焊接位置對5083鋁合金攪拌摩擦焊T形接頭性能的影響

方遠(yuǎn)方， 張麗娜， 米彥龍， 張鑫， 李躍

(首都航天機械有限公司，北京 100076)

0 前言

5083鋁合金具有強度高、切削加工性良好、抗腐蝕性能優(yōu)良等特性，因此被廣泛應(yīng)用于航海、航空、石油和船舶等許多領(lǐng)域[1-6]。由于鋁合金的熔點低、熱導(dǎo)率高、線膨脹系數(shù)大，采用熔化焊方法進(jìn)行焊接時接頭容易形成氣孔、裂紋等缺陷，同時，5083鋁合金是一種不可熱處理強化的鋁合金，熔化焊接頭強度系數(shù)較低，特別是對于厚度為10 mm以上的中厚板來說焊接難度非常大，這在一定程度上限制了在某些領(lǐng)域的應(yīng)用[7-11]。

鋁合金T形接頭廣泛應(yīng)用于航空航天、軌道列車、造船及汽車制造等領(lǐng)域，它可以在不增加整個結(jié)構(gòu)件質(zhì)量的情況下有效提高壁板穩(wěn)定性。傳統(tǒng)制造T形結(jié)構(gòu)件的熔焊方法容易出現(xiàn)孔洞、氣孔等缺陷，大量的熱輸入又會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)件的變形[12-14]。為了解決以上問題，科研工作者改用攪拌摩擦焊代替?zhèn)鹘y(tǒng)熔焊方式，雖然可以解決大部分缺陷，但在T形接頭的特定位置，如攪拌薄弱區(qū)的T形根部依然會有微小的裂紋缺陷出現(xiàn)[15-19]。同時，客戶對產(chǎn)品外觀平整度和結(jié)構(gòu)件的復(fù)雜程度的要求也在不斷提高。

文中針對T形接頭攪拌摩擦焊試驗，發(fā)現(xiàn)將攪拌工具位置向結(jié)構(gòu)件中心移動適當(dāng)距離并適當(dāng)增加焊接深度，在避免與卡具發(fā)生干涉的前提下可以有效的防止根部裂紋缺陷的生成，經(jīng)過大量試驗總結(jié)出一套適用于該試驗材料的“調(diào)整焊接位置+預(yù)焊”的焊接工藝，提升T形接頭的整體力學(xué)性能。

1 試驗條件與方法

1.1 試驗材料

試驗材料選擇5083鋁合金，整個T形接頭由2塊20 mm厚板材與1塊立筋組成(圖1)，材料化學(xué)成分見表1，力學(xué)性能見表2。

圖1 T形接頭與焊接示意圖

表1 試樣材料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 母材力學(xué)性能

1.2 試驗過程

按照圖2的方式對T形接頭進(jìn)行焊接，試樣底部利用特制工裝支撐，攪拌針長20 mm。試驗分3組：第1組試樣按傳統(tǒng)方式，即攪拌針中心位于對接中線，旋轉(zhuǎn)速度為300 r/min，焊接速度60 mm/min；第2組試驗調(diào)整攪拌工具的焊接位置(圖2)，將攪拌工具向結(jié)構(gòu)件中心移動4 mm并增加焊接深度1 mm，之所以采用此種方式調(diào)整焊接位置，是為了讓攪拌針端部邊緣可以盡可能靠近結(jié)構(gòu)件根部，使得該區(qū)域的材料得到充分?jǐn)嚢?；?組試驗在正式焊接之前先進(jìn)一次預(yù)焊，預(yù)焊的攪拌針長7 mm，預(yù)焊參數(shù)為2 000 r/min, 100 mm/min，之后按照第2組試樣方式進(jìn)行焊接。

