高鎂鋁合金攪拌摩擦交叉焊接頭微觀組織與力學(xué)性能

林志成，趙運(yùn)強(qiáng)，閆德俊，劉莉，董春林

(1.廣東省科學(xué)院中烏焊接研究所，廣東省現(xiàn)代焊接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州， 510650；2.廣東省機(jī)器人數(shù)字化智能制造技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州， 510535；3.中船黃埔文沖船舶有限公司，廣州， 510715)

0 序言

Al-Mg 合金以其優(yōu)良的耐腐蝕性被廣泛應(yīng)用于船舶制造中[1-2].新一代高鎂鋁合金(Mg 含量大于5%)強(qiáng)度更高，耐蝕性更好，在新一代鋁合金艦船制造中具有重大應(yīng)用潛力[3-5].目前對(duì)于新一代高鎂鋁合金焊接方式的研究主要集中在傳統(tǒng)熔化焊，焊后接頭易產(chǎn)生變形和氣孔等缺陷[6].攪拌摩擦焊(friction stir welding，F(xiàn)SW) 作為新型固相焊接技術(shù)在鋁合金焊接應(yīng)用中愈發(fā)廣泛[7-9].對(duì)于鋁合金船舶壁板等大型構(gòu)件，F(xiàn)SW 與FSW 的交叉焊接(FSW/FSW)是實(shí)現(xiàn)其拼接制造必要技術(shù)手段.目前，已有學(xué)者針對(duì)高鎂鋁合金攪拌摩擦焊接工藝及微觀組織性能等方面進(jìn)行了研究[10].但對(duì)于新一代高鎂鋁合金FSW/FSW 的報(bào)道相對(duì)較少，在船舶等中大型壁板拼接應(yīng)用過(guò)程中缺乏試驗(yàn)基礎(chǔ).基于此，文中采用攪拌摩擦焊接技術(shù)對(duì)新一代高鎂鋁合金進(jìn)行交叉焊接，對(duì)交叉焊接頭的宏觀及微觀組織、硬度、抗拉強(qiáng)度及疲勞性能進(jìn)行測(cè)試分析，研究結(jié)果將為新一代高鎂鋁合金大板拼接等工程化應(yīng)用提供理論以及技術(shù)支撐.

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用200 mm × 100 mm × 4 mm 軋制態(tài)新一代高鎂鋁合金板材，化學(xué)成分如表1 所示.焊接前將待焊板材的表面及對(duì)接面進(jìn)行打磨，并用無(wú)水乙醇擦拭，從而去除氧化膜和油污等雜質(zhì).攪拌工具采用直徑12 mm 的同心環(huán)形貌軸肩，3.8 mm 的螺紋錐狀形貌攪拌針.試驗(yàn)設(shè)備采用大型重載龍門(mén)式攪拌摩擦焊設(shè)備(FSW-D-5020-10T-2D)，可精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接過(guò)程中的精準(zhǔn)力-位控制.

表1 新一代高鎂鋁合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of new generation high-magnesium aluminum alloy

焊接過(guò)程采用恒位移控制，壓深0.05 mm，固定傾角2.5°，焊接速度200 mm/min，轉(zhuǎn)速800 r/min.采用顯微維氏硬度計(jì)在FSW/FSW 接頭橫截面上測(cè)試顯微硬度分布，試驗(yàn)載荷為300 g，加載時(shí)間為10 s.參照GB/T 16865—2013 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，參照GB/T 3075—2008 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，應(yīng)力比0.1，頻率30 Hz，F(xiàn)SW/FSW 接頭拉伸及疲勞樣品幾何尺寸圖如圖1 所示，在室溫條件下進(jìn)行.拉伸和疲勞試驗(yàn)前，焊縫銑平，樣品依次經(jīng)過(guò)200 號(hào)和600 號(hào)砂紙打磨去除毛邊.FSW 和FSW/FSW 接頭金相經(jīng)簡(jiǎn)單機(jī)械拋光后采用電解拋光，拋光液為10% 高氯酸+90% 無(wú)水乙醇(體積分?jǐn)?shù))，冷卻至?20～?30 ℃之間，電壓27 V，電解時(shí)間12～20 s.電解拋光后進(jìn)行陽(yáng)極覆膜，溶液為2.5%(體積分?jǐn)?shù))氟硼酸水溶液，溶液冷卻至?20～?30 ℃，電壓27 V，時(shí)間2～3 min，采用光學(xué)顯微鏡(OM)對(duì)接頭微觀組織進(jìn)行觀察.采用掃描電子顯微鏡(SEM) 對(duì)拉伸及疲勞斷口進(jìn)行觀察.

