7A09H112 鋁合金攪拌摩擦焊接頭組織和性能分析

趙 佳， 劉萬(wàn)存， 谷松偉， 于海東

7A09 鋁合金屬于熱處理強(qiáng)化高強(qiáng)度鋁合金，具有高強(qiáng)、 高韌、 低密度等優(yōu)點(diǎn)， 在航天航空和武器制造等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用[1]。 對(duì)于這種高強(qiáng)度鋁合金， 采用熔焊技術(shù)進(jìn)行焊接， 焊縫容易產(chǎn)生氣孔、 焊接裂紋等缺陷， 且焊接變形大， 焊縫熱影響區(qū)軟化現(xiàn)象嚴(yán)重， 接頭性能大大降低。

攪拌摩擦焊（ Friction Stir Welding， FSW） 是英國(guó)焊接研究所于1991 年發(fā)明的一種新型固相連接技術(shù)。 該技術(shù)具有焊接缺陷少、 焊接變形和殘余應(yīng)力小、 焊接接頭質(zhì)量高和焊接過(guò)程環(huán)保、 耗能少等優(yōu)點(diǎn)。 對(duì)于傳統(tǒng)熔焊方法難焊或者不能焊接的材料， 攪拌摩擦焊優(yōu)勢(shì)顯著。 自攪拌摩擦焊發(fā)明以來(lái)， 受到了眾多研究者的關(guān)注， 使得該技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。 目前， 該項(xiàng)技術(shù)已成功應(yīng)用到多個(gè)領(lǐng)域[2]。

本文通過(guò)對(duì)某產(chǎn)品用12 mm 厚的7A09H112 鋁合金進(jìn)行攪拌摩擦焊焊接， 分析焊接接頭的微觀(guān)組織和力學(xué)性能， 為工程應(yīng)用提供支持。

1 試驗(yàn)條件及方法

本文選用的試驗(yàn)材料為12 mm 厚的7A09H112鋁合金。 焊接件的規(guī)格為310 mm×450 mm×12 mm，采用平板對(duì)接焊， 焊縫位于沿長(zhǎng)度方向的對(duì)稱(chēng)中心處， 7A09H112 鋁合金的化學(xué)成分滿(mǎn)足GB/T 3190-2008 標(biāo)準(zhǔn)（見(jiàn)表1）。

本文的試驗(yàn)設(shè)備采用龍門(mén)式一維攪拌摩擦焊專(zhuān)機(jī)， 攪拌頭采用硬質(zhì)合金， 錐形攪拌針的長(zhǎng)度11.8 mm， 軸肩直徑?20 mm（ 見(jiàn)圖1） 。 攪拌頭旋轉(zhuǎn)速450～550 r/min， 焊接速度80～120 mm/min， 攪拌頭傾斜角度2.5°， 下壓量0.2 mm。

表1 7A09H112 鋁合金化學(xué)成分 （wt.%）

焊后沿垂直于FSW 焊縫方向截取制備接頭的金相試樣， 打磨拋光后， 采用Keller （ 1.0%HF+1.5%HCl+2.5%HNO3+95%H2O） 試劑腐蝕， 觀(guān)察焊縫的宏觀(guān)形貌， 并使用OLYMPUS GX71 光學(xué)顯微鏡觀(guān)察焊接接頭的金相組織。 按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228-2002《 金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》 制備拉伸試樣， 包括母材金屬棒拉試樣、 沿焊縫縱向的全焊縫金屬棒拉試樣及垂直于焊縫方向的焊接接頭板拉試樣（見(jiàn)圖2， 圖3）， 以及沿垂直焊縫方向切取硬度試樣。 試樣經(jīng)拋光腐蝕后采用HMV-2T 顯微硬度儀進(jìn)行焊縫橫向的顯微硬度測(cè)試， 兩測(cè)試點(diǎn)之間間隔為1 mm。

圖2 棒拉試樣幾何尺寸

圖3 板拉試樣幾何尺寸

焊接后進(jìn)行人工時(shí)效消應(yīng)力熱處理， 試件在50 ℃進(jìn)爐， 110 ℃±10 ℃保溫24 h±1 h， 50 ℃以下出爐， 升溫和降溫速率均小于20 ℃/h。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 焊縫表面狀態(tài)及X 射線(xiàn)檢測(cè)結(jié)果

