不同形狀攪拌頭異種鋁合金攪拌摩擦焊接頭的性能

劉守法，蔡 云，吳松林

（1.西京學院機電工程系，西安710123；2.永城職業學院機電工程系，永城476600）

0 引 言

2024與7075 鋁合金皆為可熱處理強化鋁合金，具有優良的耐蝕性與較高的比強度，目前已廣泛應用于航空航天工業。采用傳統熔焊對這兩種鋁合金進行焊接時，易使熔融區形成樹狀晶組織并產生氣孔與凝固裂紋，從而導致焊接接頭質量降低［1-2］。攪拌摩擦焊接（FSW）有別于傳統熔焊，它是一種具有低變形、高焊接質量的固態焊接工藝，可有效提高鋁合金焊接的質量與效率。

目前有關2024-T3與7075-T6鋁合金FSW的相關研究中，大多數著重于接頭顯微組織、硬度、拉伸與疲勞性能等方面的研究［3-4］，而關于攪拌針形狀對焊縫內材料流動與力學性能影響的研究較少［5-6］。為了提高此類合金接頭的性能，作者選用兩種形狀的攪拌頭，在不同攪拌頭轉速、焊接速度和材料搭配方式下對異種鋁合金（2024-T3與7075-T6）進行攪拌摩擦焊接，研究了不同條件下接頭的焊縫形貌和力學性能。

1 試樣制備與試驗方法

對3mm厚的2024-T3與7075-T6鋁合金板進行焊接，焊接前先將它們切割成表面尺寸為120mm×60mm的長方形，待焊接面用銑床加工平整。攪拌頭材料為鉬系高速鋼SKH55，形狀為圓柱螺紋和三棱柱螺紋，攪拌頭的尺寸及形狀如圖1所示。攪拌頭的轉速為1 100r·min-1，焊接速度分別為80，120mm·min-1。鋁合金的搭配方式：前進側（AS）和后退側（RS）分別放置2024-T3和7075-T6鋁合金記為 AS（2024）-RS（7075），反之記為AS（7075）-RS（2024）。焊接后鋁合金板的表面尺寸為120mm×120mm。

焊接完成后在焊縫處取樣，利用HXS-1000A型顯微硬度儀測顯微硬度，加載載荷為1.96N，保持時間為5s；分別觀察母材（BM）、熱影響區（HAZ）、熱機影響區（TMAZ）和攪拌區（STZ）的宏觀形貌。

根據GB/T 2651-2008，用線切割機從接頭上沿垂直于焊縫方向截取標準拉伸試樣，在RG2000-20型萬能試驗機上進行拉伸試驗，拉伸速度為2mm·s-1，每組測試3個試樣取平均值，每組數據中選取抗拉強度最大的試樣，采用JSM-5600型掃描電子顯微鏡進行斷口形貌觀察。

圖1 不同形狀攪拌頭的尺寸Fig.1 Dimension of threaded cylindrical（a）and threaded triangular prism stir head（b）

2 試驗結果與討論

2.1 焊縫的宏觀形貌

由表1可以看出，在攪拌頭轉速和焊接速度分別為1 100r·min-1和80mm·min-1的情況下，兩種形狀攪拌頭形成的焊縫均無隧道類缺陷，圓柱螺紋攪拌頭對應焊縫的攪拌區中可明顯分辨出兩種材料，說明兩種材料并未完全均勻地攪拌在一起，而三棱柱螺紋攪拌頭可以使材料的塑性流動更劇烈，所以它對應的焊縫攪拌區中兩種材料混合得較均勻［7］。在攪拌頭轉速和焊接速度分別為1 100r·min-1和120mm·min-1的情況下，圓柱螺紋攪拌頭對應的焊縫有明顯的隧道類缺陷形成，這主要是由單位長度上焊縫輸入熱量不足，導致材料不易形成塑性流動而造成的，其中2024-T3合金位于前進側時的隧道類缺陷較為嚴重，而三棱柱螺紋攪拌頭對應焊縫中的隧道類缺陷較輕。由此可見，三棱柱螺紋攪拌頭較圓柱螺紋攪拌頭更易使材料產生塑性流動，而由于7075-T6鋁合金的塑性流動能力較差，故應將其放置在攪拌針邊緣與材料相對速度較大的前進側。

表1 不同焊接條件下焊縫的宏觀形貌Tab.1 Macro morphology of weld seam under different welding conditions

2.2 焊縫的硬度

由圖2可見，兩種攪拌頭對應焊縫硬度的變化趨勢相似，其中母材的硬度最高，HAZ的硬度最低。由于7075-T6合金母材比2024-T3合金母材的硬度高，而在焊縫兩側材料同時受熱影響時，會導致析出物粗化［8］，造成硬度下降；且在相同的條件下，7075-T6合金的析出強化效果高于2024-T3的，所以7075-T6合金側的硬度高于2024-T3側的。另外，由于TMAZ區材料受熱以及塑性變形的影響而產生位錯及部分再結晶，而HAZ區的材料受熱影響出現晶粒長大，故而導致TMAZ區的硬度比HAZ區的高［9］。

