5083鋁合金的攪拌摩擦焊研究

邱 宇，郭曉娟，李 光，王怡嵩

（中航工業北京航空制造工程研究所北京賽福斯特技術有限公司，北京100024）

0 前言

5083鋁合金是一種Al-Mg系合金，具有較高的耐蝕性、強度，焊接性能優良，被廣泛用于船舶、汽車、軌道交通等領域[1-2]。作為一種固相連接技術，攪拌摩擦焊（Friction Stirring Welding，FSW）特別適用于鋁合金等有色金屬的焊接，它可以克服熔焊接頭中的氣孔、裂紋等缺陷，提高連接區的質量，且效率較高[3-6]。此外，與熔焊相比，攪拌摩擦焊（FSW）具有基本無合金元素燒損[7]、焊接變形小、接頭強度高等優點。5083是一種不能熱處理強化的鋁合金，減小其焊接時的強度降低尤為重要。為了獲得強度較高的5083鋁合金焊接接頭，針對5083鋁合金開展了攪拌摩擦焊試驗研究，以期獲得優化的工藝參數，為工程應用提供參考依據。

1 試驗材料和方法

試驗材料為加工硬化態的5083-H111鋁合金板材，其化學成分如表1所示，符合GB/T 3190-2008標準。力學性能為：抗拉強度367.52 MPa、屈服強度270.94 MPa、延伸率15.58%。

表1 試驗材料主要化學成分 %

采用FSW方法焊接尺寸為300mm×150mm×5mm的5083鋁合金板材，所用設備為中航工業集團北京賽福斯特技術有限公司自主研制的FSW-RT31-010攪拌摩擦焊設備。焊接用攪拌頭的軸肩直徑為12 mm，攪拌針長為4.8 mm。所用焊接參數為：主軸傾角 2.5°、焊接速度 300 mm/min、攪拌頭旋轉速度600～1 400 r/min。

焊接接頭經鑲嵌、拋光、腐蝕后用光學顯微鏡觀察其微觀組織，并測定焊核區的晶粒度。按照相關國家標準對焊接接頭的拉伸性能進行測試，拉伸試樣示意和尺寸如圖1所示。用HXD-1000型顯微硬度儀測試焊接接頭橫截面的顯微硬度，加載載荷為0.98 N、保持時間 15 s，在距上、下表面約 1.5 mm 的直線上依次打點測試，兩點間距0.5 mm。

圖1 拉伸試樣示意

2 試驗結果和討論

2.1 拉伸

不同工藝參數的焊接接頭拉伸性能如表2所示。當焊接速度v保持不變（300 mm/min）時，隨著攪拌頭旋轉速度ω的減小，焊接接頭的強度逐漸增加，這是因為攪拌摩擦焊的熱輸入取決于ω/v，熱輸入大導致焊接接頭軟化嚴重，因此攪拌頭旋轉速度與焊接速度的比值（ω/v值）是決定FSW接頭性能的關鍵因素[8]。

表2 不同參數的焊接接頭拉伸性能

當旋轉速度600 r/min、焊接速度300mm/min（ω/v=2）、主軸傾角2.5°時，焊接接頭的強度和延伸率最高：抗拉強度 310.71MPa、屈服強度 211.09 MPa、延伸率5.96%，與母材的百分比分別為：抗拉強度84.54%、屈服強度77.91%、延伸率38.25%。該參數條件下的斷后試樣如圖2所示，可以看出試樣斷裂均發生在焊縫的前進側熱機影響區，說明這部分為焊接接頭的薄弱環節。

圖2 焊接接頭斷后形貌

2.2 金相

母材、前進側熱影響區、前進側熱機影響區、焊核區、后退側熱機影響區和后退側熱影響區的微觀組織照片如圖3所示。可以看出母材（BM）組織（見圖3a）為明顯的軋制組織，晶粒方向與軋制方向平行；與母材相比，前進側和后退側的熱影響區（HAZ）晶粒（見圖3b、圖3f）均有一定程度的長大，但晶粒形態、取向與母材一樣，這是因為該區域離焊縫中心較遠，僅受熱長大，未受到機械攪拌作用。

焊核區（WNZ）晶粒（見圖3d）為等軸狀晶粒，晶粒分布不存在明顯的方向性，這是由位錯的滑移和亞晶粒的轉動導致的[9]；其晶粒度約為10級，明顯比母材的晶粒細小。等軸晶粒的形成過程為：焊核區在攪拌頭強烈的攪拌作用和劇烈的摩擦作用下，溫度較高、應變速率較大，焊縫金屬在機械變形作用下和摩擦熱升溫的雙重作用下，組織發生動態再結晶，新形成的等軸晶逐步取代了母材中的板條狀組織，最終形成等軸狀晶粒。

前進側、后退側熱機影響區（TMAZ）的晶粒（見圖3c、圖3e）取向與軋制方向呈一定的角度關系，晶粒發生明顯流線狀變形，這是因為在焊接過程中，該區域組織除了受熱以外，還受到機械攪拌作用。與焊核區（WNZ）相比，熱機影響區（TMAZ）的機械攪拌作用較小、溫度較低，沒有發生再結晶，在熱循環的條件下發生回復。對比圖3c和圖3e可以發現，前進側熱機影響區晶粒的流線狀改變趨勢大于后退，出現這種情況一方面是因為后退側的溫度高于前進側[10]，流動性相對較好，另一方面是因為前進側所受到的機械攪拌作用力比后退側大，塑性變形也較大。

前進側熱機影響區晶粒的變形大于后退側，受到的剪切力更大，前進側相對較為薄弱，這就是焊縫受到橫向拉伸時易在前進側發生斷裂的原因。

圖3 微觀組織

2.3 顯微硬度

焊接接頭的硬度分布曲線如圖4所示。圖4中正方形、圓形分別代表距上、下表面1.5mm處的硬度值，兩條折線則反映出硬度的變化趨勢。兩條曲線中都有一段硬度較低的區域（軟化區），上面、下面的軟化區寬度分別約為11 mm和7 mm，在軟化區內下面的硬度值要高于上面的硬度值。這是因為在焊接過程中，焊縫下面僅受到針的攪拌，其熱輸入小于受到軸肩攪拌的焊縫上面。因為焊接熱輸入使得材料原來的加工硬化被消除，所以硬度降低，形成軟化區。從硬度變化趨勢可以看出，后退側的硬度比前進側稍低，這是因為后退側的熱輸入較大[10]、軟化程度大。

圖4 硬度分布曲線

3 結論

（1）5083-H111合金的優化焊接工藝為：主軸傾角2.5°、旋轉速度600 r/min、焊接速度300 mm/min（ω/v=2）。

（2）焊接接頭的抗拉強度為310.71 MPa、屈服強度為211.09 MPa、延伸率為5.96%，抗拉強度達到母材的84.54%，斷裂發生在前進側的熱機影響區。

（3）焊核區的組織為細小的等軸晶，晶粒度約為10級。

（4）焊接熱輸入導致焊接接頭出現一段軟化區，距焊縫上表面1.5mm、下表面1.5mm處的軟化區寬度分別為11mm和7mm，且后退側的硬度低于前進側。

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