轉(zhuǎn)速對2524 鋁合金攪拌摩擦點焊組織與性能的影響①

胡一杰， 孫有平， 何江美， 李旺珍

（廣西科技大學(xué) 機械與交通工程學(xué)院，廣西 柳州545006）

2524 鋁合金是目前生產(chǎn)大飛機蒙皮的主要材料［1-2］。 鉚接和熔焊是現(xiàn)階段鋁合金的主流連接方法，但由于鉚接技術(shù)存在工藝復(fù)雜、增重明顯，熔焊存在能耗高、接頭綜合性能低等缺點，嚴(yán)重限制了其發(fā)展［3-7］。 攪 拌 摩 擦 點 焊（Friction stir spot welding，F(xiàn)SSW）是一種新型固相焊接技術(shù)［8-12］，相比于傳統(tǒng)連接方法，具有生產(chǎn)成本低、接頭強度高等優(yōu)點。 優(yōu)化焊接工藝是實現(xiàn)接頭組織與性能提升最有效的方法之一［13-16］。 目前對于2524 鋁合金的FSSW 研究較少，本文探究在不同攪拌頭轉(zhuǎn)速下焊接接頭的成形性、力學(xué)性能和組織演變規(guī)律。

1 試 驗

試驗采用大應(yīng)變軋制工藝［17］制備的2524 鋁合金薄板為母材，其化學(xué)成分如表1 所示，板材抗拉強度為430 MPa，斷后伸長率12.3%。 圖1 為待焊2524 鋁合金板材三維金相組織照片，從圖中可以看出，組織沿軋制方向呈明顯的帶狀形態(tài)。 圖2 為試驗用攪拌頭結(jié)構(gòu)，攪拌針為圓錐形，小端直徑3 mm，長度3 mm，右旋螺紋；軸肩為雙內(nèi)凹同心圓環(huán)結(jié)構(gòu)，直徑10 mm；焊接時攪拌頭傾角為2.5°。

表1 2524 鋁合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）／%

圖1 2524 鋁合金母材三維金相組織

圖2 攪拌頭結(jié)構(gòu)

FSSW 工藝參數(shù)如表2 所示，其它焊接參數(shù)在以往試驗基礎(chǔ)上擬定。 試件尺寸取60 mm×20 mm×2 mm，焊前用鋼絲刷去除板材表面氧化膜，再用丙酮清洗以去除表面油污，風(fēng)干后進行焊接。 接頭采用搭接形式，搭接面積20 mm ×25 mm，每組參數(shù)取5 個焊接試樣，3 個用于力學(xué)性能測試、1 個用于金相試驗、1 個用于硬度測試。

表2 試樣焊接工藝參數(shù)

在JK-5 型多功能焊接機上進行焊接試驗；拉伸試驗使用ETM105D 型電子萬能試驗機；金相試樣使用線切割法，沿板材軋制方向，焊點中心位置對試樣進行切割，打磨并拋光后使用混合酸水溶液（2 mL HF＋3 mL HCL ＋5 mL HNO3＋190 mL H2O）進行浸蝕，采用Leica DMI3000M 型顯微鏡觀察焊接接頭顯微組織；采用HVS-1000 Z 型顯微硬度計測試焊接接頭硬度分布規(guī)律，加載載荷為9.8 N，加載時間為10 s，硬度采集方法為：在平行于上板上表面1 mm 位置，每間隔0.5 mm進行硬度采點；采用SIGMA 場發(fā)射掃描電鏡觀察拉伸斷口形貌。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 轉(zhuǎn)速對宏觀形態(tài)的影響

表3 為不同攪拌頭轉(zhuǎn)速下焊點表面與拉伸斷口宏觀形態(tài)。 在FSSW 過程中，攪拌頭壓入待焊材料后，金屬被擠出，形成飛邊（點1），隨轉(zhuǎn)速增加金屬沉積增多（點2）。 FSSW 焊接接頭單向拉伸斷口大致呈現(xiàn)兩種形式：當(dāng)轉(zhuǎn)速低于700 r／min 時，結(jié)合區(qū)在剪切作用下平行于搭接面斷裂，斷口光亮平整；當(dāng)轉(zhuǎn)速達到900 r／min 后，結(jié)合面呈一定傾斜角度斷裂，斷后部分材料殘留在上板（點3），其中撕裂的一側(cè)呈光亮狀態(tài)（點6），另一邊未有明顯光亮的撕裂痕跡（點7）。 而斷口左右寬度不一致（點4、點5），是因為攪拌頭在焊接過程中呈一定傾斜角度壓入形成。

表3 不同攪拌頭轉(zhuǎn)速下的表面形貌與斷口形態(tài)

