攪拌摩擦連接7075鋁合金接頭組織及力學(xué)性能分析

蒲家飛，汪洪峰，劉勝榮，葛小樂，董 旗

（黃山學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，安徽 黃山245041）

鋁合金具有良好機(jī)械性能、比強(qiáng)度高、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)[1]，作為結(jié)構(gòu)件被廣泛應(yīng)用于航天、船舶等領(lǐng)域，高效環(huán)保焊接技術(shù)是工程應(yīng)用的保障。7075鋁合金作為結(jié)構(gòu)件連接方式主要為焊接，傳統(tǒng)熔化焊接頭區(qū)易產(chǎn)生熱裂紋、氣孔等缺陷[2-3]。

攪拌摩擦連接（Friction Stir Joining，F(xiàn)SJ），屬于固相連接技術(shù)[4]，能有效地連接鋁合金，避免接頭熱裂紋、氣孔等缺陷[5]。劉剛等[6]采用攪拌摩擦焊連接12mm厚7075鋁合金，表面出現(xiàn)飛邊，隨著主軸轉(zhuǎn)速增加，飛邊、魚鱗紋、毛刺較為明顯，接頭減薄0.2mm，獲得接頭最大抗拉強(qiáng)度為382.7MPa。RAO[7]研究攪拌摩擦連接厚度為10mm和16mm的AA7075，獲得晶粒細(xì)化表面無缺陷的接頭，16mm比10mm厚板焊接接頭熱影響區(qū)硬度下降較為明顯，并伴隨無沉淀析出帶變寬，晶粒回溶部分第二相，拉伸實(shí)驗(yàn)斷裂處為熱影響區(qū)。目前研究人員多采用主軸傾角2°以上進(jìn)行鋁合金攪拌摩擦連接試驗(yàn)，導(dǎo)致接頭產(chǎn)生明顯的減薄和飛邊，從而降低了接頭強(qiáng)度和表面質(zhì)量[8]。本文以0.5°主軸傾角對(duì)10mm厚7075鋁合金板材進(jìn)行FSJ試驗(yàn)，小傾角下攪拌頭軸肩下壓量減少，從而獲得表面成形質(zhì)量高減薄量小的接頭。通過觀察接頭各區(qū)域微觀特性，分析接頭拉伸失效機(jī)理，優(yōu)化工藝參數(shù)獲得力學(xué)性能優(yōu)良的接頭。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試樣制備

板材選用100×100×10mm的熱軋制7075-T6鋁合金板材，連接面進(jìn)行砂紙打磨去除氧化層，并用丙酮和酒精清洗，封存?zhèn)溆?。采用北京賽福斯特技術(shù)有限公司研發(fā)的FSW-LM-A10型攪拌摩擦連接設(shè)備，攪拌針軸肩直徑為24mm，下壓量為0.1mm，主軸傾角為0.5°，具體工藝參數(shù)見表1。

表1 7075-T6鋁合金FSJ工藝參數(shù)

續(xù)表1

1.2 顯微組織

借助線切割以接頭焊核區(qū)為中心，制備30×10×10mm金相試樣，先用320#-1400#砂紙依次打磨，再用W0.05拋光液和拋光膏拋光，然后用超聲波酒精清洗吹干，在未腐蝕前先通過SEM能譜點(diǎn)面掃描方式檢測組織成分，再用Keller試劑晶界侵蝕，腐蝕時(shí)間約25s，在MDS400光學(xué)顯微鏡下觀察接頭各區(qū)域晶粒特征。

1.3 拉伸實(shí)驗(yàn)

以接頭焊核區(qū)為中心，依據(jù)ASTME8/E8M-13a標(biāo)準(zhǔn)制備拉伸試樣。借助WAW-1000型萬能試驗(yàn)機(jī)通過控制位移1mm/min進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，通過日立S-3400N型掃描電鏡（SEM）分析斷口形貌。拉伸試樣尺寸如圖1所示。

圖1 拉伸試樣

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

接頭連接區(qū)成形表面如圖2所示，在不同工藝參數(shù)下，獲得表面成形質(zhì)量良好，無明顯飛邊，減薄量較小的FSJ連接區(qū)。圖3(a)為7075母材金相組織，因軋制工藝晶粒沿軋制方向呈扁平帶狀，晶粒尺寸不均勻。T6態(tài)7075鋁合金在固溶時(shí)效后，鋁基體彌散分布著棒狀或板片狀的Mg2Si析出增強(qiáng)相。接頭焊核區(qū)金相組織如圖3(b)所示，晶粒明顯細(xì)化呈等軸晶體。主要原因是軸肩作用下，較高的熱輸入使得攪拌區(qū)晶粒動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，同時(shí)攪拌頭前進(jìn)速度較高降低了焊核區(qū)材料打碎循環(huán)重組周期，使得晶粒細(xì)化較為顯著。熱機(jī)影響過渡區(qū)如圖3(c)所示，由圖3(c)中標(biāo)示的焊核邊緣區(qū)W、熱影響區(qū)H和熱機(jī)影響區(qū)T組成，圖3(c)中標(biāo)示1區(qū)域和標(biāo)示2區(qū)域?yàn)闊釞C(jī)影響區(qū)，兩區(qū)域晶粒發(fā)生明顯的拉長變形，且具有不一致性。標(biāo)示2區(qū)域比標(biāo)示1區(qū)域晶粒尺寸及彎曲弧度有所增大，主要原因是靠近焊核區(qū)的標(biāo)示1區(qū)域晶粒主要受到攪拌針機(jī)械作用破碎變形，而遠(yuǎn)離焊核區(qū)的標(biāo)示2區(qū)域晶粒主要受到組織內(nèi)部晶粒間晶界牽引力的影響，發(fā)生明顯的彎曲，同圖3（d）熱影響區(qū)晶粒在高溫作用下發(fā)生了明顯的長大。

