轉速對2024-T4鋁合金水下攪拌摩擦焊接接頭組織與性能的影響

王快社，吳 楠，王 文，丁 凱，郭 強

(西安建筑科技大學 冶金工程學院，西安 710055)

鋁合金由于具有比強度高、疲勞性能好、耐腐蝕性強等優點，廣泛應用于航空、航天、船舶和汽車等領域。鋁合金的焊接方法主要有熔化極氣體保護焊、鎢極惰性氣體保護焊、等離子弧焊、激光焊和電子束焊等。這些傳統的熔化焊接方法容易產生氣孔、裂紋等缺陷，所得焊接接頭的強度較低，僅為母材強度的50%～70%[1]。

1991年，英國焊接研究所開發了一種新型的固相連接技術即攪拌摩擦焊(Friction stir welding, FSW)，為鋁合金的低成本、高效率和高質量連接提供了有效方法[2]。在FSW過程中，被焊接材料產生劇烈的塑性變形，可實現焊接接頭組織細化和均勻化。焊接過程中較低的熱循環作用，避免了氣孔、裂紋等熔焊缺陷的產生，減小了組織粗化傾向，使焊接接頭具有較高的強度和韌性[3?4]。但是，FSW 過程中產生了大量的摩擦熱和塑性變形熱，使焊接接頭存在明顯的熱軟化效應[5?6]，導致焊接接頭強度仍低于母材強度。

針對這一問題，目前國內外的一些學者采用冷卻介質在焊接過程中對被焊工件進行強制冷卻，以減弱焊接溫度場對接頭的熱軟化效應，從而改善接頭的組織性能。LIU等[7?8]分別在水與空氣介質中對2219鋁合金進行FSW，發現水中FSW接頭的抗拉強度高于空氣中 FSW 接頭的抗拉強度，但伸長率略低。FRATINI等[9]也進行了類似的實驗，發現水冷條件下FSW接頭強度更高，軟化區域明顯縮小。BENAVIDES等[10]在液氮強冷環境中對2024鋁合金進行FSW，并測量了其焊接溫度場，發現冷卻介質能有效抑制材料再結晶晶粒的長大。FU等[11]和FRATINI等[12]研究了7系鋁合金在冷卻介質中的FSW。STARON等[13]和李光等[14]研究了冷卻介質中FSW接頭的殘余應力特征。另外，還有學者研究了不銹鋼、紫銅、鎂合金以及異種材料在冷卻介質中的攪拌摩擦焊接與加工[15?18]。

本文作者采用水下攪拌摩擦焊接技術(Submerged friction stir welding, SFSW)對2024-T4鋁合金板進行連接，研究攪拌頭轉速對SFSW焊接溫度場與接頭焊核區析出相析出狀況的影響，分析轉速對接頭顯微硬度和拉伸性能影響的機理。

1 實驗

實驗選用70.0 mm×60.0 mm×3.0 mm的2024-T4鋁合金板材進行 SFSW，鋁合金的化學成分(質量分數，%)為 4.41Cu，1.61Mg，0.27Fe，0.59Mn，0.17Si，Al余量，其力學性能如表1所列。SFSW 在改造的X5032型立式升降臺銑床上進行。攪拌頭工具材料為W18Cr4V，攪拌頭軸肩直徑為12 mm，攪拌針直徑為3.4 mm，高度為 2.8 mm。攪拌頭的焊接速度恒定為47.5 mm/min，轉速分別為 600、750、950和 1 180 r/min，焊接時壓下量為0.2 mm。實驗時，首先將鋁合金板接頭端面用刨床刨平，再用鋼絲刷將工件待焊接表面刷干凈，并用丙酮清洗。然后，將被焊接材料用壓板固定在冷卻水槽內，采用循環水冷卻，水流速度為0.15 L/s，冷卻水的初始溫度為25.3 ℃。

