階梯形正反螺紋攪拌針對2A12-T4 鋁合金 FSLW接頭力學性能的影響

趙華夏，李若青,，李浩然

(1.中國航空制造技術(shù)研究院,北京,100024；2.沈陽航空航天大學,沈陽,110136)

0 序言

2A12-T4 鋁合金作為一種高強度鋁合金,具有良好的耐腐蝕性以及優(yōu)越的斷裂韌性，多用于飛機上的蒙皮、鉚釘、翼梁等承受高負荷的構(gòu)件，同時在航空航天、汽車和船舶等領(lǐng)域上應用廣泛[1-2].在傳統(tǒng)熔化焊技術(shù)焊接下的鋁合金接頭時常會出現(xiàn)裂紋和氣孔等缺陷.

攪拌摩擦焊(friction stir welding，F(xiàn)SW)是一種固相焊接技術(shù)[3]，自20 世紀90 年代出現(xiàn)以來在國內(nèi)外掀起了研究熱潮，該技術(shù)能克服傳統(tǒng)熔化焊接技術(shù)下接頭的裂紋、氣孔等缺陷，使其在航空、航天等領(lǐng)域得到了迅猛的發(fā)展，攪拌摩擦搭接焊(friction stir lap welding，F(xiàn)SLW) 由此發(fā)展而來.作為FSLW 焊接過程中的核心部件，攪拌頭會改變焊縫材料流動狀態(tài)，進而影響接頭成形及力學性能.有研究表明驅(qū)動焊縫材料流動的重要因素歸因于攪拌針上螺紋分布狀態(tài)，設(shè)計合理的螺紋會使被焊板件之間局部材料充分混合，提高接頭強度[4-7].李兵等人[5]采用帶螺紋和無螺紋攪拌針對2A12 鋁合金進行焊接，發(fā)現(xiàn)在合適的工藝參數(shù)下，帶螺紋攪拌針使焊縫區(qū)塑化材料流動性更好，焊縫內(nèi)部無缺陷產(chǎn)生.羅賢道等人[6]對比分析了攪拌針上有無螺紋對7050 鋁合金焊縫成形的影響，發(fā)現(xiàn)有螺紋結(jié)構(gòu)的攪拌針使焊縫熱輸入量增加，塑性金屬流動性更強，表面成形相對較好.Babu 等人[7]采用三角形及錐形攪拌針對AA2014 鋁合金進行FSLW 試驗，發(fā)現(xiàn)焊縫材料流動與攪拌針形貌緊密相關(guān).在三角形攪拌針焊接下上、下板材料在攪拌區(qū)內(nèi)未能充分混合，可觀察到明顯的原始界面；而錐形攪拌針使塑化材料向下劇烈流動，材料在攪拌區(qū)內(nèi)充分混合，接頭承載力明顯提高.有研究發(fā)現(xiàn)，只要攪拌針扎入下板，搭接界面都會出現(xiàn)畸變產(chǎn)生鉤狀缺陷，造成接頭處有效搭接厚度減小，進而降低接頭連接強度[8-9].

為使FSLW 接頭的力學性能得到提高，對比錐形螺紋攪拌針，設(shè)計了一種階梯形正反螺紋攪拌針，在焊接參數(shù)的變化下研究不同攪拌針對FSLW接頭宏觀形貌、拉剪載荷以及斷裂模式的影響.研究成果是對同種或異種鋁合金搭接接頭高強度制造的有益探索，在包括航空在內(nèi)的眾多工業(yè)制造領(lǐng)域有著眾多的應用對象與廣闊的應用前景，具有一定的科學研究與實際工程價值.

1 試驗方法

采用錐形螺紋及自主設(shè)計并制造的階梯形正反螺紋兩種攪拌頭對2A12-T4 鋁合金進行FSLW 試驗，攪拌針尺寸如圖1 所示.其中階梯形正反螺紋攪拌頭的軸肩直徑為10 mm，針長2 mm，以階梯為界分為上、下部兩部分.階梯上部攪拌針為右旋螺紋，根部直徑6 mm，針長1.5 mm；階梯下部攪拌針為左旋螺紋，針長0.5 mm(圖1a).左旋錐形螺紋攪拌針的軸肩及針長尺寸與階梯形正反螺紋攪拌頭相同(圖1b).FSLW 試驗是在型號FSW3LM4012寬小幅攪拌摩擦焊設(shè)備上進行，試板尺寸為150 mm×300 mm×1.5 mm，其化學成分如表1 所示.攪拌頭在FSLW 焊接過程中逆時針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速固定為800 r/min，焊接速度分別采用50，60，70和80 mm/min，主軸傾角2.5°，軸肩下壓量0.1 mm.制備的試件經(jīng)拋光后采用凱勒試劑腐蝕，然后在OLYMPUS-GX71 型光學顯微鏡下觀察接頭宏觀形貌和微觀組織；在INSTRON-8801 型萬能拉伸試驗機上以5 mm/min 的速度進行拉剪試驗，各焊接參數(shù)下拉伸件的拉剪載荷分別取3 個試樣的平均值.

