2A14鋁合金攪拌摩擦焊接工藝研究*

趙 源，戈軍委，張書權(quán)，張 偉，符書豪，王 超，楊 炫

(貴州航天天馬機(jī)電科技有限公司，貴州 遵義 563000)

0 引言

隨著探索太空的步伐不斷加快，航天輕質(zhì)材料的需求量不斷增加，鋁合金以質(zhì)輕、耐腐蝕性和比強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，目前已被廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域。攪拌摩擦焊(Friction Stir Welding，F(xiàn)SW)技術(shù)是英國(guó)焊接研究所于1991年發(fā)明的一種新型焊接方法，自該技術(shù)發(fā)明以來，得到了全世界工業(yè)界的廣泛關(guān)注[1]。與常規(guī)熔化焊接方法不同，F(xiàn)SW利用一種帶有軸肩和攪拌針的攪拌工具，通過高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的摩擦熱和旋轉(zhuǎn)摩擦力，使焊縫區(qū)摩擦加熱而發(fā)生塑性連接，是一種先進(jìn)的固態(tài)連接技術(shù)，在整個(gè)焊接過程中，焊接溫度不超過母材的熔點(diǎn)，母材不發(fā)生熔化，這也是攪拌摩擦焊接接頭中一般不產(chǎn)生氣孔、裂紋等缺陷的關(guān)鍵[2-3]。

FSW焊接工藝參數(shù)包括主軸轉(zhuǎn)速、焊接速度、主軸傾角、下壓量、攪拌頭軸肩壓力和攪拌針長(zhǎng)度等，其中主軸轉(zhuǎn)速與焊接速度是FSW過程中最為重要的工藝參數(shù)，其比值直接表征了焊接過程中熱輸入量的大小，比值越高，熱輸入量越大，反之熱輸入量越小[4-5]。焊縫溫度過高，部分金屬處于熔融狀態(tài)，焊縫溫度過低，焊接區(qū)金屬不能達(dá)到熱塑性狀態(tài)，不足以形成塑性流動(dòng)層，無(wú)法形成閉合的焊縫，會(huì)有溝槽缺陷產(chǎn)生[6]。只有控制好焊接過程中的熱輸入量大小，才能保證焊縫溫度達(dá)到母材塑性流動(dòng)狀態(tài)的溫度需求，且母材不發(fā)生熔化，焊出優(yōu)質(zhì)接頭。

攪拌摩擦焊能夠?qū)崿F(xiàn)鋁合金、鎂合金、鋼以及異種金屬等的焊接，在航空航天飛行器、高速艦船快艇、高速軌道列車等方面已有較多應(yīng)用并已產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益[7]。研究表明，在攪拌摩擦焊接過程中，攪拌頭周圍材料在高溫作用下軟化呈現(xiàn)黏流態(tài)，隨攪拌頭流動(dòng)至攪拌頭后方，填充后方空隙，以此形成完整焊接[8]。2A14鋁合金是一種鋁銅系高強(qiáng)鋁合金，具有高比強(qiáng)度、高韌性以及良好的低溫性能，廣泛應(yīng)用于航空航天飛行器貯箱的制造，國(guó)內(nèi)外已將其確定為新一代航天結(jié)構(gòu)材料而加以重點(diǎn)研究[9-10]。

1 試驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)使用的材料為2A14鋁合金，板材尺寸規(guī)格為310 mm×240 mm×6 mm，其化學(xué)成分含量如表1所示[11]。

表1 2A14鋁合金化學(xué)成分

采用貴州航天天馬機(jī)電科技有限公司自主研發(fā)的三維并聯(lián)大型攪拌摩擦焊接設(shè)備以及攪拌工具進(jìn)行2A14鋁合金焊接試驗(yàn)。焊接示意圖如圖1所示。焊接前先對(duì)試板表面進(jìn)行清洗，去除接縫附近油污，采用高強(qiáng)剛性墊板及夾具對(duì)試板進(jìn)行裝夾固定。焊接時(shí)攪拌針伸入工件接縫處，在攪拌針的高速旋轉(zhuǎn)作用下，工件與攪拌頭軸肩產(chǎn)生摩擦熱，使焊接位置的材料軟化發(fā)生塑性流動(dòng)，最終冷卻形成可靠連接的焊縫[12]。

