縫平均抗拉強度為333.7 MPa，平均斷后伸長率為6.7%，聚集相存在位置處焊縫平均抗拉強度為329 MPa，平均斷后伸長率為6.3%。無聚集相處和有聚集相處焊縫的力學性能差別不大，抗拉強度均達到母材強度的70%以上，斷后伸長率均達到6.0%以上，焊縫具有良好的塑性。

表4 有無聚集相位置焊縫力學性能Tab.4 Mechanical properties of welded joints without aggregate phase

2.2 焊縫的無損檢測分析

通過對焊縫聚集相樣本進行無損檢測分析后得出，聚集相的形態(tài)主要分為團塊狀、線狀和指狀三種，圖2為聚集相的X光透視圖像。

圖2 聚集相X光透視形貌Fig.2 X-ray view of the aggregate phase

可看出顯示為亮白色聚集物，部分聚集相邊界明顯。受攪拌針機械攪拌作用的影響，大部分線狀和指狀聚集相的分布存在一定方向性，呈現(xiàn)環(huán)形分布的趨勢。

圖3 為團塊狀及線狀聚集相超聲相控陣檢測信號，聚集相與鋁基體因存在明顯界面，在檢測中會出現(xiàn)超聲波的反射信號。因聚集相密度與鋁基體密度相差不大，相控陣檢測的信號強度要小于異質(zhì)金屬夾雜及空腔缺陷的信號強度。團塊狀聚集相在相控陣檢測中可觀察到較為明顯的信號反映，信號圖像一般呈現(xiàn)圓形的團狀，較大的線狀聚集相在相控陣檢測中也可觀察到信號反應，信號圖像多為點狀，且信號強度比較微弱，較小的線狀聚集相及指狀聚集相則無法在相控陣檢測中觀察到信號反映。

圖3 聚集相超聲相控陣信號Fig3 Aggregated phase ultrasonic phased array

3 焊縫的顯微組織分析

3.1 母材的顯微組織及能譜分析

2219C10S狀態(tài)鋁合金母材為10%變形量的軋制板材，圖4為母材晶粒的顯微組織形貌，晶粒沿軋制方向呈板條狀分布，鋁基體上彌散分布著大量聚集相。

圖4 母材顯微組織形貌Fig.4 Microstructure of base material

圖5 為2219C10S 狀態(tài)鋁合金母材的SEM 圖像，圖中亮白色聚集物為聚集相，并沿晶粒軋制方向分布，其余部分為鋁基體。對聚集相位置進行了能譜分析，聚集相位置處Al和Cu的原子百分比接近2.5∶1，O 原子占比約為10%，另外還存在少量的Fe 原子，如表5 所示。聚集相位置的主要成分為Al2O3和Al2Cu，Al2O3主要來自于母材表面的氧化膜，因此聚集相的主要成分為Al2Cu。

圖5 母材SEM圖像Fig.5 SEM image of base material

表5 聚集相各元素原子分數(shù)Tab.5 Aggregate phase elements and content percentage%（原子分數(shù)）

圖6 母材聚集相位置能譜分析Fig.6 Energy spectrum analysis of aggregate phase of base material

3.2 焊縫聚集相的微觀形貌及能譜分析

對焊縫聚集相進行金相觀察及能譜分析，發(fā)現(xiàn)可以明顯觀察到團塊狀、線狀和指狀聚集相的截面形態(tài)，與周圍的鋁基體存在明顯的界面，聚集相僅存在于攪拌摩擦焊縫焊核區(qū)，在攪拌針攪拌作用下部分呈破碎狀。對聚集相的成因分析認為，聚集相的產(chǎn)生及不同的形態(tài)特點主要受攪拌摩擦焊接熱輸入及攪拌頭機械攪拌作用的影響。在焊接過程中，塑態(tài)軟化的金屬在攪拌頭旋轉(zhuǎn)攪拌的作用下向攪拌針后方的空腔進行流動填充，在金屬保持塑態(tài)軟化的狀態(tài)下Al2Cu 相出現(xiàn)了聚集行為，隨著塑態(tài)金屬的凝固，聚集行為開始變得緩慢并結(jié)束。在焊縫截面方向上由于從攪拌頭軸肩到攪拌針端頭熱輸入呈逐漸減小的趨勢，因此聚集相的尺寸從攪拌頭軸肩到攪拌針端頭也呈逐漸減小的趨勢。對聚集相尺寸的測量如表6所示。