表1 2A12-T4 鋁合金的化學成分(質(zhì)量分數(shù),%)Table 1 Chemical compositions of 2A12-T4 Al alloy

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 橫截面形貌

圖2 為兩種不同形貌攪拌針下FSLW 接頭的橫截面形貌.FSLW 接頭形貌上寬下窄，呈“碗狀”，通?？蓪⑵浞譃? 個典型區(qū)域：攪拌區(qū)(stir zone,SZ)、熱力影響區(qū)(thermo-mechanically affected zone,TMAZ)、熱影響區(qū)(heat affected zone,HAZ)以及母材區(qū)(base metal，BM).在焊接過程中由于攪拌針旋轉(zhuǎn)及移動，材料會在垂直方向上發(fā)生流動，使得接頭在前進側(cè)(advanced side,AS)和后退側(cè)(retreated side,RS)處的搭接界面出現(xiàn)彎曲，形成對FSLW 接頭質(zhì)量不利的鉤狀缺陷[10]，但在RS 的接頭界面形貌呈現(xiàn)明顯不同.

圖2 FSLW 接頭橫截面形貌Fig.2 Cross sections of FSLW joints.(a) taper-thread pin;(b) stepped reverse-threaded pin

在錐形螺紋攪拌針焊接下，搭接界面先向上遷移至最高點后向下延伸至SZ，是因為當攪拌頭逆時針旋轉(zhuǎn)時，被焊材料在摩擦力的作用下產(chǎn)生高溫并發(fā)生塑化，進而沿攪拌針上的螺紋向下流動并在底部不斷堆積，同時軸肩向下產(chǎn)生的擠壓效用，會迫使材料向上流動，因而界面發(fā)生彎曲；而在階梯形正反螺紋攪拌針下搭接界面RS 出現(xiàn)分支呈特有的“括號”形貌(圖3).圖4 為階梯形正反螺紋攪拌針下的材料流動模型.從圖4 可以看出，材料流動主要是分為兩種：一種是階梯上部攪拌針驅(qū)動材料流動，另一種是階梯下部攪拌針驅(qū)動材料流動.階梯上部攪拌針為右旋螺紋，材料流動狀態(tài)與錐形螺紋攪拌針下相似，材料會在階梯處的不斷堆積，軸肩向下擠壓作用使材料向上流動使得界面向上彎曲；階梯下部攪拌針為左旋螺紋，使得材料流動方向正好正反，材料沿左旋螺紋向上流動，上、下部材料在搭接界面處發(fā)生撞擊，在攪拌區(qū)內(nèi)充分混合，同時由于階梯結(jié)構(gòu)向下擠壓材料能力減弱，界面處聚集的材料會在重力作用下使界面向下偏移，因此界面會出現(xiàn)特有的“括號”形貌，出現(xiàn)此特殊形貌可能會使接頭的承載能力提高.同時發(fā)現(xiàn)，在這兩種攪拌針下接頭AS 緊鄰SZ 的TMAZ 邊界均比RS 更加清晰，是由于AS 塑化金屬的流動方向與BM 不一致，并且相對于RS 能產(chǎn)生更大的剪切應力所造成[11].

圖3 圖2b 標注A 區(qū)的放大圖Fig.3 Enlarged images of regions A marked in Fig.2b

2.2 微觀組織

圖5 為在焊接速度80 mm/min 下兩種攪拌針接頭各區(qū)域的微觀組織.對于FSLW 接頭，SZ 晶粒對焊接質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用[12].SZ 晶粒會在攪拌頭強烈攪拌作用下，與工件之間摩擦產(chǎn)熱發(fā)生劇烈的動態(tài)再結(jié)晶，從而導致晶粒細化，分布也更加均勻(圖5a 和圖5d).相對于錐形螺紋攪拌針，階梯形正反螺紋攪拌針下SZ 晶粒細化程度更加明顯(圖5d)，這是由于在該種攪拌頭下，上、下板的材料均向攪拌頭階梯處即搭接界面流動，使得SZ 晶粒獲得較大的應變速率，材料流動能力增強.但兩種攪拌頭下TMAZ 與HAZ 晶粒分布相差不大.TMAZ 晶粒一方面由于機械作用發(fā)生彎曲變形，另一方面在一部分熱循環(huán)作用下發(fā)生粗化(圖5b 和圖5d).HAZ 晶粒受攪拌針攪拌的機械作用減小，主要吸收來自軸肩邊緣及焊縫區(qū)的熱量，致使晶粒進一步粗化[13]，如圖5c 和圖5f 所示.

