鋁合金攪拌摩擦焊接頭微觀組織和力學性能分析

王浡婳，張立杰

鋁合金攪拌摩擦焊接頭微觀組織和力學性能分析

王浡婳，張立杰

（四川建筑職業(yè)技術學院，四川 德陽 618000）

研究7020鋁合金攪拌摩擦焊（FSW）的結構和機械性能。采用攪拌摩擦焊對鋁板進行對接焊試驗，具體形式為單面焊雙面成型。采用拉伸機和顯微維氏硬度儀對試樣進行力學性能測試；利用蔡司金相、光譜儀、掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀研究母材和焊接接頭的微觀組織。在硬度上，母材>熱影響區(qū)>焊核區(qū)，熱影響區(qū)平均硬度約為94HV，母材平均硬度為99HV，焊核區(qū)平均硬度最低為78HV，焊核區(qū)出現(xiàn)“S”缺陷，在一定程度上弱化了焊核區(qū)性能；7020鋁合金攪拌摩擦焊接頭的抗拉強度為235 MPa，屈服強度為158 MPa，屈強比為0.67，伸長率為7%，焊接系數(shù)可以達到73.8%；母材的抗拉強度為325 MPa，屈服強度為278 MPa，屈強比為0.86，伸長率為25%；焊接接頭中心顯微組織主要由胞狀樹枝晶體組成，顯微結晶依次呈現(xiàn)為平面晶、胞狀晶、樹枝狀晶、等軸晶；鋁合金母材和焊接接頭的金屬相組成均為α?Al+Mg2Si；焊接接頭斷口呈現(xiàn)比較明顯的韌性斷裂特征。鋁合金攪拌摩擦焊可以獲得性能比較優(yōu)良的焊接接頭，為其他鋁合金材料的FSW焊接提供技術參考。

鋁合金；攪拌摩擦焊；力學性能；微觀組織

鋁合金在各個領域的應用十分廣泛，其特點比較明顯，例如：性價比高、重量輕、耐腐蝕、抗沖擊性能好、易成形、比強度高、可回收利用。最近幾十年，鋁合金焊接結構已經(jīng)逐步替代鋼制結構成為船舶、高速列車、家用汽車、航空航天飛行器等設備首選結構[1-4]。隨著鋁合金輕質材料的推廣使用，相關領域對鋁合金的要求越來越高，鋁合金焊接技術也就成為了研究熱點[5-7]。7xxx系鋁合金以Zn為主要強化元素，在適當?shù)臒崽幚項l件下，該系列鋁合金強度可以達到400～800 MPa，是一種高強度鋁合金。一般情況下，7xxx系列鋁合金可分為兩種，即Al?Zn?Mg系和Al?Zn?Mg?Cu系，其中，Al?Zn?Mg系鋁合金不僅具有中等強度、應力腐蝕傾向，而且焊接性能較好，可稱為中高強度可焊接鋁合金。隨著焊接技術日趨更新、完善，一大批新型焊接技術不斷涌現(xiàn)，如：攪拌摩擦焊、雙絲MIG焊，可用于解決7xxx系列鋁合金焊接難題，進一步促進了鋁合金焊接結構件的應用[8-10]。攪拌摩擦焊（FSW）即利用高速旋轉的焊具與工件摩擦產生的熱量使被焊材料局部熔化，當焊具沿著焊接界面向前移動時，被塑性化的材料在焊具的轉動摩擦力作用下由焊具的前部流向后部，并在焊具的擠壓下形成致密的固相焊縫。FSW焊接接頭熱影響區(qū)顯微組織變化小，殘余應力較低，焊接工件不易變形；無需添加焊絲，焊鋁合金時不需焊前除氧化膜，不需要保護氣體，成本低；可焊熱裂紋敏感的材料，適合異種材料焊接[11-16]。綜上所述，攪拌摩擦焊在焊接7xxx系列鋁合金時具有比較明顯的優(yōu)勢，田福泉等[17]針對8 mm厚的7A52鋁合金，通過對不同焊接速度下7A52鋁合金FSW焊接接頭的組織和性能進行了研究，得到了不同焊接速度下焊接接頭的組織和力學性能；荊洪陽等[18]采用攪拌摩擦焊對10 mm的6063?T6鋁合金分別進行單、雙面焊接，結果表明，單、雙面焊接接頭“S”線形貌基本保持一致且集中在前進側軸肩影響區(qū)，單面焊有更明顯的“洋蔥環(huán)”形貌，雙面焊接頭力學性能始終優(yōu)于單面焊。接頭抗拉強度峰值為187 MPa，斷裂位置多位于后退側熱影響區(qū)，與接頭最低硬度位置保持一致，主要斷裂模式為韌性斷裂。唐文珅等[19]基于Deform?3D軟件建立了12 mm板厚6061?T6鋁合金靜止軸肩攪拌摩擦焊接過程的熱力耦合數(shù)值模型，結果表明，焊接轉速提高50%將引起焊核最高溫度升高21.6%以上；焊接速度提高50%分別導致高溫停留時間和冷卻時間降低50%和60%以上，數(shù)值模擬結果為厚板鋁合金SSFSW攪拌工具設計及工藝優(yōu)化提供了重要理論依據(jù)。邱宇等[20]針對6 mm厚6061?T6鋁合金開展了攪拌摩擦焊焊接工藝優(yōu)化，當選用旋轉速度1 400 r·min–1、焊接速度700 mm·min–1的焊接參數(shù)時，可獲得無缺陷的焊縫，焊接接頭各區(qū)域組織過渡均勻，焊核區(qū)組織為細小的等軸狀晶粒。文旭峰等[21]采用Abaqus軟件，基于任意拉格朗日?歐拉（ALE）方法建立了5052鋁合金攪拌摩擦焊的有限元模型，利用粒子追蹤手段對5052鋁合金攪拌摩擦焊接過程中的材料流動進行了模擬，模擬及試驗結果均表明，在相同焊接參數(shù)下，與平軸肩相比，凹軸肩能更有效地避免接頭產生孔洞缺陷。劉濤等[22]采用超聲振動強化攪拌摩擦焊接工藝實現(xiàn)了6061?T6鋁合金和Q235鋼異種金屬的有效連接，結果表明，施加超聲能量可以顯著改善焊縫表面成形，增大鋁/鋼界面區(qū)和焊核區(qū)的寬度。超聲振動細化了焊核區(qū)和熱力影響區(qū)的晶粒組織，改變了搭接接頭的斷裂機制和斷裂位置，提高了接頭的力學性能。李琳等[23]對厚度均為12 mm的7050、2024鋁合金板進行了對接攪拌摩擦焊試驗，研究結果表明，與旋轉速度相比，焊接速度對焊縫中塑化金屬的流動影響較小；后退側焊縫金屬在攪拌針的帶動下向下遷移，形成了“洋蔥圓環(huán)”；塑化金屬主要向攪拌針后方遷移，很少一部分向攪拌針前方流動；焊縫表面和內部形成了一一對應的弧形紋理。

