7075鋁合金攪拌摩擦焊接接頭組織和力學(xué)性能分析

李 穎

（邵陽學(xué)院?機(jī)械與能源工程學(xué)院，湖南?邵陽?422000）

當(dāng)今世界人們面對的巨大難題之一就是地球礦產(chǎn)資源不斷被消耗，因此國內(nèi)外科學(xué)家不斷尋找辦法來解決這一全世界面臨的重大難題[1]。已知的眾多解決方案主要分為2類，第一類是研發(fā)新材料，此類方案開發(fā)周期長、研制成本高；第二類是結(jié)構(gòu)輕量化，這類方案投入成本低，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益高，當(dāng)下受到極大重視。其中，鋁合金屬于有色金屬材料、抗腐蝕性能強(qiáng)、高強(qiáng)度硬度，且十分輕便[2]。

攪拌摩擦焊（FSW）是一項(xiàng)固相連接技術(shù)[3]，具有普通熔焊不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)廣泛應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域、造船領(lǐng)域、陸路交通和民用及其它領(lǐng)域中[4]?，F(xiàn)在，攪拌摩擦焊焊接被重點(diǎn)使用在高強(qiáng)度高硬度的鋁合金、鈦合金、鎂合金等新型合金的焊接上，可以達(dá)到結(jié)構(gòu)輕量化的目標(biāo)，減緩自然資源不斷被消耗的情況。國內(nèi)外學(xué)者對鋁合金FSW焊接工藝、接頭組織及力學(xué)性能進(jìn)行了大量研究[5-8]。本文擬對10 mm厚7075鋁合金平板進(jìn)行攪拌摩擦焊對接拼焊試驗(yàn)，并對焊接接頭進(jìn)行組織與力學(xué)性能研究分析。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)板材是規(guī)格為150 mm×100 mm×10 mm的鋁合金，焊接方式為對接拼焊，攪拌頭材料為高溫淬火的40鉻，攪拌摩擦焊接設(shè)備是MCH1270臺式攪拌摩擦焊機(jī)。焊接工藝參數(shù)如下：焊接速度分別為90 mm/min、120 mm/min、150 mm/min；轉(zhuǎn)速分別為700 r/min、900 r/min、1200 r/min。焊接后，按照GB/T228-2002《金屬材料 室溫拉伸試樣方法》設(shè)計(jì)拉伸試件，使用WD-P6105微機(jī)控制電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)對10 mm厚的鋁合金進(jìn)行拉伸，拉伸速度為0.05 mm/min。使用金相顯微鏡的低倍鏡頭對腐蝕后的金相試樣表面進(jìn)行觀察，使用HVS-1000型數(shù)顯顯微硬度計(jì)進(jìn)行維氏硬度試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同轉(zhuǎn)速下接頭橫截面宏觀形貌與分析

圖1是焊接速度都為90 mm/min，旋轉(zhuǎn)速度不同的焊接接頭微觀對比圖。焊接接頭中的焊核區(qū)下半部分左側(cè)形成一系列非對稱的同心環(huán)狀結(jié)構(gòu)。許多文獻(xiàn)把這種形貌稱為“洋蔥環(huán)”，洋蔥環(huán)狀組織的形成是由于攪拌頭的外形和攪拌頭在焊接時(shí)向前移動的結(jié)果。

圖1 ??焊接接頭橫截面宏觀形貌

2.2 旋轉(zhuǎn)速度對焊接接頭微觀組織的影響

圖2為轉(zhuǎn)速不同，焊速為90 mm/min焊接接頭的焊核區(qū)組織微觀圖。由圖2可以看出，焊核區(qū)是晶粒尺寸較小且均勻的等軸晶。產(chǎn)生細(xì)小等軸晶的原因是攪拌頭與板材摩擦產(chǎn)生大量的摩擦熱，使焊核區(qū)的晶粒發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，同時(shí)攪拌頭的攪拌針不停地旋轉(zhuǎn)攪拌，把發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶的粒子攪拌碎，從而生成顆粒細(xì)小且均勻的等軸晶。對比不同旋轉(zhuǎn)速度下的焊核區(qū)，旋轉(zhuǎn)速度為700 r/min的晶粒最細(xì)小、最均勻。試驗(yàn)證明，焊核區(qū)晶粒尺寸大小與旋轉(zhuǎn)速度呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系。

圖2 ??焊接接頭焊核區(qū)金相組織

2.3 焊接速度對焊接接頭微觀組織的影響

圖3為焊速不同，轉(zhuǎn)速為700 r/min焊接接頭的焊核區(qū)組織微觀圖。由圖3可以分析出，轉(zhuǎn)速一定的條件下，雖然焊接速度不同，但是焊核區(qū)的晶粒都為細(xì)小的等軸晶粒，其中焊接速度為90 mm/min的焊核區(qū)為最細(xì)的。焊核區(qū)晶粒尺寸變化和晶粒變形大小與焊接速度大小呈正相關(guān)關(guān)系，這是由于焊接速度越大，對焊核區(qū)的熱輸入越大，從而使晶粒發(fā)生回復(fù)，粒子尺寸變大。