7A09H112鋁合金FSW 焊接試件焊道表面成形良好， 有輕微毛刺現(xiàn)象， 飛邊較少， 焊縫減薄量也較小， 外觀(guān)無(wú)明顯缺陷（ 見(jiàn)圖4） 。 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JB/T 4730.2-2005《 承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)-射線(xiàn)檢測(cè)》 進(jìn)行焊接接頭X 射線(xiàn)檢測(cè)， 結(jié)果顯示， 試件內(nèi)部并未發(fā)現(xiàn)隧道、 孔洞、 未焊透等缺陷。

2.2 接頭橫截面宏觀(guān)及微觀(guān)組織

圖4 7A09H112 鋁合金FSW 接頭表面狀態(tài)及X 射線(xiàn)檢測(cè)結(jié)果

7A09H112 的焊接接頭具有典型的洋蔥環(huán)結(jié)構(gòu)特征， 橫截面主要分為4 個(gè)區(qū)域， 分別為軸肩影響區(qū) （ Shouder -Aaffected Zone， SAZ） 、 焊 核 區(qū)（ Weld Nugget， NG） 、 熱 機(jī) 影 響 區(qū)（ Thermo-Mechanically Affected Zone， TMAZ） 和 熱 影 響 區(qū)（Heat-Affected Zone， HAZ） （ 見(jiàn)圖5） 。 圖中左側(cè)為前進(jìn)側(cè)（AS）， 右側(cè)為后退側(cè)（RS）。

7A09H112 產(chǎn)品在熱加工成形及輕微加工硬化狀態(tài)下供貨， 試板母材的顯微組織（ 見(jiàn)圖6（a））具有明顯的方向性， 晶粒細(xì)長(zhǎng)， 為典型的軋制態(tài)組織。

圖5 接頭橫截面宏觀(guān)形貌

圖6 7A09H112 鋁合金FSW 接頭微觀(guān)組織

攪拌摩擦焊接接頭焊核區(qū)（Weld Nugget Zone）的金相組織（ 見(jiàn)圖6（b）） 由于攪拌頭的攪拌和摩擦產(chǎn)生的熱量使焊縫金屬塑化， 金屬得以充分流動(dòng)， 由于溫度達(dá)到再結(jié)晶溫度而發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，焊核區(qū)不斷形成晶核， 形成的晶粒來(lái)不及長(zhǎng)大便會(huì)被攪拌針打碎， 所以該區(qū)域最終形成等軸再結(jié)晶組織， 晶粒細(xì)小， 組織均勻， 且無(wú)明顯方向性， 有助于提高焊接接頭的力學(xué)性能。 由于軸肩影響區(qū)（Shouder-Aaffected Zone， SAZ） 的金屬與軸肩端面劇烈摩擦， 產(chǎn)生大量焊接熱， 使該區(qū)域金屬在焊接過(guò)程中達(dá)到焊接峰值溫度的同時(shí)又受到攪拌頭軸肩強(qiáng)烈的頂鍛作用， 抑制了該區(qū)域晶粒的長(zhǎng)大。 因此， 最終形成致密且細(xì)小的等軸晶組織（ 見(jiàn)圖6（c））。 攪拌摩擦焊接接頭前進(jìn)側(cè)和后退側(cè)熱機(jī)影響區(qū)（Thermo-Mechanically Affected Zone） 分布在焊核區(qū)的兩側(cè)， 寬度較窄。 由于焊核區(qū)與熱機(jī)影響區(qū)的組織不同， 中間形成明顯分界面， 成一條線(xiàn)狀。此區(qū)域離焊縫較遠(yuǎn)的組織由于受攪拌頭力與焊接熱的作用較低， 形成不均勻組織， 力學(xué)性能相對(duì)較差， 易產(chǎn)生焊接缺陷（ 見(jiàn)圖6（d） ， （e）） 。 此外，在熱機(jī)影響區(qū)晶粒發(fā)生畸變， 靠近母材的晶粒較粗大， 靠 近 焊 縫 的 晶 粒 較 為 細(xì) ?。?見(jiàn) 圖6（ d） ，（h））。 攪拌摩擦焊接接頭的前進(jìn)側(cè)和后退側(cè)熱影響區(qū)（Heat Affected Zone） 主要受焊接熱影響， 晶粒長(zhǎng)大， 力學(xué)性能較差， 成為焊接接頭的薄弱區(qū)（見(jiàn)圖6（f）， （g））。

