焊接速度對(duì)7A52鋁合金FSW組織及力學(xué)性能的影響

李泰巖,陳芙蓉,張志函

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué),呼和浩特010051;2.西北工業(yè)大學(xué),西安710072)

焊接速度對(duì)7A52鋁合金FSW組織及力學(xué)性能的影響

李泰巖1,陳芙蓉1,張志函2

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué),呼和浩特010051;2.西北工業(yè)大學(xué),西安710072)

目的在保證攪拌速度一定時(shí),針對(duì)8 mm厚的7A52鋁合金,在不同焊接速度下采用攪拌摩擦焊(FSW)進(jìn)行焊接試驗(yàn),研究其焊接接頭的顯微組織及力學(xué)性能。方法利用攪拌摩擦焊機(jī)進(jìn)行對(duì)接焊接,焊后制取金相試樣觀察焊接接頭宏觀形貌和顯微組織,并測(cè)定其力學(xué)性能。結(jié)果7A52鋁合金FSW焊接接頭焊核區(qū)的面積隨著焊接速度的增大而增大,當(dāng)焊接速度為250 mm/min時(shí),焊接接頭的焊核區(qū)面積最大,焊核區(qū)的顯微組織都為細(xì)小的等軸晶,焊接接頭橫截面的焊核區(qū)呈明顯“洋蔥環(huán)”的形貌,而熱力影響區(qū)的結(jié)構(gòu)特征則呈現(xiàn)出了較高的塑性變形流線層。焊接接頭顯微硬度分布都呈現(xiàn)出“W”形變化,在焊接速度為150 mm/min時(shí),焊接接頭的平均抗拉強(qiáng)度能達(dá)到452 MPa,達(dá)到了母材抗拉強(qiáng)度的89%。結(jié)論通過對(duì)不同焊接速度下7A52鋁合金FSW焊接接頭的組織和性能進(jìn)行研究,得到了不同焊接速度下焊接接頭組織和力學(xué)性能。

7A52鋁合金;攪拌摩擦焊;顯微組織;力學(xué)性能

KEY WORDS:7A52 aluminum alloy;friction stir welding;microstructure;mechanical property

7A52鋁合金是我國自行研制開發(fā)的一種中強(qiáng)裝甲鋁合金,由于其密度小、比強(qiáng)度高、比剛度好等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于航空航天以及輕型裝甲車輛上,特別是用于坦克的炮架和裝甲板上[1—2]。隨著7A52鋁合金的廣泛使用,它的一些缺點(diǎn)也逐漸顯露出來,采用傳統(tǒng)熔化焊時(shí)焊縫金屬不僅容易產(chǎn)生熱裂紋,而且氣孔嚴(yán)重,焊縫強(qiáng)度低,使得材料的性能未能得到充分發(fā)揮,影響了它作為焊接結(jié)構(gòu)件的進(jìn)一步推廣和使用。

攪拌摩擦焊(FSW)是由英國焊接研究所于1991年提出的一種固態(tài)連接方法[3—9],特別適用于低熔點(diǎn)高強(qiáng)度合金的焊接[10—12],它具有無飛濺、無煙塵、不需要添加焊絲、無需保護(hù)氣體等優(yōu)點(diǎn)。攪拌摩擦焊技術(shù)的出現(xiàn)為高強(qiáng)鋁合金的連接提供了一條有效的新途徑。

文中主要對(duì)不同焊接速度下7A52鋁合金FSW焊接接頭的組織和性能進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)

材料規(guī)格為200 mm×100 mm×8 mm,初始狀態(tài)為熱軋態(tài)的7A52鋁合金板材。其化學(xué)組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為Zn 4.2%,Mg 2.3%,Fe 0.33%,Mn 0.31%,Si 0.24%,Cr 0.23%,Cu 0.13%,Zr 0.12%,Al為余量;其力學(xué)性能如下:抗拉強(qiáng)度Rm=510 MPa,屈服強(qiáng)度Rel=457 MPa,斷后伸長率A=12%,硬度為135HV。

