2024/6061異種鋁合金攪拌摩擦連接區(qū)性能分析

王謀之，朱增寶，姜 迪，宋娓娓

（1.安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.黃山學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，安徽 黃山 245041）

1 引言

隨著制造業(yè)的迅速發(fā)展，異種鋁合金的連接需求越來越多，但因鋁合金的熔化焊接效果差，不易在一些要求較高的重點(diǎn)場合應(yīng)用。傳統(tǒng)的連接異種鋁合金的方法主要集中在鉚接方式上，鉚接連接有一定的優(yōu)勢，但密封性差，不易在一些腐蝕的環(huán)境中應(yīng)用。為了解決異種鋁合金的連接，本文采用攪拌摩擦連接技術(shù)[1-6]，它是一種固態(tài)連接方式，能很好地解決上述異種鋁合金連接方法的不足，且其連接區(qū)的性能較好。在對鋁合金進(jìn)行攪拌摩擦連接過程中想要獲得較好的連接區(qū)性能，必須要選擇合適的連接工藝參數(shù)。傳統(tǒng)的攪拌摩擦連接過程中選擇參數(shù)均是單一的，即只選定攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度和前進(jìn)速度，未考慮這兩個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系。如王磊[7]等人研究認(rèn)為，隨著攪拌頭前進(jìn)速度的提高，攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度應(yīng)該提高，這樣才能確保連接區(qū)能夠產(chǎn)生足夠的熱量，獲得良好的性能；荊洪陽等人[8]在保持?jǐn)嚢桀^旋轉(zhuǎn)速度不變的情況下，研究了攪拌頭前進(jìn)速度與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)隨著攪拌頭前進(jìn)速度的增加，抗拉強(qiáng)度先增大后減小；張富亮[9]等人利用攪拌摩擦連接技術(shù)在4種不同的工藝參數(shù)下對3mm 厚6005A 合金板材進(jìn)行焊接工藝對比實(shí)驗(yàn)，通過對連接區(qū)進(jìn)行力學(xué)拉伸、硬度、正向彎曲、宏觀金相、微觀金相分析，確定最優(yōu)焊接工藝；南黃河[10]等人在不同的攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度下攪拌摩擦連接2024-T3 鋁合金，研究結(jié)果顯示當(dāng)攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為600rpm 時(shí)，連接區(qū)具有最佳的力學(xué)性能；劉美娜[11]等人分別對7075 和7075-T6 進(jìn)行攪拌摩擦連接，發(fā)現(xiàn)在攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為1600rpm，前進(jìn)速度為 600/min時(shí)均能獲得較高抗拉強(qiáng)度；齊芃芃[12]等人通過固定攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度，改變前進(jìn)速度對8mm厚7005-T6 鋁合金進(jìn)行攪拌摩擦連接，當(dāng)焊接速度在200-350mm/min 時(shí)，接頭的抗拉強(qiáng)度先減小后增大，當(dāng)焊接速度為350mm/min 時(shí)焊接接頭抗拉強(qiáng)度最高；張欣盟[13]等人采用攪拌頭前進(jìn)速度為2000mm/min 對6mm 厚的6082-T6 鋁合金進(jìn)行了攪拌摩擦連接，結(jié)果表明在較高的前進(jìn)速度下鋁合金連接區(qū)成形良好，連接區(qū)內(nèi)部沒有缺陷；趙佳[14]等人對12mm 厚7A09H112 鋁合金板材進(jìn)行攪拌摩擦連接，攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為450-550rpm，前進(jìn)速度為80-120mm/min，結(jié)果顯示在連接區(qū)的熱機(jī)影響區(qū)晶粒出現(xiàn)扭曲畸變，靠近母材區(qū)域的晶粒較粗大，而靠近焊縫區(qū)域的晶粒較細(xì)小。上述的研究僅僅針對攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度和前進(jìn)速度單獨(dú)列出分析，進(jìn)行連接實(shí)驗(yàn)，并未探索攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度和攪拌頭前進(jìn)速度的比值關(guān)系。針對異種鋁合金攪拌摩擦連接的參數(shù)比值與連接區(qū)性能關(guān)系的研究較少。

本文擬通過攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度和前進(jìn)速度的比值關(guān)系，分析其對6061/2024 異種鋁合金連接區(qū)的影響，為實(shí)際工程應(yīng)用提供技術(shù)支持。

2 試驗(yàn)條件及方法

攪拌摩擦連接板材采用2024-T4和6061-T6鋁合金板材，尺寸為200×100×5mm，攪拌摩擦連接設(shè)備采用北京賽福斯特技術(shù)公司生產(chǎn)的FSW-L-A10型攪拌摩擦連接設(shè)備，攪拌頭軸肩直徑為12mm，攪拌針長度為4.8mm。試驗(yàn)選擇的攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度、攪拌頭前進(jìn)速度、攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度與前進(jìn)速度比值如表1所示。