圖3 為焊接接頭在不同轉(zhuǎn)速下的組織形貌。 假設(shè)勾形缺陷（Hook）末端與“匙孔”之間的距離為有效連接寬度W，從兩板結(jié)合面到Hook 末端的距離為Hook彎曲高度H。 由圖3 可知，隨轉(zhuǎn)速增加，Hook 從向下彎曲演變?yōu)橄蛏蠌澢?，H 值逐漸增大，熱機影響區(qū)畸變程度增加，造成這種現(xiàn)象的原因在于：當(dāng)轉(zhuǎn)速較小時，攪拌頭對材料擠壓弱、摩擦生熱少，造成金屬塑化程度低、流動性差，受螺紋向下的擠壓作用后，高壓塑性金屬向下運動，擠壓下方或外側(cè)未塑化金屬，引起組織畸變。 因為金屬塑化程度低，鋁合金導(dǎo)熱性強、冷卻速度快，塑性金屬沒有足夠的能量繼續(xù)運動，形成了Hook向下彎曲的形貌。 當(dāng)轉(zhuǎn)速增大后，金屬受到的攪拌作用增強、摩擦生熱增加，金屬的塑化范圍增大、程度加深，在受到底部未塑化材料的阻礙作用時依然有足夠的能量向外或向上運動［12，18］，當(dāng)向上的驅(qū)動力和上方軸肩的阻礙作用平衡時，停止向上運動，造成Hook 向上彎曲和組織畸變程度增大的現(xiàn)象，最終呈現(xiàn)出隨轉(zhuǎn)速增加，Hook 向上彎曲程度增加的趨勢。

圖3 不同轉(zhuǎn)速下焊接接頭組織形貌

從圖3 可以看出，隨轉(zhuǎn)速增加，焊核區(qū)寬度增大。根據(jù)再結(jié)晶理論［10］，再結(jié)晶程度取決于材料的應(yīng)變速率和溫度，當(dāng)轉(zhuǎn)速增加，材料應(yīng)變速率和溫度均增大，再結(jié)晶區(qū)域變寬，造成焊核區(qū)寬度逐漸增大。

由圖3 可知，W 值隨轉(zhuǎn)速增加先增大后減小，其值大小取決于焊核區(qū)寬度和Hook 的彎曲程度。 如圖3（b）所示，在轉(zhuǎn)速較低時，Hook 擴展至熱機影響區(qū)后終止，因為此時組織畸變程度低，在焊核區(qū)內(nèi)的兩板搭接面受到攪拌作用后，隨焊核區(qū)組織發(fā)生均勻混合，搭接面被打碎后形成穩(wěn)定的連接，造成Hook 終止于熱機影響區(qū)的現(xiàn)象，而W 值近似為焊核區(qū)寬度。 當(dāng)轉(zhuǎn)速較高時，如圖3（c）所示，此時Hook 向上彎曲程度顯著增大，以弱結(jié)合的形式持續(xù)擴展至焊核區(qū)，因為此時組織畸變程度較高，H 值過大，由圖2 可以知道，在靠近軸肩位置的攪拌針根部無螺紋存在，對于促進材料發(fā)生混合、消除Hook 的效果顯著降低，使得W 值小于焊核區(qū)寬度。 所以造成了隨轉(zhuǎn)速增加，W 值先增大后減小的趨勢。

圖4 為單向拉伸試驗中兩種斷裂模式形成原因示意圖。 如圖4（a）所示，轉(zhuǎn)速較低時，Hook 彎曲程度低，結(jié)合面受剪切力作用時，裂紋沿Hook 末端平行于搭接面向匙孔區(qū)域擴展。 如圖4（b）所示，在較高轉(zhuǎn)速下，Hook 向上彎曲嚴(yán)重，在拉伸過程中，c 側(cè)結(jié)合面受張力作用，裂紋沿Hook 末端向匙孔擴展，沿結(jié)合面發(fā)生剝離，形成表3 中點6 斷裂形態(tài)，d 側(cè)材料受相互擠壓力作用發(fā)生撕裂，形成表3 中點7 形態(tài)。

圖4 兩種不同斷裂模式示意

2.2 轉(zhuǎn)速對微觀組織的影響

圖5 為700 r／min 時接頭微觀組織。 經(jīng)FSSW 后，接頭主要包括以下幾個區(qū)域：焊核區(qū)、熱機影響區(qū)、熱影響區(qū)和母材區(qū)。 如圖5 所示，靠近焊核區(qū)的熱機影響區(qū)組織受攪拌和熱影響較強，部分區(qū)域發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶，組織顯著細(xì)化，但仍然沿變形方向分布；靠近熱影響區(qū)一側(cè)，組織受攪拌和熱循環(huán)作用影響較小，晶粒呈現(xiàn)軋制后的板條狀形態(tài)，僅發(fā)生了輕微的扭曲變形；焊核區(qū)組織發(fā)生完全動態(tài)再結(jié)晶，其中靠近攪拌針的區(qū)域相較于靠近上表面軸肩下方的區(qū)域組織更加細(xì)小，形成原因在于攪拌摩擦焊接過程中，軸肩與材料摩擦產(chǎn)熱量遠大于攪拌針［18］。