圖2 焊接工藝改進(jìn)示意圖

焊后取焊縫中段試樣按GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗 第一部分：室溫試驗方法》在5982電子萬能材料試驗機上進(jìn)行拉伸試驗，檢測焊縫抗拉伸載荷，每組試驗在焊縫中段各取5個試樣進(jìn)行力學(xué)拉伸檢測，對比各組檢測結(jié)果并對拉伸斷口組織進(jìn)行掃描電鏡檢測。另取每組試樣進(jìn)行3點彎曲檢測(圖3)，記錄其斷口位置與破壞形式。3組焊接試樣沿焊縫橫截面切取試樣進(jìn)行打磨、拋光、Keller試劑侵蝕處理后，利用Leica DMI5000M光學(xué)顯微鏡按照GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》進(jìn)行焊縫橫截面組織金相觀測，彎曲檢測之后的試樣利用Philips X130掃描電鏡對其斷口進(jìn)行掃描電鏡檢測。

圖3 3點彎曲檢測示意圖

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 焊接位置對焊縫質(zhì)量的影響

圖4為第1組試驗后橫截面金相，圖中可看出兩條焊縫整體形狀完整，前進(jìn)側(cè)界面曲線清晰、后退側(cè)界面曲線模糊，與傳統(tǒng)焊縫特征相符；在T形接頭根部存在明顯裂紋，這屬于T形接頭焊接時的常見“弱結(jié)合”缺陷，產(chǎn)生這種缺陷的主要原因在于該區(qū)域為焊接薄弱區(qū)熱輸入較小，材料得不到充分?jǐn)嚢?，流動性差，同時焊核區(qū)的原有的界面分界線隨著焊接時的材料流動被擠壓到此處形成裂紋，此種缺陷會嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)件的力學(xué)性能，特別是在受外部載荷環(huán)境中成為安全隱患。圖5為第2組試驗后橫截面金相，由于調(diào)整了焊接位置，結(jié)構(gòu)件根部材料得到充分流動成形，裂紋缺陷消失，但出現(xiàn)材料凸出、缺口等現(xiàn)象，這是由于增加了焊接深度，部分材料被擠壓到根部，焊縫邊緣區(qū)域的材料成形過程中出現(xiàn)缺口。圖6為第3組試驗后橫截面金相，由于在調(diào)整焊接位置的基礎(chǔ)上增加了預(yù)焊工序，正式焊接時試樣的位置相對固定，焊接整體的穩(wěn)定性提高，攪拌工具的焊接位置能夠更好的保持精準(zhǔn)、穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)件根部的材料凸出等現(xiàn)象有明顯改善，保持了T形接頭的尺寸精確。

圖4 第1組試樣橫截面組織

圖5 第2組試樣橫截面組織圖

圖6 第3組試樣橫截面組織貌

2.2 力學(xué)性能分析

表3～表5所示為3組試驗力學(xué)檢測結(jié)果。從結(jié)果中可以看出，第1組試樣由于結(jié)構(gòu)件根部出現(xiàn)明顯裂紋缺陷，抗拉強度為母材49.7%，屈服強度為母材56.6%，斷后伸長率僅為母材20.9%；經(jīng)過改進(jìn)后的第2組的力學(xué)性能明顯提升，抗拉強度達(dá)到母材的79.3%，屈服強度達(dá)到母材83.6%，斷后伸長率為母材88.0%；第3組試樣在第2組試驗的基礎(chǔ)上增加預(yù)焊工序，抗拉強度達(dá)到母材的82.2%，屈服強度達(dá)到母材88.7%，斷后伸長率為母材92.3%，3組檢測數(shù)據(jù)與母材對比結(jié)果如圖7所示，工藝改進(jìn)后的3項力學(xué)性能指標(biāo)分別提升32.5%，32.1%和71.4%。結(jié)合圖8中各組試樣拉伸斷口形貌分析，第1組試樣裂紋缺陷區(qū)域組織呈帶狀分布，組織之間存在深度較深的溝槽結(jié)構(gòu)，沒有明顯的晶粒組織與韌窩，斷裂機制為脆性斷裂；而3組試樣焊縫區(qū)域組織相近，晶粒分布均勻，出現(xiàn)大量韌窩組織，第1組試樣組織存在大量晶間滑移，總體上看，第1組試樣同時存在韌性斷裂與脆性斷裂的區(qū)域；第2組和第3組試樣不存在裂紋缺陷區(qū)域，斷口組織中的韌窩深度有所加深，雖然晶間滑移跡象依然存在但比重降低，斷裂機制為韌性斷裂，這與第2組和第3組試樣抗拉伸強度有明顯提升的趨勢相符。從整體力學(xué)性能來看，經(jīng)過工藝改良后的試樣裂紋缺陷消失，因此其抗拉伸強度與屈服強度均有提升，其斷裂機制由脆性斷裂向韌性斷裂趨勢發(fā)展。