表1 試驗(yàn)參數(shù)選擇

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 微觀組織分析

圖1 為各試樣不同位置的金相組織照片,從圖中可以看出，在攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為600rpm 時(shí)，2024和6061 異質(zhì)鋁合金的攪拌摩擦連接中心區(qū)域的塑化金屬流動先逐步均勻到最后的不均勻，這是因?yàn)楫?dāng)攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度一定時(shí)，隨著攪拌頭前進(jìn)速度的增加，摩擦熱逐漸增加，剛開始時(shí)2024 鋁合金和6061 鋁合金在摩擦熱增加的情況下均塑化，且塑化程度逐漸一致，但是，隨著摩擦熱的繼續(xù)增加，6061鋁合金的塑化程度繼續(xù)增加，此時(shí)2024鋁合金的塑化程度增加不是太快，故而造成2024鋁合金和6061鋁合金在攪拌過程中融合度不是太高，出現(xiàn)分層現(xiàn)象。實(shí)質(zhì)上，這種現(xiàn)象在攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度達(dá)到1000rpm 時(shí)，隨著攪拌頭前進(jìn)速度的增加，其融合不明顯現(xiàn)象更加嚴(yán)重。從圖1中各試樣的邊界區(qū)域的晶粒來看，邊界區(qū)域不論哪種參數(shù)，其分界面較為明顯，且靠近2024 鋁合金這邊塑性變形較為明顯，而靠近6061鋁合金邊塑性變形則會低很多，這是因?yàn)?024 鋁合金比6061 鋁合金硬度高，導(dǎo)致其塑化程度低，這也與中間區(qū)域出現(xiàn)融合度不高有很大的關(guān)系。圖2 為2024 鋁合金和6061 鋁合金的母材金相組織照片。對比圖1 和圖2 發(fā)現(xiàn)，攪拌區(qū)域的晶粒均比母材晶粒得到細(xì)化，這是因?yàn)閿嚢枘Σ吝^程中產(chǎn)生摩擦熱使攪拌區(qū)域的金屬再結(jié)晶的結(jié)果。

圖1 各試樣不同位置的金相組織照片

圖2 母材的金相組織照片

3.2 硬度分析

表2列出了各試樣不同位置的硬度值。硬度試驗(yàn)采用在同一點(diǎn)區(qū)域連續(xù)采集5 個(gè)點(diǎn)數(shù)值，取平均值作為此點(diǎn)的硬度值。表2 中的編號1 到7 依次從2024 鋁合金到6061 鋁合金，點(diǎn)4 的位置為連接區(qū)域中心位置。從點(diǎn)4 向兩邊依次取兩點(diǎn)間的距離為2.5mm，確定其他點(diǎn)的位置。

表2 各試樣硬度值測試值(HV0.3)

2024 鋁合金的硬度為150.4HV0.3，6061 鋁合金的硬度為108HV0.3，從表2 可以看出，在連接區(qū)中心位置的硬度值相對較高，靠近6061鋁合金一邊的硬度低，靠近2024 鋁合金一邊的硬度較高。點(diǎn)2 靠近2024 鋁合金交界處硬度值，點(diǎn)6 靠近6061 鋁合金交界處硬度值，這也與圖1中金相組織相對應(yīng)，充分說明2024 鋁合金的塑化程度比6061 鋁合金要差。而點(diǎn)1 位置與2024 鋁合金熱影響區(qū)對應(yīng)，點(diǎn)7 位置與6061鋁合金熱影響區(qū)相對應(yīng)，從表2看出，熱影響區(qū)的硬度還是比交界處硬度高，說明交界處是一個(gè)混合組織存在的區(qū)域，其性能會相對較低。

3.3 拉伸性能

表3列出了各試樣的拉伸結(jié)果。2024鋁合金的抗拉強(qiáng)度為504.6MPa，6061 鋁合金的抗拉強(qiáng)度為325.6MPa。各試樣的抗拉強(qiáng)度值均比母材小，這是因?yàn)閮煞N異質(zhì)鋁合金在攪拌過程中的塑化融合度不一致，導(dǎo)致出現(xiàn)連接區(qū)域出現(xiàn)一定的分層現(xiàn)象。但從表3可以看出，適當(dāng)?shù)馗淖償嚢枘Σ凉に噮?shù)，還是可以獲得較高的抗拉強(qiáng)度連接區(qū)域，但很難超過母材的抗拉強(qiáng)度。

表3 各試樣拉伸結(jié)果

表4 是各試樣及母材的拉伸試樣斷裂位置照片，拉伸試樣按照GB/T228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》制備。從表4可以看出，各試樣的斷裂均靠近6061 鋁合金一邊，且發(fā)生在交界區(qū)域，這與前面的金相組織分析以及硬度分析基本一致。斷裂的形式均與母材斷裂一樣，呈45°角剪切。

表4 各試樣及母材拉伸斷裂位置照片

4 結(jié)論

（1）2024/6061異質(zhì)鋁合金攪拌摩擦連接中心區(qū)域在攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度一定的情況下，隨著攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度與前進(jìn)速度比值的減小，其連接區(qū)的融合度逐漸減??；靠近2024鋁合金的交界區(qū)域塑性變形較為嚴(yán)重，而靠近6061鋁合金交界區(qū)域塑性變形相對較小；各區(qū)域的晶粒均比母材晶粒細(xì)化。

（2）各試樣的中心位置硬度值比2024鋁合金硬度低，但比6061 鋁合金硬度高，越靠近6061 鋁合金一邊硬度值越低，靠近2024 鋁合金一邊的硬度值高。

（3）各試樣的抗拉強(qiáng)度均比兩母材低，但是各試樣拉伸斷裂位置均出現(xiàn)在6061鋁合金交界區(qū)域。各試樣斷裂形狀均與母材一致，呈45°角剪切狀。