文中對7020鋁合金FSW焊接接頭組織和性能進行系統(tǒng)研究，對改善該鋁合金焊接接頭性能及攪拌摩擦焊技術的應用具有一定指導意義。

1 試驗

1.1 材料

焊接母材選用7020鋁合金，厚度約3 mm，熱處理狀態(tài)為T6，母材化學成分如表1所示。

表1 母材化學成分

Tab.1 Chemical composition of base metal

1.2 試驗方法

試驗過程中采用攪拌摩擦焊對鋁板進行對接焊，具體形式為單面焊雙面成型。鋁板尺寸為300 mm× 200 mm×3 mm。攪拌頭直徑為18 mm，長度為19.4 mm。攪拌頭旋轉速度設定為2 000 r/min；焊接速度設定為300 mm/min。焊接開始之前需要對焊件進行銑面處理；然后用砂紙打磨焊接表面，除掉表面氧化物；最后用酒精擦拭去掉表面碎屑、油污。另外，在對接面添加墊板可確保焊縫背部成形良好[14-16]。

采用MTS?810拉伸機對焊接樣品進行力學性能測試，拉伸速度設定為2 mm/min，試驗結果取平均值。采用HVS?10顯微維氏硬度儀對焊接樣品進行硬度測試，從焊縫中心向母材逐點測量，測試點間隔為1 mm；測試載荷為29 N，加載時間持續(xù)10 s。實際生產中，要求焊接系數(shù)達到70%以上。

攪拌摩擦焊后，待其自然冷卻至室溫，截取焊接接頭金相試樣。經(jīng)打磨、拋光、腐蝕處理后進行微觀組織分析。利用ARL4460型光譜儀測試母材及焊縫的化學成分；利用蔡司金相、EV018型掃描電子顯微鏡、D/max 2型X射線衍射儀研究母材和焊接接頭的微觀組織、相結構、斷口形貌等。