圖2 接頭連接區(qū)成形表面

圖3 7075鋁合金母材及接頭金相組織

通過掃描電鏡（SEM）觀察，分析接頭焊核區(qū)組成成分及其分布，發(fā)現(xiàn)接頭焊核區(qū)鋁基周邊彌散著細(xì)小顆粒AL2O3、MgO、Fe等化合物。如圖4所示，圈內(nèi)片狀物主要為鐵氧化物最大尺寸約3um，鐵元素所占質(zhì)量比為1.51wt%。主要原因焊核區(qū)高溫下，攪拌針發(fā)生退火現(xiàn)象，劇烈攪拌導(dǎo)致攪拌針螺紋邊緣材料發(fā)生磨損、剝落，隨著材料循環(huán)遷移彌散分布，剝落部分呈片狀。

圖4 接頭組織能譜掃描

FSJ工藝參數(shù)下接頭內(nèi)部無缺陷試樣進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，獲得各參數(shù)下接頭抗拉強(qiáng)度和伸長率如圖5(a)所示。結(jié)果表明，不同參數(shù)下獲得接頭抗拉強(qiáng)度差值較小，整體抗拉性能較好，當(dāng)前進(jìn)速度為120mm/min時(shí)，隨著主軸轉(zhuǎn)速增加，接頭抗拉強(qiáng)度隨之降低，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為300rpm時(shí)抗拉強(qiáng)度最大為367.4MPa。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為400rpm時(shí)，隨著前進(jìn)速度的增加抗拉強(qiáng)度隨之明顯降低伸長率隨之升高，當(dāng)前進(jìn)速度為140mm/min時(shí)，抗拉強(qiáng)度最低為338.5MPa，伸長率最高為10%。如圖5(b)所示為接頭試樣拉伸斷裂側(cè)視圖，虛線為接頭中心位置，左側(cè)為后退側(cè)右側(cè)為前進(jìn)側(cè)，母材斷裂在試樣的中心位置，斷口呈“S”形，接頭試樣斷裂普遍在連接前進(jìn)側(cè)熱影響區(qū)，2#、4#試樣為雙重斜面斷裂，且抗拉強(qiáng)度最大，其它參數(shù)下試樣都是簡單斜面斷裂，6#試樣在后退側(cè)熱影響區(qū)斷裂且抗拉強(qiáng)度明顯降低，主要原因是6#接頭后退側(cè)出現(xiàn)缺陷。整體結(jié)果表明接頭前進(jìn)側(cè)整體抗拉強(qiáng)度低于后退側(cè)，接頭各區(qū)域中熱影響區(qū)抗拉強(qiáng)度最低，主要原因是熱影響區(qū)受到連接高溫影響，發(fā)生退火現(xiàn)象，連接過程中材料在攪拌針逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)作用下，材料從前進(jìn)側(cè)遷移到后退側(cè)，后退側(cè)再回填到前進(jìn)側(cè)實(shí)現(xiàn)材料循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)循環(huán)過程中遷移到后退側(cè)的材料未隨攪拌針回填前進(jìn)側(cè)以飛邊形式溢出，降低前進(jìn)側(cè)致密性，易出現(xiàn)孔洞隧道等缺陷。

圖5 不同工藝參數(shù)下接頭的拉伸實(shí)驗(yàn)

如圖6(a)所示為母材試樣低倍鏡下拉伸斷口形貌，斷口表面呈明顯的凹凸?fàn)?，高倍鏡下觀察母材試樣斷口形貌如圖6(c)所示，存在較大的解理臺(tái)面斷裂形式為脆性斷裂，試樣在拉伸力的作用下，解理裂紋之間發(fā)生明顯的塑性變形，形成解理臺(tái)階。接頭試樣的斷口形貌在低倍鏡下如圖6(b)所示，呈均勻的等軸韌窩，在高倍鏡下如圖6(d)所示，接頭斷口表面呈深而大的韌窩狀，大韌窩周圍分布著密集的小韌窩，對(duì)于部分淺而小的韌窩受攪拌頭脫落的鐵雜質(zhì)影響，降低了接頭的性能，接頭斷裂主要為韌性斷裂。

圖6 接頭試樣拉伸斷口形貌

3 結(jié)論

（1）在主軸傾角為0.5°下，接頭表面成形良好無明顯飛邊，減薄量為0.1mm，接頭晶粒細(xì)化明顯，受攪拌針機(jī)械作用發(fā)生明顯拉長變形，熱影響區(qū)晶粒受熱長大。焊核區(qū)彌散著鐵元素化合物，部分呈片狀最大尺寸約3um。

（2）接頭在FSJ過程中受熱發(fā)生退火現(xiàn)象，抗拉強(qiáng)度性能降低，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為300rpm，前進(jìn)速度為120mm/min時(shí)，獲得最大抗拉強(qiáng)度為367.4MPa，伸長率為7.2%。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為400rpm，隨著前進(jìn)速度的升高抗拉強(qiáng)度降低，伸長率升高最大為10%。前進(jìn)速度較主軸轉(zhuǎn)速對(duì)接頭抗拉強(qiáng)度影響較大。

（3）接頭斷裂位置為前進(jìn)側(cè)熱影響區(qū)，高強(qiáng)度接頭以雙重斜面形式斷裂。斷口形貌呈深大韌窩周圍伴隨小韌窩，接頭斷裂形式主要為韌性斷裂。