圖5 700 r／min 時接頭顯微組織形貌

圖6 為單向拉伸斷口的SEM 圖。 可以看出，斷口中有大量韌窩存在，接頭呈現(xiàn)韌性斷裂。 300 r／min時，韌窩較淺，呈拋物線形的剪切韌窩，韌窩底部無明顯第二相粒子分布；1 100 r／min 時，韌窩更深，韌窩底部存在大量第二相粒子，說明轉(zhuǎn)速增加促進了第二相粒子的析出，而第二相粒子數(shù)量增加，對位錯運動的阻礙作用增強，對接頭強度的提升有很大貢獻。

圖6 斷口SEM 形貌圖

2.3 轉(zhuǎn)速對焊接接頭力學(xué)性能的影響

圖7 為不同轉(zhuǎn)速下焊接接頭顯微硬度分布圖。由圖7 可知，從焊核區(qū)到母材區(qū)硬度先下降后回升。在焊核區(qū)內(nèi)，隨轉(zhuǎn)速增加，硬度呈增大趨勢，轉(zhuǎn)速在1 100 r／min 時的硬度最大，達到133.9HV，在300 r／min時硬度最小，僅116.2HV；但在熱影響區(qū)內(nèi)轉(zhuǎn)速為300 r／min 時，硬度相較于其它參數(shù)反而更高，其原因在于隨轉(zhuǎn)速增加，焊核區(qū)的晶粒尺寸和位錯密度均增加［8］，有限的位錯密度對組織的強度貢獻要大于晶粒尺寸。 在熱影響區(qū)，隨著轉(zhuǎn)速增加，攪拌頭與材料摩擦產(chǎn)生的熱量也越大，熱影響區(qū)組織的熱暴露溫度也越高，析出相的溶解或粗化程度增加［14］，造成了熱影響區(qū)在300 r／min 時硬度最高的現(xiàn)象。

圖8 為接頭單向拉伸試驗的剪切強度曲線。 可以看出，接頭剪切強度隨轉(zhuǎn)速增加先增大后減小。 在低轉(zhuǎn)速下，接頭有效連接寬度低，且起到主要連接作用的焊核區(qū)硬度低，使得接頭強度較低；隨轉(zhuǎn)速增加，有效連接寬度增大，焊核區(qū)硬度增加，接頭強度逐漸增加，在轉(zhuǎn)速達到700 r／min 時剪切達到最大值3 510 N；當(dāng)轉(zhuǎn)速為900 r／min 后，雖然焊核區(qū)硬度持續(xù)增大，但有效連接寬度降低，使得剪切強度逐漸降低。

圖8 FSSW 接頭剪切強度曲線

3 結(jié) 論

1） 攪拌頭轉(zhuǎn)速顯著影響焊接接頭組織形態(tài)。 接頭有效連接寬度與焊核區(qū)寬度和Hook 畸變程度有關(guān)，隨轉(zhuǎn)速增大，焊核區(qū)寬度與Hook 畸變程度均顯著增大，焊接接頭有效連接寬度先增大后減小。 焊核區(qū)發(fā)生完全動態(tài)再結(jié)晶，攪拌針作用區(qū)域組織更加細(xì)小，靠近軸肩作用區(qū)域，組織受較高溫度影響明顯粗化。

2） 在單向拉伸試驗中，焊接接頭存在兩種斷裂模式：低轉(zhuǎn)速下平行于搭接面斷裂和高轉(zhuǎn)速下沿一定傾角斷裂。 接頭受剪切作用，斷口呈現(xiàn)剪切韌窩形態(tài)，韌窩較小且淺；在高轉(zhuǎn)速下，接頭斷口的韌窩底部存在大量第二相粒子，且分布均勻，焊接接頭為韌性斷裂。

3） 從焊核區(qū)到母材區(qū)，顯微硬度先降低后回升。焊核區(qū)顯微硬度隨轉(zhuǎn)速增加逐漸增大，而熱影響區(qū)在300 r／min 時硬度最高。 接頭剪切強度隨轉(zhuǎn)速增加呈先增大后減小的變化規(guī)律，在700 r／min 時達到最大值3 510 N。