2.4 焊接接頭力學(xué)性能分析

2.4.1 焊接接頭硬度值分析

選取旋轉(zhuǎn)速度為700 r/min、焊接速度為90 mm/min的試件1；旋轉(zhuǎn)速度為900 r/min、焊接速度為90 mm/min的試件4；旋轉(zhuǎn)速度為1200 r/min、焊接速度為90 mm/min的試件7作為研究對象，研究10 mm厚的鋁合金攪拌摩擦焊焊接接頭的不同組織的顯微硬度分布情況，如圖4所示。

圖3 ??焊接接頭焊核區(qū)金相組織

圖4 ??試件硬度分布圖

由圖4可以得出：試件1、試件4、試件7的維氏顯微硬度值呈現(xiàn)出類似于英文字母“W”樣式，焊核區(qū)維氏硬度值要高于熱影響區(qū)和熱機(jī)影響區(qū)，前進(jìn)側(cè)熱影響區(qū)的維氏硬度值明顯比后退側(cè)的維氏硬度值要低。原因是：①由于焊核區(qū)發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶的晶粒破碎成細(xì)小的等軸晶，晶粒的細(xì)化致使硬度增大；②熱影響區(qū)受到熱循環(huán)的輸入，區(qū)域內(nèi)的晶粒發(fā)生長大粗化現(xiàn)象，且區(qū)域內(nèi)的第二相粒子受到熱循環(huán)輸入被熔解，從而致使維氏硬度值降低。

2.4.2 焊接接頭拉伸性能分析

焊接接頭的拉伸性能與晶粒尺寸的大小、焊接缺陷、強(qiáng)化相等有關(guān)。采用線切割對焊接的鋁合金板材進(jìn)行切割，試樣如圖5所示。

圖6是旋轉(zhuǎn)速度為900 r/min、焊接速度為90 mm/min的試件發(fā)生斷裂位置的宏觀示意。由圖6可知，斷口處于前進(jìn)側(cè)熱影響區(qū)，這與之前研究的焊接接頭微觀組織晶粒尺寸較大值出現(xiàn)在前進(jìn)側(cè)熱影響區(qū)和維氏硬度值出現(xiàn)的最低點(diǎn)是前進(jìn)側(cè)熱機(jī)影響區(qū)對應(yīng)，且證明了焊接接頭組織接頭軟化區(qū)域出現(xiàn)在熱機(jī)影響區(qū)，焊接接頭前進(jìn)側(cè)熱機(jī)影響區(qū)軟化會影響鋁合金攪拌摩擦焊的力學(xué)性能。接頭斷口角度與拉伸力的方向大約呈45°，斷口呈現(xiàn)出“頸縮”現(xiàn)象，發(fā)生這一現(xiàn)象的原因是受到強(qiáng)拉力，而金屬材料發(fā)生塑性變形，當(dāng)拉伸應(yīng)力不斷增大時(shí)，接頭就發(fā)生“頸縮”直至接頭斷裂，這種斷裂方式被稱之為韌性斷裂。

由鋁合金攪拌摩擦焊焊接接頭拉伸應(yīng)力與拉伸應(yīng)變曲線圖7可得，拉應(yīng)力最大數(shù)值為454 MPa，試驗(yàn)測得伸長率為5.9%。通過對拉伸試件斷口進(jìn)行宏觀形貌分析，發(fā)現(xiàn)拉伸件斷裂的位置是前進(jìn)側(cè)的熱影響區(qū)，這種現(xiàn)象與硬度試驗(yàn)最小值出現(xiàn)在前進(jìn)側(cè)的熱影響區(qū)相互對應(yīng)。造成這種現(xiàn)象的原因是：前進(jìn)側(cè)的熱影響區(qū)的晶粒不受到攪拌針的攪拌作用，但受接頭與鋁合金板材產(chǎn)生的摩擦熱循環(huán)較大，從而造成晶粒粗化，導(dǎo)致了材料熱影響區(qū)域的抗拉強(qiáng)度降低。對拉伸件施加載荷時(shí)，熱影響區(qū)域粒子的抗變形能力最低，所以材料裂紋會出現(xiàn)在此區(qū)域。

圖5 ??拉伸試件宏觀圖

圖6 ??試件焊接接頭斷裂位置宏觀圖

圖7 ??鋁合金攪拌摩擦焊焊接接頭拉伸應(yīng)力與拉伸應(yīng)變曲線圖

3 結(jié)????論

（1）焊核區(qū)和熱機(jī)影響區(qū)的晶粒，當(dāng)焊接速度一定，旋轉(zhuǎn)速度與晶粒尺寸呈正相關(guān)；焊核區(qū)的晶粒，當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度一定時(shí)，焊接速度與晶粒呈負(fù)相關(guān)。

（2）焊接接頭維氏顯微硬度值呈現(xiàn)出不左右對稱的“W”形，焊核區(qū)的硬度值比熱機(jī)影響區(qū)和熱影響區(qū)高；前進(jìn)側(cè)熱影響區(qū)的硬度值比后退側(cè)熱影響區(qū)的硬度值小，且為整個(gè)焊接接頭維氏硬度最低值，焊接接頭在前進(jìn)側(cè)的熱機(jī)影響區(qū)斷裂，為韌性斷裂；攪拌摩擦焊焊接接頭前進(jìn)側(cè)存在“軟化”現(xiàn)象。

（3）最佳工藝參數(shù)為旋轉(zhuǎn)速度為900 r/min、焊接速度為90 mm/min，此時(shí)試件的抗拉強(qiáng)度為454 MPa、延伸率為5.9%，力學(xué)性能最好。