首先對(duì)試板進(jìn)行清洗,使用丙酮試劑擦除試板表面的油污及臟污,之后再對(duì)試樣對(duì)接面進(jìn)行打磨,之后進(jìn)行試板裝配和焊接。焊接設(shè)備是北京賽福斯特科技有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為FSW-RL31-010的數(shù)控?cái)嚢枘Σ梁负笝C(jī)。試驗(yàn)中所用的攪拌頭是帶左旋螺紋的圓錐形的攪拌頭。主要參數(shù)為:軸肩直徑22 mm,攪拌針長度8 mm,焊接傾角2.5°,逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),軸向壓力25 kN,壓入深度0.2 mm,攪拌頭轉(zhuǎn)速為600 r/min,焊接速度分別為150,200,250 mm/min。

焊后沿焊縫橫向制取金相試樣并觀察其宏觀形貌。采用5%的三酸溶液(HF,HCl,HNO3,H2O體積比為1∶1.5∶2.5∶95)在室溫下腐蝕10～20 s,熱水清洗,然后用無水乙醇洗凈吹干。采用Axio lmager型蔡司光學(xué)顯微鏡觀察焊接接頭的微觀組織。采用HVS-30Z/LCD維氏硬度計(jì)對(duì)焊接接頭各區(qū)域的硬度進(jìn)行測(cè)量,其加載載荷為100 g,加載時(shí)間為15 s。拉伸試驗(yàn)在WDW-30型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。

2 不同焊接速度下7A 52鋁合金FSW焊接接頭的性能結(jié)果與分析

2.1 宏觀形貌

當(dāng)攪拌頭的形狀和尺寸確定以后,若旋轉(zhuǎn)速度一定時(shí),則焊接過程中的產(chǎn)熱量是一定的。所以當(dāng)焊接速度過高時(shí),焊接接頭就會(huì)得不到足夠的摩擦熱而使金屬產(chǎn)生塑化,這樣就容易產(chǎn)生孔洞或底部未焊透等缺陷,從而會(huì)嚴(yán)重影響焊縫成形;當(dāng)焊接速度過低時(shí),焊縫金屬溫度過高會(huì)使得焊縫寬度相應(yīng)加寬,且晶粒易長大,進(jìn)而會(huì)影響到焊接接頭的力學(xué)性能。因此,選擇合適的工藝參數(shù)是至關(guān)重要的。

圖1是不同焊接速度下7A52鋁合金FSW焊接接頭的宏觀形貌圖。從圖1可以看出,當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度一定時(shí),焊核區(qū)的面積隨著焊接速度的增大而增大。當(dāng)焊接速度為250 mm/min時(shí),焊接接頭的焊核區(qū)面積最大。這是因?yàn)樵跀嚢枘Σ梁高^程中,熱輸入可以分為兩個(gè)部分:一個(gè)是軸肩和攪拌針的摩擦產(chǎn)熱,另一個(gè)是金屬塑性變形過程中的產(chǎn)熱,所以焊接速度與熱輸入不呈線性關(guān)系,而是呈現(xiàn)復(fù)雜的形態(tài)。當(dāng)焊接速度在一定范圍內(nèi)時(shí),隨著焊接速度的增大,塑性變形熱在焊縫熱輸入中所占的比例增加,塑性變形增加的熱量大于焊接速度增加減少的熱輸入,所以隨著焊接速度的增大,熱輸入也相應(yīng)增加,因此可以看到當(dāng)焊接速度為250 mm/min時(shí),焊核區(qū)的面積最大。

圖1 不同焊接速度下7A52鋁合金FSW焊接接頭的宏觀形貌Fig.1 Macromorphology of7A52 aluminum alloy in FSW joints at differentwelding speeds