在攪拌頭轉速與焊接速度相同的情況下，AS側熱機影響區的范圍比RS側的大。這是由于AS側攪拌針邊緣上的點與待焊材料（鋁合金）的相對速度比RS側的大，從而導致AS側材料塑性變形大而引起的。

三棱柱螺紋攪拌頭焊縫的硬度比圓柱螺紋攪拌頭的略高，這主要是由于前者對被焊材料的脈沖作用產生了較大的摩擦與塑性變形，使得位錯及部分再結晶程度較大所致。

攪拌頭轉速不變，將焊接速度提高至120mm·min-1，其硬度曲線如圖2（b）所示。可見，硬度曲線的變化不大，2024-T3鋁合金置于不同側時HAZ區的硬度差異有所增大，其中材料搭配方式為AS（2024）-RS（7075）的焊接接頭 HAZ區的硬度僅為107HV，在所有焊接接頭中最小。

2.3 接頭的拉伸性能

2024-T3和7075-T6鋁合金母材的抗拉強度分別為270，340MPa。由表2可見，在相同的焊接參數下，圓柱螺紋攪拌頭對應接頭的抗拉強度低于三棱柱螺紋攪拌頭的。這是因為三棱柱螺紋攪拌頭有三個平面，會對材料產生脈沖式攪拌，增加了材料的塑性流動，使兩種材料容易均勻地混合在一起，從而提高了抗拉強度［10］。

對于在AS側放置7075-T6鋁合金的焊接接頭，其斷裂位置均位于RS側2024-T3鋁合金的STZ區，而在RS側放置7075-T6鋁合金的焊接接頭，其斷裂位置均位于AS側2024-T3鋁合金的TAMZ區或BM區。因攪拌區大多由RS側的材料組成，故其力學性能接近于RS側的材料，RS側材料對焊縫力學性能與顯微組織的影響較大，而AS側材料的影響較小［8］。由此可見，RS側2024-T3材料因進入攪拌區較多而引起該區強度下降。

圖2 不同焊接條件下接頭焊縫的硬度分布曲線Fig.2 Micro hardness curves of weld seam under different welding conditions

表2 不同焊接條件下焊接接頭的抗拉強度Tab.2 Tensile strength of welded joint under different welding conditions

當焊接速度提高至120mm·min-1時，兩種攪拌頭對應接頭的抗拉強度均有所下降。由于焊接速度過高，單位長度上的熱輸入不足，從而使材料的塑性流動差，形成材料混合不均或者存在隧道類缺陷［9］。因此在制取拉伸試樣前，應進行無損探傷，以確保拉伸試樣沒有不容許的宏觀缺陷。

另由表2可見，當攪拌頭轉速與焊接速度分別為1 100r·min-1和80mm·min-1時，三棱柱螺紋攪拌頭對應的 AS（2024）-RS（7075）搭配方式的接頭抗拉強度最大，為260MPa。

2.4 斷口形貌

由圖3可見，各試樣的斷口均由韌窩和延性撕裂棱組成，為延性破壞的典型特征。焊接速度為80mm·min-1時，圓柱螺紋攪拌頭對應拉伸斷口中的韌窩與延性撕裂棱比三棱柱螺紋攪拌頭的大，這與三棱柱螺紋攪拌頭對應的抗拉強度較高相吻合。焊接速度為120mm·min-1時，圓柱螺紋攪拌頭對應拉伸斷口中韌窩的數量和深度比三棱柱螺紋攪拌頭的少且淺，其中 AS（7075）-RS（2024）搭配方式下試樣6中的韌窩數量最少、深度最淺，這使得其抗拉強度最低。

圖3 不同焊接試樣的拉伸斷口形貌Fig.3 Tensile fracture morphology of different welded samples：（a）sample 1；（b）sample 2；（c）sample 3；（d）sample 4；（e）sample 5；（f）sample 6；（g）sample 7and（h）sample 8

3 結 論

（1）對2024-T3與7075-T6的鋁合金進行了不同形狀攪拌頭攪拌摩擦焊接，攪拌頭轉速與焊接速度分別為1 100r·min-1和80mm·min-1時，焊縫無隧道類缺陷，且三棱柱螺紋攪拌頭使兩種材料融合得更好。

（2）當攪拌頭轉速與焊接速度分別為1 100r·min-1和120mm·min-1、材料搭配方式為 AS（2024）-RS（7075）、攪拌頭形狀為圓柱螺紋時，焊縫的硬度最小，僅為107HV。

（3）攪拌頭轉速與焊接速度分別為1 100r·min-1和80mm·min-1、材料搭配方式為 AS（2024）-RS（7075）、攪拌頭形狀為三棱柱螺紋時，接頭的抗拉強度達到了260MPa，斷裂位置為2024-T3鋁合金的TMAZ區。

（4）當攪拌頭轉速與焊接速度分別為1 100r·min-1和120mm·min-1、材料搭配方式 AS（7075）-RS（2024）時，圓柱螺紋攪拌頭對應拉伸斷口上的韌窩數量最少且深度最淺，這使得其抗拉強度最低，為78MPa。

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