為摸索最佳的2A14鋁合金攪拌摩擦焊接工藝參數(shù)，選擇合適范圍內(nèi)不同主軸轉(zhuǎn)速和焊接速度進(jìn)行正交試驗(yàn)，主軸轉(zhuǎn)速分別選擇600 r/min、800 r/min、1000 r/min，焊接速度分別選擇100 mm/min、200 mm/min、300 mm/min，主軸傾角為2.5°，攪拌頭采用攪拌針為錐形帶螺紋的結(jié)構(gòu)，攪拌針長(zhǎng)度為6 mm。正交試驗(yàn)參數(shù)見表2所示。

表2 攪拌摩擦焊焊接參數(shù)

本試驗(yàn)使用9組焊接參數(shù)對(duì)試板進(jìn)行焊接，并對(duì)試板進(jìn)行了雙面著色滲透檢測(cè)、X光射線檢測(cè)、超聲相控陣檢測(cè)、常溫低溫力學(xué)性能測(cè)試以及金相微觀組織分析。

試板采用電火花線切割垂直于焊接方向切取拉伸試樣及金相試樣，試樣取樣位置如圖2所示。

著色采用雙面著色滲透檢測(cè)。X光射線檢測(cè)實(shí)驗(yàn)采用小焦點(diǎn)射線源為美國(guó)GE公司的ISOVOLT 320 M2 hp，采用PekinElmer公司的XRD0822非晶硅型平板探測(cè)器。超聲相控陣檢測(cè)儀器型號(hào)為多浦樂ROBUST。常溫拉伸試驗(yàn)采用電子控制式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)MTS-E45，低溫拉伸試驗(yàn)采用電子控制式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)Instron 5982。試樣拉伸前在試樣平行段上每隔10 mm做標(biāo)記點(diǎn)，用于測(cè)量拉伸前后的延伸率，設(shè)置試樣的拉伸速度為0.5 mm/min。低溫拉伸試驗(yàn)時(shí)試樣保持浸泡在液氮中，確保整個(gè)拉伸試驗(yàn)過程在低溫中進(jìn)行。在每個(gè)焊接參數(shù)下，取3個(gè)試樣進(jìn)行常溫力學(xué)拉伸測(cè)試，取2個(gè)試樣進(jìn)行低溫力學(xué)拉伸測(cè)試。

金相試樣采用粒度為200#、400#、800#、1200#、2000#砂紙研磨、拋光。采用Al2O3拋光粉對(duì)試樣進(jìn)行拋光，直至試樣呈現(xiàn)鏡面效果。采用酒精沖洗拋光試樣，再用吹風(fēng)機(jī)吹干備用，再采用Keller試劑(95 mL H2O+2.5 mL HNO3+1.5 mL HCl+1 mL HF)刻蝕20 s后再清洗，然后用酒精清洗并風(fēng)干，最后用型號(hào)為MR500型倒置金相顯微鏡觀察其顯微組織。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 力學(xué)性能測(cè)試

通過對(duì)試樣進(jìn)行常溫力學(xué)性能測(cè)試，常溫力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果如表3所示。經(jīng)本試驗(yàn)所用設(shè)備對(duì)母材進(jìn)行常溫下力學(xué)性能檢測(cè)，本試驗(yàn)所用母材常溫下抗拉強(qiáng)度為424 MPa，延伸率為18.64%。

表3 常溫力學(xué)性能

通過分析試樣常溫力學(xué)性能數(shù)據(jù)可知，主軸轉(zhuǎn)速分別為800 r/min和1000 r/min時(shí)，隨著焊接速度的增加，接頭抗拉強(qiáng)度不斷降低。主軸轉(zhuǎn)速為800 r/min時(shí)，隨著焊接速度不斷增加，接頭延伸率不斷降低。焊接速度過高，塑性軟化材料填充攪拌針后方空腔的能力變?nèi)酰浕牧咸畛淇涨荒芰Σ蛔?，?dǎo)致接頭強(qiáng)度大幅度降低。從表3可以看出，焊接參數(shù)分別為600 r/min-200 mm/min、800 r/min-100 mm/min、1000 r/min-100 mm/min時(shí)常溫力學(xué)性能較好。

為摸索在常溫和低溫環(huán)境下均有較好力學(xué)性能的最佳焊接參數(shù)，我們選擇在常溫力學(xué)性能較好的三塊試板分別取樣做低溫力學(xué)性能測(cè)試，低溫力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果如表4所示。經(jīng)本試驗(yàn)所用設(shè)備對(duì)母材進(jìn)行低溫下力學(xué)性能檢測(cè)，本試驗(yàn)所用母材低溫下抗拉強(qiáng)度為484 MPa，延伸率為16.50%。