2 結果與分析

2.1 焊接接頭硬度

7020鋁合金攪拌摩擦焊接頭硬度分布如圖1所示。由圖1可知，焊核區(qū)（WNZ）寬度約為8 mm；焊核區(qū)（WNZ）、熱力影響區(qū)（TMAZ）、熱影響區(qū)（HAZ）都出現(xiàn)了一定程度的軟化；熱影響區(qū)平均硬度約為94HV，母材平均硬度為99HV，焊核區(qū)平均硬度為78HV，在硬度上，母材>熱影響區(qū)>焊核區(qū)。根據(jù)Hall-Petch理論，晶粒尺寸越小，材料硬度越高，但試驗樣品的硬度最低值卻分布在晶粒最細小的焊核區(qū)，主要原因在于焊接過程熱輸入低，使得焊核區(qū)出現(xiàn)“S”缺陷，如圖2所示，一定程度上弱化了焊核區(qū)性能。除此之外，F(xiàn)SW焊接過程中，受熱輸入影響，熱影響區(qū)和焊核區(qū)的β強化相Mg2Si會部分熔解或全部熔解?？紤]到β強化相Mg2Si含量存在以下關系：母材（BM）>熱影響區(qū)（HAZ）>熱力影響區(qū)（TMAZ）>焊核區(qū)（WNZ），因此，焊核區(qū)平均硬度最低[24]。

圖1 焊接接頭硬度分布

圖2 掃描電子顯微鏡下的“S”缺陷

2.2 焊接接頭拉伸性能

鋁合金母材和攪拌摩擦焊接頭應力–應變曲線如圖3所示。由圖3可知，鋁合金母材和焊接接頭都出現(xiàn)了連續(xù)屈服現(xiàn)象，但是二者并沒有出現(xiàn)明顯的屈服平臺；焊接后，母材和焊縫的拉伸性能明顯下降。試驗結果表明：母材的抗拉強度為325 MPa，屈服強度為278 MPa，屈強比為0.86，伸長率為25%；攪拌摩擦焊接頭的抗拉強度為235 MPa，屈服強度為158 MPa，屈強比為0.67，伸長率為7%，焊接系數(shù)可以達到73.8%，比彭小燕等[25]采用MIG對7020鋁合金焊接的焊接系數(shù)（70%）略高。通過對比可以發(fā)現(xiàn)：與鋁合金母材相比，攪拌摩擦焊接頭的抗拉強度、屈服強度、伸長率均明顯降低；在形變過程中，局部應變大概率出現(xiàn)在焊核區(qū)“S”缺陷部位，所以攪拌摩擦焊接頭的伸長率比母材小。結果表明，攪拌摩擦焊可以作為一種比較合適的焊接方式來獲得性能優(yōu)良的焊接接頭。

圖3 鋁合金母材和攪拌摩擦焊接頭應力?應變曲線

在拉伸試驗中，鋁合金攪拌摩擦焊接頭斷裂位置如圖4所示。由圖4可知，拉伸斷裂出現(xiàn)在焊縫中心的“S”缺陷部位，距離焊接接頭邊緣約6 mm；拉伸過程中，裂紋非常容易起源于“S”缺陷處，實際斷裂于焊縫區(qū)的“S”缺陷處，與平均硬度分布情況基本一致。

圖4 鋁合金攪拌摩擦焊接頭斷裂位置

2.3 焊接接頭微觀組織分析

7020鋁合金母材和攪拌摩擦焊接頭的XRD分析結果分別如圖5和圖6所示。從圖5和圖6可以看出，7020鋁合金母材的金屬相主要成分為a?Al和Mg2Si，攪拌摩擦焊接頭的金屬相主要成分為a?Al和Mg2Si，相組成沒有變化，但是在攪拌摩擦焊接頭中，由于β強化相Mg2Si會部分熔解或全部熔解，導致Mg2Si在XRD中顯示有弱化現(xiàn)象。

圖5 7020鋁合金母材XRD分析結果

圖6 攪拌摩擦焊接頭XRD分析結果

7020鋁合金焊接接頭橫截面形貌和顯微組織如圖7所示，其中，圖7a顯示了焊接接頭中心顯微組織，其主要由胞狀樹枝晶體組成，圖中黑點由能譜儀（Energy Dispersive Spectrometer，EDS）分析得知，Mg和Si的元素含量比例為2∶1，表明黑點為強化相Mg2Si；圖7b顯示了焊接接頭熔合區(qū)，可以看到非常明顯的熔合線，其中，熔合線右邊為熔核區(qū)（WNZ），顯微組織呈現(xiàn)出非常典型的粗大柱狀晶體，熔合線左邊為熱影響區(qū)（HAZ），為沉淀相顆粒；圖7c顯示了母材微觀組織，可以看到比較明顯的軋制流線，而且伴隨著部分沉淀相。

一般情況下，焊縫熔池的凝固結晶長大與成分過冷有關系。與焊縫兩側相比，焊縫中心熔池后端的邊界法向溫度梯度較小，凝固速度較大。從焊縫兩側到焊縫中心，溫度梯度和凝固速度之間的比值會變小，成分過冷程度會提高。因此，顯微結晶依次呈現(xiàn)為平面晶、胞狀晶、樹枝狀晶、等軸晶。鑒于金屬凝固會從邊界處開始，所以邊界處大多呈現(xiàn)為粗大柱狀晶，中心處呈現(xiàn)樹枝胞狀晶。