圖1 FSW/FSW 接頭拉伸及疲勞樣品幾何形狀(mm)Fig.1 The geometry of tensile and fatigue samples of FSW/FSW joints

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 接頭宏觀特征與微觀組織

2.1.1 接頭宏觀特征

圖2 為同一參數(shù)下FSW 接頭和FSW/FSW 接頭橫截面宏觀形貌圖，F(xiàn)SW/FSW 是在第一道沿工件縱向FSW 焊縫基礎(chǔ)上進(jìn)行橫向FSW 焊接，F(xiàn)SW/FSW 接頭取樣部分為拉伸及疲勞試樣中間位置寬度方向.圖2a FSW 接頭與圖2b FSW/FSW 接頭無(wú)孔洞和“S”線(xiàn)缺陷.FSW 接頭焊縫組織主要分為四個(gè)區(qū)，即攪拌區(qū)(SZ)、熱機(jī)影響區(qū)(TMAZ)、熱影響區(qū)(HAZ) 和母材(BM).FSW/FSW 接頭不同于FSW 接頭有一個(gè)首次攪拌區(qū)(1st-SZ),位于FSW/FSW 接頭橫截面左右兩側(cè)，為縱向FSW 接頭的SZ 位置.由于軸肩和攪拌針的作用區(qū)域不同，F(xiàn)SW 接頭與FSW/FSW 接頭SZ 均呈現(xiàn)上寬下窄的漏斗形狀.SZ 下方受攪拌針作用，SZ 上方受軸肩作用，SZ 下方清晰可見(jiàn)“洋蔥環(huán)”形貌，圖2a“洋蔥環(huán)”形貌在圖2b 1st-SZ 呈現(xiàn)自下而上的流線(xiàn)形貌.SZ 兩側(cè)分別為T(mén)MAZ，靠近AS 側(cè)TMAZ 與SZ 的分界明顯，靠近RS 側(cè)TMAZ 與SZ 分界不明顯.分析認(rèn)為，1st-SZ 經(jīng)橫向FSW后，仍具備FSW 的典型宏觀外貌，1st-SZ 晶粒在攪拌針作用下塑性變形大，流動(dòng)性強(qiáng)，形成FSW/FSW 接頭SZ.外圍1st-SZ 受攪拌針作用相對(duì)較小，塑性變形及流動(dòng)性不足，造成界面差異.靠近AS 端塑性體速度差異較大，過(guò)渡區(qū)域窄，界面明顯，靠近RS 端所受應(yīng)變較大，過(guò)渡區(qū)域較寬，過(guò)渡相較平滑，分界相對(duì)模糊.FSW 接頭中TMAZ 與BM 之間為HAZ，F(xiàn)SW/FSW接頭中TMAZ 與1st-SZ 之間為HAZ.

圖2 FSW 與FSW/FSW 接頭橫截面形貌Fig.2 Cross-sections of FSW and FSW/FSW joints.(a) Cross-section of FSW joint;(b) Cross-section of FSW/FSW joint

2.1.2 接頭微觀組織

圖3 給出了FSW 各區(qū)微觀組織圖.如圖3a 所示，F(xiàn)SW 的BM 晶粒呈長(zhǎng)條狀.如圖3b 和圖3c 所示，TMAZ 晶粒有明顯的方向性.如圖3d 所示，SZ晶粒形貌為細(xì)小等軸晶.由于在攪拌摩擦焊過(guò)程中軸肩和攪拌針對(duì)焊縫各區(qū)域的機(jī)械攪拌和熱輸入情況不同，造成了攪拌摩擦焊各區(qū)域晶粒形態(tài)不同.靠近SZ 的組織受攪拌針作用，塑性變形強(qiáng)烈，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶后晶粒細(xì)化，呈現(xiàn)出等軸晶的形貌[11].HAZ 的組織相較于BM 組織出現(xiàn)粗化現(xiàn)象，與焊接熱循環(huán)影響下的回復(fù)反應(yīng)有關(guān).

