ZL102鋁合金攪拌摩擦焊焊縫成形及組織性能研究

溫雨　金玉花

摘要：采用攪拌摩擦焊對15 mm厚ZL102鋁合金進(jìn)行焊接，觀察焊縫成形并分析接頭微觀組織和力學(xué)性能。結(jié)果表明：在文中試驗條件下，旋轉(zhuǎn)速度900 r/min、焊接速度50 mm/min時可獲得成形良好的焊縫;焊核區(qū)組織晶粒相對母材發(fā)生顯著細(xì)化，為細(xì)小的等軸晶組織;焊接接頭顯微硬度在橫截面方向呈非中心對稱分布，最高值位于偏離焊縫中心的前進(jìn)側(cè)焊核區(qū)，在板厚方向顯微硬度呈逐漸下降趨勢，軸肩作用區(qū)硬度最大，底部最低。

關(guān)鍵詞：攪拌摩擦焊;焊縫成形;微觀組織;顯微硬度

中圖分類號：TG453+.9 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1001-2303（2020）12-0014-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.12.04

0 前言

鋁合金具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性好等性能，已廣泛應(yīng)用于航空航天、建筑材料等領(lǐng)域[1]。目前，鋁合金厚板的焊接工藝以MIG焊為主，但當(dāng)電流超過 300～400 A 時會出現(xiàn)氣孔、飛濺等焊接缺陷及焊接接頭熱影響區(qū)軟化等問題，限制了鋁合金厚板在工程結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用[2]。

攪拌摩擦焊（FSW）已在鋁合金、鎂合金、鈦合金、復(fù)合材料等方面得到深入研究[3-5]，在航空航天、船舶、軌道交通、汽車等領(lǐng)域已得到了廣泛、成熟的應(yīng)用[6]。但目前厚板鋁合金的攪拌摩擦焊研究較少，主要原因是厚板鋁合金在溫度傳導(dǎo)以及材料在攪拌頭下的塑性流動等方面與薄板焊接時有很大差異，沿板厚方向的熱機(jī)作用梯度過大，使焊縫成形困難，難以獲得優(yōu)良的焊接性能[7]。文中采用攪拌摩擦焊技術(shù)對15 mm厚ZL102鋁合金進(jìn)行焊接，觀察焊縫成形，分析焊縫接頭微觀組織和性能，這對于提高鋁合金構(gòu)件的整體性能，促進(jìn)厚板鋁合金的廣泛應(yīng)用具有重要意義。

1 試驗過程

1.1 試驗材料

試驗用材料為15 mm厚的ZL102鑄鋁合金軋制板，焊件尺寸為200 mm×100 mm，其主要化學(xué)成分如表1所示，試驗所用攪拌頭幾何尺寸如表2所示。

1.2 試驗方法

采用FSW-3LM-015型攪拌摩擦焊機(jī)。焊前用丙酮清洗試件表面，去除表面油污及雜質(zhì)。試驗過程中，保持下壓量、插入時間和停留時間不變。焊接完成后觀察焊縫表面成形，并沿垂直于焊接方向截取焊縫試樣，經(jīng)研磨拋光后用混合酸（9 mL HCL+3 mL HNO3+3 mL HF+5 mL H2O）對試樣進(jìn)行腐蝕，觀察焊縫橫截面形貌和微觀組織。分別在距焊縫上表面3 mm處沿橫截面方向和在焊縫中心線處沿板厚方向測量焊縫硬度，相鄰間距1 mm，載荷100 g，保持時間為15 s。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 焊縫成形分析

旋轉(zhuǎn)速度1 250 r/min、焊接速度200 mm/min時的焊縫表面及橫截面形貌如圖1所示。觀察焊縫表面發(fā)現(xiàn)表面毛糙，前進(jìn)側(cè)和后退側(cè)均出現(xiàn)飛邊，前進(jìn)側(cè)表面焊縫起始處出現(xiàn)溝槽，并貫穿整個焊縫，成形較差，如圖1a所示。較高的旋轉(zhuǎn)速度使單位時間內(nèi)軸肩和上表面之間的摩擦次數(shù)過多，造成焊縫表層的熱輸入過大，這是焊縫表層出現(xiàn)毛糙現(xiàn)象和飛邊的原因。

觀察焊縫截面（見圖1b）發(fā)現(xiàn)焊縫內(nèi)部存在明顯的隧道型孔洞缺陷，并靠近前進(jìn)側(cè)。攪拌摩擦焊接頭的形成是一個空腔不斷產(chǎn)生并被瞬時填滿的動態(tài)連續(xù)過程。在較高的焊接速度下，軸肩的摩擦產(chǎn)熱來不及向板厚方向進(jìn)行熱傳導(dǎo)，焊縫中下部的熱量主要由攪拌針的摩擦產(chǎn)熱提供，焊縫內(nèi)部熱輸入不足，造成焊縫內(nèi)熱塑性金屬減少，流動性變差，焊接過程中形成的空腔不能被來自后退側(cè)的塑性金屬及時填充，所以形成隧道型孔洞缺陷[8-9]。焊接過程中焊縫前進(jìn)側(cè)與返回側(cè)金屬受到攪拌針的剪切力及攪拌針前方塑性金屬向后的擠壓力的共同作用而流動。前進(jìn)側(cè)塑性金屬受到攪拌針的剪切力與焊接方向的塑性金屬的擠壓力方向相反，而返回側(cè)金屬所受攪拌針的剪切力與焊接方向的塑性金屬的擠壓力方向相同，焊后大量金屬沉積在返回側(cè)，因而隧道型孔洞缺陷出現(xiàn)在焊縫前進(jìn)側(cè)[10]。