2.3 力學(xué)性能

拉伸試驗(yàn)顯示， 7A09H112 母材的抗拉強(qiáng)度為251 MPa， 屈服強(qiáng)度為156 MPa， 焊接接頭的平均抗拉強(qiáng)度為221 MPa， 平均屈服強(qiáng)度為149 MPa。接頭平均抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到母材的88%， 平均屈服強(qiáng)度可以達(dá)到母材的96%， 焊接接頭表現(xiàn)出優(yōu)良的力學(xué)性能， 這是由于攪拌摩擦使焊接區(qū)域的晶粒細(xì)化， 導(dǎo)致接頭抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度較高。 值得注意的是， 全焊縫屈服強(qiáng)度可以達(dá)到409 MPa， 抗拉強(qiáng)度達(dá)到491 MPa， 遠(yuǎn)大于母材本身。 在全焊縫拉伸試驗(yàn)中， 由于去除熱影響區(qū)和熱機(jī)影響區(qū)等薄弱部分， 拉伸試樣全部為晶粒細(xì)小的焊縫金屬， 所以呈現(xiàn)出較高的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度； 此外， 全焊縫的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度接近于7A09T6 狀態(tài)下的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度， 是攪拌摩擦焊的焊接熱循環(huán)起到熱處理效果所致。

在剪切斷裂實(shí)驗(yàn)中， 板狀1 號(hào)拉伸試樣接頭發(fā)生與拉力方向成45°的剪切斷裂， 斷裂處為前進(jìn)側(cè)的熱影響區(qū)， 而板狀2 號(hào)拉伸試樣接頭發(fā)生S 形斷裂， 斷裂處在焊核區(qū)（ 沿焊核邊界） （ 見(jiàn)圖7） ，沿45°剪切斷裂的抗拉強(qiáng)度要高于S 形斷裂的抗拉強(qiáng)度。 由于熱影響區(qū)的晶粒析出相受熱長(zhǎng)大或析出相的局部溶解， 導(dǎo)致強(qiáng)度降低； 而焊核與熱機(jī)影響區(qū)界面處組織存在差異， 造成過(guò)渡區(qū)組織不連續(xù)，導(dǎo)致強(qiáng)度較弱。 由此可知， 熱影響區(qū)及熱機(jī)影響區(qū)與焊核的邊界區(qū)域強(qiáng)度較弱。

圖7 拉伸試樣斷裂后實(shí)物圖

2.4 硬度

硬度測(cè)試結(jié)果表明， 該焊接接頭的硬度呈“ W” 形分布。 由于焊核區(qū)晶粒細(xì)化的作用， 硬度較高。 熱影響區(qū)受熱晶粒長(zhǎng)大， 硬度下降。 兩側(cè)母材硬度較高， 焊核區(qū)硬度低于母材， 原因是彌散分布的析出相發(fā)生溶解和長(zhǎng)大， 產(chǎn)生過(guò)時(shí)效現(xiàn)象， 導(dǎo)致焊縫硬度低于母材（見(jiàn)圖8）。

圖8 焊接接頭的硬度分布

3 結(jié) 語(yǔ)

（1） 本文試驗(yàn)證明， 通過(guò)選擇合理的焊接參數(shù)可以獲得表面質(zhì)量良好， 無(wú)內(nèi)部缺陷的7A09H112 鋁合金對(duì)接焊接頭。

（2） 7A09H112 鋁合金攪拌摩擦焊焊接接頭性能優(yōu)良， 僅焊核區(qū)與熱機(jī)影響區(qū)交界處及熱影響區(qū)的力學(xué)性能較弱。

（3） 通過(guò)全焊縫拉伸試驗(yàn)測(cè)得焊縫的抗拉強(qiáng)度為491 MPa， 屈服強(qiáng)度為409 MPa， 證明焊核區(qū)的性能優(yōu)于母材。