圖3 FSW 各區(qū)微觀組織Fig.3 Microstructure of joints by FSW.(a) BM;(b) RSTMAZ;(c) AS-TMAZ;(d) SZ

圖4 給出了FSW/FSW 接頭的各區(qū)微觀組織圖，在FSW/FSW 接頭的1st-SZ，如圖4a中，在第一道縱向攪拌摩擦焊的攪拌針攪拌作用的影響下，經(jīng)歷高溫?zé)嵫h(huán)后，晶粒發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的過(guò)程，在攪拌針的作用下從新一代高鎂鋁合金母材的拉長(zhǎng)纖維狀組織轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小等軸晶組織，部分區(qū)域有明顯“流線(xiàn)”形貌，是FSW 接頭SZ 內(nèi)“洋蔥環(huán)”形貌的縱拋面體現(xiàn).FSW/FSW 的TMAZ內(nèi)，如圖4b中,隨著靠近SZ，晶粒尺寸逐漸減小，晶粒二次動(dòng)態(tài)再結(jié)晶細(xì)化作用明顯，相較于FSW 接頭微觀圖3c，交叉焊后的等軸晶形態(tài)沒(méi)有明顯方向性，未見(jiàn)TMAZ組織出現(xiàn)拉長(zhǎng)或扭曲的組織形貌，晶粒界限模糊.FSW/FSW 接頭的HAZ內(nèi)，如圖4c中，對(duì)比TMAZ晶粒尺寸上略有生長(zhǎng).FSW/FSW 接頭的SZ內(nèi)，如圖4d中，第一次FSW 作用下形成的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的晶粒在攪拌針的強(qiáng)烈作用下，會(huì)再次發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的過(guò)程，相較于FSW 接頭微觀圖3d，晶粒尺寸進(jìn)一步減小，同時(shí)形成的晶粒形態(tài)沒(méi)有明顯的方向性.根據(jù)FSW/FSW 接頭微觀金相圖可以看出在接頭中黑色第二相在各區(qū)域內(nèi)均有分布，形貌上無(wú)較大差別，主要集中在TMAZ 和1st-SZ，SZ 第二相較少.分析認(rèn)為可能SZ 受攪拌針影響較大，溫度較高，第二相發(fā)生部分打碎和溶解.

圖4 FSW/FSW 接頭各區(qū)微觀組織Fig.4 Microstructure of joints by FSW/FSW.(a) 1st-SZ;(b) TMAZ;(c) HAZ;(d) SZ