表3 第1組試樣力學(xué)性能

表4 第2組試樣力學(xué)性能

表5 第3組試樣力學(xué)性能

圖7 抗拉強度

圖8 拉伸斷口形貌

2.3 彎曲斷裂機制分析

圖9所示為彎曲檢測之后的試樣斷裂情況，3組試樣的最先出現(xiàn)斷裂的位置相同，均出現(xiàn)在T形接頭根部靠近焊縫后退側(cè)，之后裂紋焊沿焊縫偏外部的后退側(cè)向上彎曲延伸，之后發(fā)生彎曲進(jìn)入到靠近焊縫前進(jìn)側(cè)區(qū)域，整體裂紋呈類似S形，第一組試樣的裂縫上半部分靠近焊縫表面區(qū)域出現(xiàn)類似L形彎曲情況，而第2組與第3組試樣的相同區(qū)域裂縫彎曲程度較為平緩；結(jié)合圖10所示彎曲檢測斷口組織掃描電鏡分析，3組試樣晶粒分布均勻，沒有尺寸明顯過大的第二相粒子析出，這是由于焊接過程中焊核區(qū)發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，對組織起到細(xì)化晶粒的作用，同時儲存大量的晶界自由能，有利于提升T形接頭的抗載荷能力。第1組圖片整體亮度較高，這是由于脆性斷裂痕跡比重較高，同時晶間滑移后的韌窩深度不足，淺而平的韌窩所占比例較高，結(jié)合圖9中第1組試樣的斷口形狀，在彎曲斷裂后期脆性斷裂占主導(dǎo)作用，因此呈現(xiàn)出L形彎曲情況；工藝改進(jìn)后的第2組、第3組掃描圖像整體亮度下降，這是由于大而深的韌窩比例增加，脆性斷裂痕跡比重下降，斷裂機制由脆性斷裂向韌性斷裂趨勢發(fā)展。

圖9 彎曲檢測裂紋形貌

圖10 彎曲斷口組織形貌

3 結(jié)論

(1)傳統(tǒng)攪拌摩擦焊方式焊接的T形接頭在根部易產(chǎn)生裂紋缺陷，調(diào)整焊接位置并增加焊接深度的方法可以消除T形接頭根部的裂紋缺陷，但同時會產(chǎn)生輕微變形，通過增加預(yù)焊工序可以消除變形。

(2)經(jīng)過調(diào)整焊接位置與增加預(yù)焊工序后的T形攪拌摩擦焊接頭試樣3項力學(xué)性能指標(biāo)(抗拉強度、屈服強度、斷后伸長率)分別提升32.5%,32.1%和71.4%，接頭組織晶間滑移的比重降低，韌性斷裂的比重升高。

(3)工藝改進(jìn)前后的試樣彎曲檢測現(xiàn)斷裂最先出的位置均在T形接頭根部靠近焊縫后退側(cè)，整體裂紋呈類似S形，傳統(tǒng)工藝試樣的裂縫上半部分靠近焊縫表面區(qū)域出現(xiàn)類似L形彎曲情況，工藝改進(jìn)后試樣的相同區(qū)域裂縫彎曲程度較為平緩。

(4)經(jīng)過工藝改進(jìn)后彎曲檢測斷口組織中脆性斷裂痕跡比重降低，韌窩形狀尺寸由淺而平相大而深發(fā)展，斷裂機制由脆性斷裂向韌性斷裂趨勢發(fā)展。