團塊狀聚集相尺寸大于線狀和指狀聚集相，主體聚集相形狀較為規(guī)則，且與周圍Al基體界面清晰，在攪拌頭的機械攪拌作用下，部分呈破碎狀，分散在一塊團狀區(qū)域內(nèi)，如圖7所示。在焊接過程中，攪拌頭軸肩的熱輸入大于攪拌針的熱輸入，且攪拌針為錐形結(jié)構(gòu)，從端頭到軸肩攪拌針直徑逐漸增大，機械攪拌作用更強，攪拌后的空腔更大，塑態(tài)金屬的流動作用也更為劇烈。因此，尺寸較大的團塊狀聚集相主要存在于焊核中心或焊核偏焊縫上表面（軸肩影響區(qū)）位置處。能譜分析表明聚集相主要組成元素為Al和Cu，原子百分比近似為2∶1，可以確定聚集相的主要成分為Al2Cu。

表6 典型聚集相尺寸Tab.6 Typical aggregate phase size

圖7 團塊狀聚集相Fig.7 Agglomerated aggregate phase

線狀聚集相主要呈細長的條狀，長度一般不超過1 mm，在超聲相控陣檢測中特征信號微弱或無信號顯示，在X光射線檢測中呈亮白色線形特征，如圖8所示。聚集相與周圍Al基體界面清晰，受攪拌針機械攪拌作用和攪拌針熱輸入的影響，尺寸較小的線狀聚集相主要存在于焊核中心或焊核偏焊縫根部位置處。能譜分析表明聚集相主要組成元素為Al和Cu，原子百分比近似為2∶1，確定為Al2Cu相聚集形成。

圖8 線狀聚集相Fig.8 Linear aggregation phase

指狀聚集相主要呈短棒狀，長度一般不超過0.5 mm，一般情況下指狀聚集相周圍會彌散分布若干破碎的點狀聚集相，如圖9所示。

圖9 指狀聚集相Fig.9 Finger aggregate phase

在超聲相控陣檢測中無特征信號顯示，在X光射線檢測中呈亮白色短棒狀特征。指狀聚集相受攪拌針端頭部分機械攪拌作用和攪拌針熱輸入的影響較大，主要存在于焊核中心偏焊縫根部位置處。能譜分析表明聚集相主要組成元素及原子百分比與團塊狀和線狀聚集相相同，確定為Al2Cu聚集相。

4 結(jié)論

（1）聚集相是母材基體中的Al2Cu 相在焊接熱循環(huán)和攪拌頭機械攪拌的綜合作用下產(chǎn)生的聚合行為；

（2）對2219C10S 狀態(tài)鋁合金攪拌摩擦焊縫無聚集相位置和有聚集相位置進行力學性能分析，結(jié)果表明無聚集相處和有聚集相處焊縫的力學性能差別不大，抗拉強度均達到母材強度的70%以上，斷后伸長率均達到6.0%以上；

（3）聚集相的形態(tài)主要分為團塊狀、線狀和指狀三種，在X 光射線透視照片中顯示為亮白色聚集物，在超聲相控陣檢測中，團塊狀聚集相可觀察到信號反映，而線狀和指狀聚集相特征信號微弱或無信號顯示；

（4）團塊狀聚集相尺寸大于線狀和指狀聚集相，部分聚集相尺寸可超過1 mm，受攪拌頭結(jié)構(gòu)及機械攪拌作用影響，團塊狀聚集相主要分布在焊核中心或偏焊縫上表面位置處，線狀和指狀聚集相主要分布在焊核中心或偏焊縫根部位置處；

（5）對聚集相進行能譜分析表明，聚集相主要組成元素為Al和Cu，原子百分比近似為2∶1，與2219鋁合金母材中的聚集相成分相同，可以確定為Al2Cu 聚集相。