2.2 顯微硬度

圖5 為焊接接頭硬度分布圖，圖5a 為FSW 接頭與FSW/FSW 接頭橫向硬度分布,FSW 接頭硬度呈“W”形分布，HAZ 軟化明顯,SZ 中間硬度值穩(wěn)定在96.6 HV 附近，TMAZ 硬度值明顯升高,硬度值最高點(diǎn)位于RS 側(cè)TMAZ 附近，為100.1 HV.FSW/FSW 接頭橫向硬度變化范圍較小，為95.7 HV～100.6 HV，硬度變化趨勢(shì)與第一道FSW 接頭硬度變化基本一致，僅在HAZ 存在差異.AS 端HAZ 比RS 端HAZ 的軟化現(xiàn)象明顯，RS 端TMAZ 向HAZ過(guò)渡時(shí)硬度變化不大.分析認(rèn)為,橫向硬度的變化解釋了第二道FSW 焊縫對(duì)第一道FSW 焊縫各分區(qū)硬度變化的影響機(jī)制，在第二道FSW 焊縫影響下，原焊縫組織在攪拌頭作用下變?yōu)榧?xì)小等軸晶，由于攪拌頭作用于拉長(zhǎng)纖維狀組織和細(xì)小等軸晶效果不同，作用后晶粒尺寸不同，導(dǎo)致了新分區(qū)的硬度范圍的差異.細(xì)小等軸晶二次動(dòng)態(tài)再結(jié)晶后尺寸更小，硬度更高,AS 端的HAZ 軟化區(qū)仍是FSW/FSW 接頭強(qiáng)度的薄弱環(huán)節(jié).圖5b 為FSW/FSW 接頭縱向硬度分布圖，左側(cè)為RS，右側(cè)為AS.焊縫硬度值整體變化不大，為93.9～101.7 HV，且有AS側(cè)略低于RS 側(cè)的趨勢(shì).SZ 中心位置硬度值穩(wěn)定在97.7 HV 附近，略微高于FSW 的SZ 中心位置.RS側(cè)TMAZ 附近出現(xiàn)硬度值最高點(diǎn),為101.7 HV，略高于FSW 最高位置硬度值.硬度最低點(diǎn)出現(xiàn)在AS 端的HAZ 位置，為93.9 HV.分析認(rèn)為，交叉焊對(duì)接頭的硬度變化影響較小，原FSW 焊縫SZ 細(xì)小等軸晶組織經(jīng)攪拌作用動(dòng)態(tài)再結(jié)晶后仍為細(xì)小等軸晶，尺寸上變小，硬度升高.交叉焊AS 端的軟化效果大于RS端，與AS 端攪拌頭劇烈作用有關(guān)，等軸晶長(zhǎng)大，硬度降低.

圖5 接頭硬度分布Fig.5 Microhardness distributions of joints.(a) crosswise microhardness distribution of FSW and FSW/FSW joint;(b) Lengthwise microhardness distribution of FSW/FSW joint

2.3 拉伸性能

圖6 為接頭抗拉強(qiáng)度圖，圖6a中，F(xiàn)SW/FSW 接頭屈服強(qiáng)度為241 MPa，F(xiàn)SW/FSW 接頭抗拉強(qiáng)度平均值為340 MPa，為母材的87.0%，對(duì)比FSW 接頭抗拉強(qiáng)度358 MPa (為母材的91.6%)，F(xiàn)SW/FSW接頭抗拉強(qiáng)度略有降低.圖6b中，F(xiàn)SW/FSW 較FSW屈服強(qiáng)度變化不大，斷后伸長(zhǎng)率降低.分析認(rèn)為，對(duì)于第一次FSW，SZ 晶粒呈細(xì)小等軸晶，抗拉性能較高，BM 為軋制態(tài)長(zhǎng)條狀晶粒，易于變形，延伸性較好，經(jīng)交叉焊后，1st-SZ 為細(xì)小等軸晶，斷后伸長(zhǎng)率較差，AS 側(cè)HAZ 軟化現(xiàn)象嚴(yán)重，造成力學(xué)性能減弱.圖7 為FSW/FSW 接頭拉伸斷口，斷裂位置在HAZ，呈45°斷裂，在焊縫底部a 區(qū)位置顯示斷口呈現(xiàn)韌窩形貌，分布均勻，在焊縫中上部b 區(qū)韌窩小而淺.分析認(rèn)為，拉伸斷裂裂紋源產(chǎn)生在焊縫底部，斷裂方式為韌性斷裂.

圖6 接頭抗拉強(qiáng)度Fig.6 Tensile strengths of joints.(a) Tensile strength comparison;(b) Stress-strain curve

圖7 FSW/FSW 接頭拉伸斷口Fig.7 Fracture morphologies of failure joints by FSW/FSW.(a) Fracture position of FSW/FSW;(b) Fracture morphologie of FSW/FSW;(c) Area a amplification;(d) Area b amplification