2.2 顯微組織

從圖2可以看出,不同焊接速度下焊縫的焊核區(qū)晶粒都是細(xì)小的等軸晶,由于攪拌頭的破碎和再結(jié)晶的雙重作用使得其組織均勻化。這是因?yàn)樵跀嚢枘Σ梁高^程中,該區(qū)受到了攪拌針的攪拌與摩擦作用,焊縫處的金屬經(jīng)受了強(qiáng)烈的熱力作用,使得焊核溫度高于沉淀強(qiáng)化相的溶解溫度,但又比其熔化溫度低。在高溫、大變形的條件下,變形晶粒中的位錯(cuò)密度劇烈增大,從而形成了能作為再結(jié)晶核心的亞胞狀結(jié)構(gòu),進(jìn)而在這些再結(jié)晶晶核上直接形核,最終獲得細(xì)小的等軸晶。從圖2中還可以明顯地看出,隨著焊接速度的降低,焊核處晶粒尺寸也在明顯變小,當(dāng)焊接速度為150 mm/min時(shí),焊核區(qū)晶粒相對(duì)來說比較細(xì)小。這是因?yàn)樵诤附铀俣葹?50 mm/min時(shí),由于焊接速度相對(duì)較慢,攪拌頭與工件摩擦產(chǎn)生大量熱,同時(shí)由于攪拌頭的攪拌作用使得攪拌頭附近金屬熱塑化,焊縫溫度上升到再結(jié)晶溫度。位錯(cuò)密度在攪拌力作用下不斷增加,當(dāng)儲(chǔ)能達(dá)到一定程度夠發(fā)生再結(jié)晶時(shí),金屬內(nèi)晶核開始不斷形成,這是一個(gè)在焊接熱循環(huán)作用下的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過程,形成的晶粒還沒有長大就在攪拌頭的攪拌作用下被打碎,從而形成了更為細(xì)小的晶粒。

圖2 不同焊接速度下7A52鋁合金FSW焊接接頭焊核區(qū)顯微組織Fig.2 Microstructure of welded zone of 7A52 aluminum alloy in FSW joints at differentwelding speeds

圖3 為焊接速度為150 mm/min時(shí)7A52鋁合金FSW焊接接頭橫截面的顯微組織形貌,從圖3可以明顯地看出,7A52鋁合金FSW焊接接頭橫截面的焊核區(qū)呈明顯“洋蔥環(huán)”的形貌,它是由一組自內(nèi)向外擴(kuò)大的橢圓環(huán)構(gòu)成的。K.N.Krishnan等人[13]經(jīng)研究認(rèn)為,洋蔥環(huán)的形成是由于高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭與工件產(chǎn)生摩擦熱,使攪拌針周圍金屬處于熱塑性狀態(tài),攪拌頭沿焊縫運(yùn)動(dòng)使熱塑化金屬沿?cái)嚢桀^的后退側(cè)被擠向攪拌針后方,并在此堆積。堆積由中心向外擴(kuò)張,當(dāng)堆積增加擴(kuò)張到一定程度,堆積出現(xiàn)分層現(xiàn)象。“洋蔥環(huán)”是焊縫區(qū)金屬熱塑性流動(dòng)的結(jié)果。圖4給出了熱力影響區(qū)的塑性流線變形結(jié)構(gòu)。熱力影響區(qū)(TMAZ)的結(jié)構(gòu)特征呈現(xiàn)出了較高的塑性變形流線層,它的形成主要是因?yàn)楹负藚^(qū)周圍的纖維狀的母材組織因受到攪拌頭的攪拌作用,產(chǎn)生了顯著的塑性變形。