2.4 拉伸斷口SEM分析

7020鋁合金攪拌摩擦焊接頭拉伸斷口SEM形貌如圖8所示，其中，圖8a、b分別為母材和焊接接頭的斷口形貌，二者斷口均呈現(xiàn)出比較明顯的韌性斷裂特征。母材斷口形貌較均勻，而焊接接頭的斷口上則均勻分布著許多大小不同的氣孔，氣孔會降低焊接接頭有效承載面積，導致應力集中，焊接接頭的強度和塑性必然受到影響，使其成為整個接頭區(qū)域最薄弱的部分。從圖8c可以看出，母材斷口韌窩較大且較深；從圖8d可以看出，焊接接頭韌窩尺寸較小且較淺，說明母材塑性比焊接接頭好。

圖7 7020鋁合金焊接接頭橫截面形貌和顯微組織

圖8 7020鋁合金攪拌摩擦焊接頭拉伸斷口SEM形貌

3 結論

1）FSW焊接接頭的抗拉強度為235 MPa，屈服強度為158 MPa，屈強比為0.67，伸長率為7%，焊接系數(shù)能達到73.8%，可以達到實際生產中焊接系數(shù)70%以上的要求。

2）在硬度上，母材>熱影響區(qū)>焊核區(qū)，焊核區(qū)平均硬度為78HV，焊核區(qū)出現(xiàn)“S”缺陷，一定程度上弱化了焊核區(qū)性能。

3）7020鋁合金母材的金屬相主要成分為a?Al和Mg2Si，F(xiàn)SW焊接接頭的金屬相主要成分為a?Al和Mg2Si。焊接接頭中心微觀組織由胞狀樹枝晶體組成，焊接接頭拉伸斷口呈現(xiàn)出比較明顯的韌性斷裂特征，研究結果可為其他鋁合金材料的FSW焊接提供技術參考。

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Micro-structure and Mechanical Properties of Friction Stir Welded Joints of Aluminum Alloy

WANG Bo-hua, ZHANG Li-jie

(Sichuan College of Architectural Technology, Sichuan Deyang 618000, China)

The work aims to study the structure and mechanical properties of 7020 aluminum alloy friction stir welding (FSW). The butt welding experiment of aluminum plate was carried out through FSW in the specific form of single-sided welding double-sided forming. The tensile machine and micro Vickers hardness tester were used to test the mechanical properties of the samples. The micro-structures of base metal and welded joint were studied with Zeiss metallography, spectrometer, scanning electron microscope and X-ray diffraction. The results showed that the hardness of base metal was the highest, and then the heat affected zone, and the nugget zone. The average hardness of the heat affected zone was about 94HV. The average hardness of the base metal was 99HV. The minimum average hardness of the nugget zone was 78HV. And there were "S" defects in the nugget zone, which weakened the performance of the nugget zone to some extent. The tensile strength, yield strength, yield ratio and elongation of 7020 aluminum alloy friction stir welded joint were 235 MPa, 158 MPa, 0.67 and 7%, respectively. Its welding coefficient could reach 73.8%. The tensile strength, yield strength, yield ratio and elongation of base metal were 325 MPa, 278 MPa, 0.86 and 25%, respectively. The micro-structure in the center of the welded joint was mainly composed of cellular dendrites, and the microcrystals were plane crystal, cellular crystal, dendritic crystal and equiaxed crystal in turn; the metal phase composition of aluminum alloy base metal and welded joint was α-Al+Mg2Si; the fracture surface of the welded joint presented obvious ductile fracture characteristics. Friction stir welding of aluminum alloy can obtain welded joint with good performance, which provides technical reference for FSW of other aluminum alloy materials.

aluminum alloy; friction stir welding; mechanical properties; micro-structure

10.3969/j.issn.1674-6457.2023.01.012

TG146.2

A

1674-6457(2023)01-0094-07

2021–10–24

2021-10-24

王浡婳（1980—），女，碩士，講師，主要研究方向為金屬材料和表面工程技術。

WANG Bo-hua (1980-), Female, Master, Lecturer, Research focus: metal materials and surface engineering technology.

張立杰（1981—），女，碩士，講師，主要研究方向為金屬材料和表面工程技術。

ZHANG Li-jie (1981-), Female, Master, Lecturer, Research focus: metal materials and surface engineering technology.

王浡婳, 張立杰. 鋁合金攪拌摩擦焊接頭微觀組織和力學性能分析[J]. 精密成形工程, 2023, 15(1): 94-100.

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