表1 2024-T4鋁合金的力學性能Table 1 Mechanical properties of 2024-T4 aluminum alloy

為了了解SFSW過程中攪拌頭轉速對焊核區溫度場的影響，采用熱電偶對焊件在不同轉速下進行測溫實驗。由于焊接過程中，焊核區材料會在攪拌針的直接作用下發生嚴重的塑性變形，無法填埋熱電偶直接測量該區的實際溫度，因此，設計測溫點使其緊鄰于攪拌針外側，位置距離焊縫中心3.5 mm處。實驗時，首先在被測鋁板特征點處加工直徑為 1.2 mm、深為10 mm的盲孔，孔底為測溫點所在位置，實驗時熱電偶測量端頭在孔底處與材料相接觸，并使用705硅膠連接。熱電偶預埋位置如圖1所示。

采用 JSM?6700F型場發射掃描電子顯微鏡 BSE模式觀察析出相形貌。采用401MVD型數顯顯微維氏硬度計進行顯微硬度測試，測試位置為沿試樣橫截面厚度中心水平方向。采用WDW?100D型電子拉伸機對試樣進行室溫拉伸，拉伸速度為0.5 mm/min。采用OXFORD S?3400N型掃描電子顯微鏡觀察拉伸試樣斷口形貌。

圖1 測溫點示意圖Fig.1 Schematic diagram of point for measurement of temperature (Unit∶ mm)

2 結果與討論

2.1 溫度場分布

圖2所示為不同轉速條件下SFSW特征點的溫度曲線。從圖2可見，各特征點溫度值都經歷了一個相同的變化規律，即溫度變化趨勢都是隨著攪拌頭的移動由低溫逐漸升高，直至攪拌頭通過該點時到達最高溫，隨著攪拌頭的撤離，溫度又由高溫逐漸降低。轉速為600、750、950和1 180 r/min時的特征點峰值溫度分別為271.0、278.3、292.8和310.8 ℃，表明當其他焊接參數相同時，隨著轉速的增大，焊件的熱輸入量增大。這是因為SFSW的熱量主要來源于攪拌頭與焊材的摩擦生熱和材料的塑性變形熱，而攪拌頭轉速的高低會影響摩擦生熱的大小，因此，攪拌頭轉速越高，摩擦生熱量也越多。圖2所示的熱循環曲線表現出近乎相同的升溫和降溫速率，表明循環水冷條件具有明顯的瞬時快冷作用。需要說明的是，由于熱電偶測溫端頭無法與測溫點孔底處完全緊密接觸，稍有間隙會導致測得溫度略微低于實際溫度，但不會影響不同轉速下溫度峰值的變化趨勢。

圖2 不同轉速下SFSW溫度曲線Fig.2 Temperature profiles of SFSW at different rotation speeds∶ (a)600 r/min; (b)750 r/min; (c)950 r/min; (d)1 180 r/min

2.2 焊核區析出相形貌

圖3所示為 2024-T4鋁合金的第二相形貌。2024-T4母材為自然時效態，由圖3可以看到與基體半共格和非共格的S-Al2CuMg相[5]和雜質相。在SFSW過程中，焊核區的溫度為300～350 ℃，遠遠低于S相的固溶溫度518 ℃[19]，使得S相未固溶到鋁基體中，僅發生了不同程度的析出長大行為。圖4所示為焊接速度恒定為47.5 mm/min，旋轉速度分別為600、750、950和1 180 r/min時，焊核區S析出相的形貌和分布形態。對比發現，隨著轉速的增大，S相的析出數量增多，且尺寸增大。這是因為隨著轉速的增大，攪拌頭軸肩和攪拌針與材料的摩擦產熱量增加。溫度越高，從基體中析出的S相更多，并在高溫作用下長大。