2.3 力學性能

在拉剪試驗中，由于AS 和RS 兩側(cè)搭接接頭形貌有所差異，試樣在兩側(cè)受力情況的不同會影響接頭所承受的拉剪載荷，文中均采用RS 受力進行拉剪試驗.對于FSLW，評價力學性能的一個重要指標參數(shù)是有效板厚(effective sheet thickness，EST)[14]，EST 是指hook 尖端最高點與上板上表面的最小值(圖2a 和圖2b).圖6 和圖7 分別是EST值與拉剪載荷隨焊接速度變化關(guān)系圖，結(jié)果發(fā)現(xiàn)拉剪載荷的高低與EST 值密切相關(guān).采用錐形螺紋攪拌針焊接時，在焊接速度60 mm/min 下接頭拉剪載荷最高為5.66 kN，對應EST 最大值為0.75 mm；在EST 值最小為0.25 mm 時接頭呈現(xiàn)的拉剪載荷最低，其值為4.26 kN.采用階梯形正反螺紋攪拌針下，接頭拉剪載荷隨焊接速度的增加而增大，在焊接速度80 mm/min 下獲得最高值為10.39 kN，對應EST 值由0.46 mm 增大至0.64 mm.同時發(fā)現(xiàn)，在焊接速度變化下，采用階梯形正反螺紋攪拌針的接頭拉剪載荷始終明顯高于錐形螺紋攪拌針，但在焊接速度為60，70 mm/min 下接頭EST 值略低，這與拉剪載荷與EST 值之間的關(guān)系發(fā)生矛盾，由此表明接頭載荷并不完全取決于EST 值，攪拌針形貌會對接頭強度有重要影響.錐形螺紋攪拌針下出現(xiàn)的hook 缺陷會降低接頭強度，但階梯形正反螺紋攪拌針下接頭攪拌區(qū)內(nèi)的上、下板材料在階梯即在搭接界面處發(fā)生猛烈撞擊并充分混合，同時SZ 區(qū)晶粒細化效果明顯；界面RS 出現(xiàn)特有的“括號”形貌(圖3)，在其分支起點處可承受更大的拉剪載荷，這都是造成接頭強度高于錐形螺紋攪拌針下的接頭強度的主要原因.

圖7 FSLW 接頭的拉剪載荷Fig.7 Shear failure loads of FSLW joints

FSLW 接頭通常分為剪切斷裂與拉伸斷裂兩種斷裂模式[15].裂紋沿兩板之間的作用面斷裂稱為剪切斷裂；而沿hook 缺陷擴展，最終在上板斷裂稱為拉伸斷裂.圖8 為兩種攪拌頭焊接下接頭的斷裂試件.結(jié)果發(fā)現(xiàn)在兩種攪拌頭焊接下，接頭均在焊核區(qū)斷裂，呈拉伸斷裂模式.在拉剪試驗中，hook缺陷會提供優(yōu)先的裂紋擴展路徑，采用錐形螺紋攪拌針下裂紋主要會沿hook 擴展，隨后到達SZ 區(qū)后沿45°向上板延伸.由此看出，由于EST 值較低，裂紋向上板擴展距離小，因此接頭所承受的拉剪載荷較小.采用階梯形正反螺紋攪拌針下，裂紋首先在RS 側(cè)尖端萌生沿界面擴展，到達最高點時，裂紋又開始沿兩條路徑進一步擴展.一條是在厚度方向繼續(xù)沿上板擴展；另一條沿hook 繼續(xù)向SZ 區(qū)擴展，但在界面處所形成的“括號”形貌以及SZ 區(qū)內(nèi)細小的晶粒阻礙了裂紋進一步向SZ 區(qū)擴展，接頭在此處可承受較大的拉剪載荷.由此說明上下板材料在此處交匯效果明顯，裂紋沿搭接界面向上板擴展距離大，極大的提高了接頭的拉剪載荷.由此證明相對于錐形螺紋攪拌針，階梯形正反螺紋攪拌針下的接頭可承受更大的拉剪載荷.

圖8 FSLW 接頭的斷裂路徑Fig.8 Fracture position of FSLW joints.(a) taperthread pin;(b) stepped reverse-threaded pin

3 結(jié)論

(1) 階梯形正反螺紋攪拌針下FSLW 接頭界面RS 側(cè)出現(xiàn)特有的“括號”形貌.相對于錐形螺紋攪拌針，SZ 區(qū)材料流動更加劇烈，晶粒細化程度更加明顯.

(2) 與錐形螺紋攪拌針相比，在轉(zhuǎn)速800 r/min一定時，階梯形正反螺紋攪拌針在焊接速度變化下FSLW 接頭可承受更高的拉剪載荷，接頭斷裂模式表現(xiàn)為拉伸斷裂.