旋轉(zhuǎn)速度900 r/min、焊接速度70 mm/min時的焊縫表面及橫截面形貌如圖2所示。觀察焊縫表面發(fā)現(xiàn)（見圖2a），焊縫表面毛糙現(xiàn)象消失，出現(xiàn)高低不平的摩擦面缺陷，而飛邊缺陷得到一定程度的緩解。觀察焊縫截面（見圖2b）發(fā)現(xiàn)，焊縫內(nèi)部靠近前進(jìn)側(cè)底部存在隧道型孔洞缺陷，缺陷體積較旋轉(zhuǎn)速度1 250 r/min、焊接速度200 mm/min時明顯減小。焊縫表面毛糙現(xiàn)象消失的主要原因是旋轉(zhuǎn)速度的降低使單位時間內(nèi)軸肩和上表面之間的摩擦次數(shù)減少，降低了焊縫表面的熱輸入，改善表面過熱現(xiàn)象。降低焊接速度有利于減小焊縫板厚方向的溫度梯度，增加焊縫中下部熱輸入，可提高焊縫內(nèi)熱塑性金屬的流動性，這是隧道型孔洞缺陷減小的原因。

旋轉(zhuǎn)速度900 r/min、焊接速度50 mm/min時的焊縫表面及橫截面形貌如圖3所示。觀察焊縫截面發(fā)現(xiàn)，焊縫內(nèi)部隧道型孔洞缺陷消失。焊縫表面光滑，波紋致密，未出現(xiàn)溝槽和摩擦面缺陷，返回側(cè)出現(xiàn)少量飛邊。焊核區(qū)與攪拌頭的直徑大小相當(dāng)，近似拋物線形狀，焊接熱機(jī)影響區(qū)分布在攪拌針邊緣，位于焊核區(qū)兩側(cè)，焊核區(qū)與熱機(jī)影響區(qū)有明顯的分界線，整體成形良好。

2.2 接頭微觀組織

焊接接頭微觀組織如圖4所示。對比圖4a、4b可知，焊核區(qū)組織與母材明顯不同，焊接后母材條帶組織完全消失，焊核區(qū)組織晶粒相對母材發(fā)生了顯著細(xì)化，為細(xì)小的等軸晶組織。原因是焊核區(qū)受到攪拌頭強(qiáng)烈的機(jī)械攪拌作用以及由劇烈摩擦產(chǎn)生的局部高溫作用，組織發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，使母材原始的板條狀組織轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的等軸晶組織。對比圖4c、4d可見前進(jìn)側(cè)焊核區(qū)與熱機(jī)影響區(qū)交界線較返回側(cè)更加明顯。這是由于前進(jìn)側(cè)大部分金屬沿著焊接方向向前流動，流動金屬與母材的變形差較大，而后退側(cè)金屬的塑性流動方向與旋轉(zhuǎn)方向一致，金屬只發(fā)生簡單的擠壓變形作用，變形程度較低，組織細(xì)化不明顯，因而分界線不明顯。

2.3 硬度分析

ZL102鋁合金攪拌摩擦焊焊縫沿板厚方向和橫截面方向顯微硬度分布如圖5所示。由圖5a可知，焊縫上部軸肩作用區(qū)顯微硬度最大，最大值為81.8 HV，沿板厚方向顯微硬度值逐漸減小，最小值為62.55 HV，但均高于母材的平均硬度54.58 HV。這是因為焊縫上部與軸肩緊密接觸，因此焊縫上部金屬塑性軟化程度較高。同時，焊縫上部沿橫向方向存在黏度梯度，并受到較大的鍛壓力，在攪拌針和軸肩共同作用下上部金屬發(fā)生旋渦混合流動，所以變形程度較大，形成更加細(xì)小的晶粒。由Hall Petch方程：HV=H0+kHd-1/2（H0，kH是常數(shù)，d為晶粒尺寸）可知，焊縫顯微硬度HV與晶粒尺寸d-1/2呈線性關(guān)系，所以上部軸肩作用區(qū)的顯微硬度最大。

圖5b為ZL102鋁合金攪拌摩擦焊焊縫沿橫截面方向顯微硬度分布?？梢钥闯?，橫截面方向顯微硬度呈現(xiàn)非中心對稱分布，焊核區(qū)硬度相對較高，最高值位于偏離焊縫中心的前進(jìn)側(cè)焊核區(qū)，為79.85 HV。這是因為在力和熱的共同作用下焊核區(qū)組織發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，晶粒細(xì)化導(dǎo)致細(xì)晶強(qiáng)化。前進(jìn)側(cè)焊核區(qū)和熱機(jī)影響區(qū)顯微硬度略大于返回側(cè)的，且前進(jìn)側(cè)顯微硬度由熱機(jī)影響區(qū)到熱影響區(qū)變化更加明顯。原因是前進(jìn)側(cè)焊核區(qū)和熱機(jī)影響區(qū)變形程度劇烈，組織細(xì)化更加明顯。

3 結(jié)論

（1）焊縫成形與攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度有關(guān)。在文中試驗條件下，旋轉(zhuǎn)速度900 r/min、焊接速度為50 mm/min時可獲得表面光滑、內(nèi)部無孔洞的焊縫。

（2）焊核區(qū)組織晶粒相對母材發(fā)生了顯著細(xì)化，為細(xì)小的等軸晶組織。

（3）焊后接頭的顯微硬度大于母材，在橫截面方向呈現(xiàn)非中心對稱分布，最高值位于偏離焊縫中心的前進(jìn)側(cè)焊核區(qū)，在板厚方向呈現(xiàn)逐漸下降趨勢，軸肩作用區(qū)硬度最大，底部最低。

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收稿日期：2020-09-10

作者簡介：溫 雨（1987— ），男，碩士，講師，主要從事先進(jìn)焊接及表面工程的研究。E-mail：wenyu_198706@163.com。