圖3 2024-T4鋁合金的第二相形貌Fig.3 Morphology of second phases of 2024-T4 aluminum alloy

2.3 焊接接頭的力學性能

圖5 所示為焊接速度恒定為47.5 mm/min，攪拌頭轉速分別為 600、750、950和 1 180 r/min時的SFSW 接頭顯微硬度分布圖，焊核區硬度平均值列于表2中。對比圖5和表1可見，各轉速下的SFSW接頭焊核區顯微硬度明顯低于焊接前母材的顯微硬度；對比分析不同轉速下SFSW接頭的顯微硬度分布曲線可見，隨著轉速的增大，焊核區顯微硬度逐漸降低。這主要受到析出相的數量和尺寸的影響。金屬強化取決于位錯與脫溶相質點間的相互作用。當運動位錯遇到脫溶質點時，會在質點周圍生成位錯環以通過脫溶質點的阻礙。按照Orowan強化機制，位錯繞過脫溶質點時所需增加的切應力與質點的體積分數及質點半徑相關。體積分數越大，強化值越大；當體積分數一定時，強化值與脫溶質點半徑成反比，質點越小，強化值越大。在焊接熱循環的作用下，SFSW接頭S相析出并粗化，使其強化效應減弱，故SFSW接頭硬度低于母材的。同時，隨著轉速的增大，S相數量增多且尺寸增大，導致接頭顯微硬度逐漸降低。另外，由顯微硬度分布圖可見，各轉速下的SFSW接頭距焊縫中心約3 mm處硬度達到相應的最高值。這是因為該區域位于熱機械影響區，該區域材料發生劇烈塑性變形，變形區組織內部存在大量的亞結構，導致硬度顯著升高。

圖5 不同轉速下橫截面顯微硬度的分布Fig.5 Distribution of microhardness in cross section at different rotation speeds

表2 不同轉速下焊核區顯微硬度平均值Table 2 Average values of microhardness in nugget zone at different rotation speeds

圖6所示為焊接速度恒定為47.5 mm/min、攪拌頭轉速分別為600、750、950和1 180 r/min時SFSW接頭的抗拉強度和伸長率分布曲線。對比分析可見，SFSW 接頭的抗拉強度和伸長率呈現出隨轉速增大而降低的變化趨勢。當轉速為600 r/min時，接頭抗拉強度和伸長率均為最高值，分別為403.3 MPa和3.24%；當轉速增大到1 180 r/min時，接頭抗拉強度降至最低值，伸長率亦降至相應低值。顯微組織分析表明：隨著攪拌頭轉速的增大，S相數量增多且尺寸增大。粗大強化相并不能對SFSW接頭起到有效的強化作用，反而會減弱強化相與基體間的界面結合力，促使裂紋形核并擴展。因此，隨著攪拌頭轉速的增大，SFSW接頭強度降低，塑性減弱，伸長率降低。拉伸斷裂位置主要位于熱影響區與熱機械影響區交界處，該區域組織梯度大，析出相尺寸較大，故接頭性能較差，是SFSW接頭的薄弱區。

圖6 不同轉速下SFSW接頭的拉伸性能Fig.6 Tensile properties of SFS welds at different rotation speeds

2.4 拉伸斷口形貌

圖7 不同轉速下拉伸樣品斷口形貌Fig.7 Morphologies of fracture surface of tensile specimen at different rotation speeds∶ (a)600 r/min; (b)750 r/min; (c)950 r/min;(d)1 180 r/min

圖7所示為焊接速度恒定為47.5 mm/min、攪拌頭轉速分別為600、750、950和1 180 r/min時SFSW接頭的拉伸斷口形貌。圖7中斷口均由解理小裂紋與韌窩組成，呈準解理斷裂特征。隨著轉速增大，斷口中韌窩逐漸減少，準解理小平面面積逐漸增大。這主要是由于作為裂紋源，粗大的析出相增加了解理裂紋的形成幾率，降低了SFSW接頭的塑性。

3 結論

1)SFSW熱循環曲線表現出近乎相同的升溫和降溫速率，表明循環水冷方式具有明顯的瞬時快冷作用。當其他焊接參數恒定時，隨著轉速的增大，焊縫熱輸入量增大，溫度升高。

2)SFSW接頭焊核區S-Al2CuMg相在熱循環作用下發生析出長大行為。隨著轉速增大，析出相的數量增多，尺寸增大。

3)焊接參數對SFSW接頭力學性能有顯著影響：當焊接速度恒定時，隨著轉速增大，接頭顯微硬度、抗拉強度和伸長率逐漸降低。SFSW 接頭拉伸斷口呈準解理斷裂特征，隨著轉速增大，準解理小平面面積增大，韌窩數量減少。

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