表4 低溫力學(xué)性能

綜合分析焊接試板在常溫與低溫狀態(tài)下的力學(xué)性能可知，主軸轉(zhuǎn)速為600 r/min，焊接速度為200 mm/min時(shí)，低溫環(huán)境下的延伸率為6.5%，相對(duì)較低。主軸轉(zhuǎn)速為1000 r/min，焊接速度為100 mm/mi時(shí)，常溫環(huán)境下的延伸率為7.25%，相對(duì)較低。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為800 r/min，焊接速度為100 mm/min時(shí)，無(wú)論是在常溫還是在低溫環(huán)境下的抗拉強(qiáng)度、延伸率均相對(duì)較高，焊接接頭的綜合力學(xué)性能較好。

2.2 焊縫外貌及內(nèi)部質(zhì)量

采用主軸轉(zhuǎn)速為800 r/min，焊接速度為100 mm/min焊接的試板，焊縫表面光滑平整，弧形紋連續(xù)均勻，無(wú)宏觀裂紋、飛邊等缺陷，成形良好，最佳焊接參數(shù)下焊縫外觀成形如圖3(a)所示。

通過對(duì)試板進(jìn)行X光射線無(wú)損檢測(cè)，在該焊接參數(shù)下焊縫內(nèi)部無(wú)氣孔、未熔合、條形缺陷以及夾渣等缺陷，焊縫質(zhì)量滿足QJ20043—2011 I級(jí)焊縫要求，焊縫X光射線底片如圖3(b)所示。

采用主軸轉(zhuǎn)速為800 r/min，焊接速度為100 mm/min焊接的試板，其超聲相控陣檢測(cè)成像如圖4所示。通過觀查超聲相控陣檢測(cè)成像圖可知，焊道回波明顯，未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷回波，接頭內(nèi)部無(wú)缺陷，接頭質(zhì)量較好。

2.3 微觀組織

通過對(duì)主軸轉(zhuǎn)速為800 r/min，焊接速度為100 mm/min的焊接參數(shù)下焊接的試板進(jìn)行微觀組織觀察，試板各區(qū)域光學(xué)顯微組織圖如圖5所示。

攪拌摩擦焊接接頭可分為焊核區(qū)、熱影響區(qū)、熱力影響區(qū)和母材區(qū)，由試板各區(qū)域光學(xué)顯微組織圖可看出，母材晶粒組織粗大，呈板條狀，明顯的軋制態(tài)2A14鋁合金，晶粒呈現(xiàn)沿著軋制方向的拉長(zhǎng)形貌，均勻分布的顆粒狀析出相分布在晶粒內(nèi)部和晶界上，分析認(rèn)為是鋁合金中的Al2Cu強(qiáng)化相，如圖5(a)所示。

焊核區(qū)位于焊接接頭的中心，該區(qū)由于受到攪拌針強(qiáng)烈的攪拌作用，在經(jīng)歷較高溫度的熱循環(huán)過程后，晶粒發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，母材原始的板條狀組織轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的等軸晶組織，組織均勻，沒有明顯的方向性。如圖5(b)所示。前進(jìn)側(cè)熱力影響區(qū)和熱影響區(qū)比后退側(cè)的更加清晰，如圖5(c)、圖5(d)、圖5(e)所示。說明該工藝參數(shù)下焊接熱輸入適當(dāng)，攪拌區(qū)內(nèi)的材料流動(dòng)充分，2A14鋁合金攪拌摩擦焊焊核區(qū)的晶粒非常細(xì)小，平均尺寸約為10 μm，焊核區(qū)未發(fā)現(xiàn)隧道、孔洞和夾雜等影響接頭力學(xué)性能的缺陷產(chǎn)生。

3 結(jié)論

1)當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速一定時(shí)，焊接速度過高，塑性軟化材料填充攪拌針后方空腔的能力變?nèi)?，軟化材料填充空腔能力不足，?huì)導(dǎo)致接頭強(qiáng)度降低。

2)采用攪拌摩擦焊接技術(shù)焊接6 mm厚的2A14鋁合金，可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定連接，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為800 r/min，焊接速度為100 mm/min時(shí)，焊接接頭常溫抗拉強(qiáng)度為353 MPa，達(dá)到了母材強(qiáng)度的83.25%，低溫抗拉強(qiáng)度為421 MPa，達(dá)到了母材強(qiáng)度的86.98%。綜合拉伸性能較好。

3)當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為800 r/min，焊接速度為100 mm/min時(shí)，焊縫表面光滑平整，弧形紋連續(xù)均勻，成形良好。焊縫微觀組織晶粒細(xì)小，組織均勻，無(wú)隧道、孔洞等缺陷。