2.4 疲勞性能

對(duì)FSW/FSW 接頭試件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，測(cè)量特定載荷下的交叉焊接頭疲勞性能，應(yīng)力比0.1，頻率30 Hz.試驗(yàn)結(jié)果如表2 所示.1 號(hào)、2 號(hào)和3 號(hào)是最優(yōu)參數(shù)下的FSW/FSW 疲勞接頭，1-1 號(hào)是在1號(hào)樣品循環(huán)后的再次循環(huán)，2-1 號(hào)和3-1 號(hào)為未焊透樣品，壓深僅為攪拌針長(zhǎng)度.在最大應(yīng)力為80 MPa、100 MPa 和150 MPa 的水平下均可超過(guò)1 × 106次循環(huán)，最大應(yīng)力為80 MPa 下可保證循環(huán)次數(shù)超過(guò)1 × 107次.在最大應(yīng)力80 MPa 循環(huán)后，樣品1 號(hào)在最大應(yīng)力135 MPa 下循環(huán)次數(shù)仍可達(dá)到1.1 ×105次.樣品2-1 號(hào)及3-1 號(hào)的循環(huán)次數(shù)分別為5 ×104次和4.2 × 104次.對(duì)比閆文青等人[12]在新一代高鎂鋁合金MIG 焊疲勞性能的研究，F(xiàn)SW/FSW 接頭仍具有優(yōu)異的疲勞性能，未焊透的焊接缺陷會(huì)大幅度降低焊后接頭的疲勞性能.

表2 FSW/FSW 疲勞結(jié)果Table 2 Fatigue test results by FSW/FSW

圖8 為FSW/FSW 接頭疲勞斷口，由圖可知，底部白亮處為疲勞萌生裂紋源.分析由于攪拌頭軸肩和攪拌針作用焊縫位置不同，焊縫中上部受到軸肩和攪拌針共同作用，下部?jī)H受攪拌針作用，力和熱的傳導(dǎo)不充分，導(dǎo)致裂紋起源于焊縫底部[13-14].斷口右側(cè)斷面較為平坦，為疲勞擴(kuò)展區(qū)，左側(cè)為疲勞瞬斷區(qū).根據(jù)圖8b 擴(kuò)展區(qū)的典型形貌放大圖可知，擴(kuò)展區(qū)紋線(xiàn)由小平面的形貌組成并具有明顯的方向性，且小平面的形貌特征呈現(xiàn)出與底部呈約45°方向由密集向稀疏擴(kuò)展.根據(jù)圖8c 及圖8d 瞬斷區(qū)典型形貌放大可知，瞬斷區(qū)有明顯的韌窩特征形貌，且伴隨著如圖8c 所示的類(lèi)似臺(tái)階的形貌特征.分析認(rèn)為新一代高鎂鋁合金FSW/FSW 接頭疲勞斷口瞬斷區(qū)為韌性斷裂的斷裂方式.

圖8 新一代高鎂鋁合金FSW/FSW 接頭疲勞斷口Fig.8 The fatigue fracture of new generation high-magnesium aluminum alloy joints by FSW/FSW.(a) Macroscopic fatigue fracture;(b) Zoom in area a;(c) Zoom in area B;(d) Zoom in area C

3 結(jié)論

(1) 新一代高鎂鋁合金FSW/FSW 交叉焊接，在固定傾角2.5°，壓深0.05 mm，焊接速度200 mm/min，轉(zhuǎn)速800 r/min 時(shí)可以獲得無(wú)缺陷的交叉焊接頭，接頭仍為細(xì)小等軸晶組成，SZ 尺寸最小，TMAZ 晶粒形貌沒(méi)有明顯的方向性.

(2) FSW/FSW 接頭抗拉強(qiáng)度為340 MPa，為母材的87.0%，對(duì)比FSW 接頭抗拉強(qiáng)度358 MPa(母材的91.6%)略微降低.FSW/FSW 接頭AS 側(cè)硬度值略低于RS 側(cè)的趨勢(shì),且軟化現(xiàn)象明顯，斷裂發(fā)生在HAZ，呈45°韌性斷裂.

(3) FSW/FSW 接頭在150 MPa 的應(yīng)力水平下均可超過(guò)1 × 106次循環(huán)，在80 MPa 應(yīng)力下可保證循環(huán)次數(shù)超過(guò)1 × 107次，疲勞性能良好，瞬斷區(qū)為韌性斷裂的斷裂方式.