圖3 洋蔥環(huán)結(jié)構(gòu)Fig.3 Onion ring structure

圖4 熱力影響區(qū)的流線變形結(jié)構(gòu)Fig.4 Streamline deformation structure of TMAZ

2.3 顯微硬度

圖5是不同焊接速度下7A52鋁合金FSW焊接接頭的顯微硬度分布。由圖5可見,焊接接頭的顯微硬度的分布都呈現(xiàn)出“W”形變化,且頂部、中部、底部3個(gè)部分的硬度總體上都呈現(xiàn)出“高—低—高—低—高”的分布趨勢(shì),即兩側(cè)的母材硬度值最高,硬度值在熱影響區(qū)與熱力影響區(qū)之間降低,在焊縫幾何中心的焊核處,硬度值再次升高。焊接接頭顯微硬度的變化趨勢(shì)與其所含有的顯微組織和沉淀強(qiáng)化相的分布及大小密切相關(guān)。在焊接熱循環(huán)的影響下,焊接接頭各部分的析出相會(huì)發(fā)生較大的變化。熱影響區(qū)及熱力影響區(qū)的部分細(xì)小強(qiáng)化相發(fā)生溶解,但其余的強(qiáng)化相發(fā)生了聚集長大,即發(fā)生了過時(shí)效,從而使得此區(qū)的硬度顯著降低;而焊核區(qū)的強(qiáng)化相基本上完全溶解,在焊縫冷卻過程中,那些很細(xì)小的析出相又從基體中析出而使得焊核區(qū)的硬度升高。另外,焊核區(qū)細(xì)小的等軸晶粒還具有一定的細(xì)晶強(qiáng)化作用,因此,與熱力影響區(qū)和熱影響區(qū)相比,焊核區(qū)的顯微硬度會(huì)有所提高,而熱影響區(qū)則會(huì)因?yàn)榫Я４执蟆⑽龀鱿嗟拇执筮M(jìn)而成為接頭軟化最顯著的部位。

圖5 不同焊接速度下7A52鋁合金FSW焊接接頭的顯微硬度Fig.5 Microhardness of7A52 aluminum alloy in FSW joints at differentwelding speeds

2.4 拉伸性能

對(duì)試驗(yàn)中所涉及的每種焊接速度下的3個(gè)拉伸試樣的抗拉強(qiáng)度求平均值,作為每種焊接參數(shù)下所得接頭的抗拉強(qiáng)度,拉伸試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果見表1。由表1中的數(shù)據(jù)可以看出,在焊接速度為150 mm/min時(shí),7A52鋁合金FSW焊接接頭平均抗拉強(qiáng)度能達(dá)到452 MPa,達(dá)到了母材抗拉強(qiáng)度的89%;在攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度一定時(shí),適當(dāng)?shù)暮附铀俣扔欣诤附咏宇^獲得良好的抗拉強(qiáng)度,且塑性較好,最大伸長率為14.3%。

表1 7A 52鋁合金FSW焊接接頭的拉伸試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Resu lts of tensile tests for 7A52 alum inum alloy in FSW joints

3 結(jié)論

1)在攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度一定時(shí),觀察發(fā)現(xiàn)7A52鋁合金FSW焊接接頭焊核區(qū)的面積隨著焊接速度的增大而增大。當(dāng)焊接速度為250 mm/min時(shí),焊接接頭的焊核區(qū)面積最大。無論在哪種焊接速度下,焊核區(qū)晶粒都是細(xì)小的等軸晶,且7A52鋁合金FSW焊接接頭橫截面的焊核區(qū)呈明顯“洋蔥環(huán)”的形貌,而熱力影響區(qū)的結(jié)構(gòu)特征則呈現(xiàn)出了較高的塑性變形流線層。

2)不同焊接速度下7A52鋁合金FSW焊接接頭的顯微硬度的分布都呈現(xiàn)出“W”形變化,且頂部、中部、底部3個(gè)部分的硬度總體上都呈現(xiàn)出“高—低—高—低—高”的分布趨勢(shì),即兩側(cè)的母材硬度值最高,硬度值在熱影響區(qū)與熱力影響區(qū)之間降低,在焊縫幾何中心的焊核處,硬度再次升高。

3)在焊接速度為150 mm/min時(shí),7A52鋁合金FSW焊接接頭的平均抗拉強(qiáng)度能達(dá)到452 MPa,達(dá)到了母材抗拉強(qiáng)度的89%,且塑性較好,最大伸長率為14.3%。

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Effect of Welding Speed on M icrostructure and M echanical Properties of 7A52 Alum inum Alloy by Friction Stir W elding

LITai-yan1,CHEN Fu-rong1,ZHANG Zhi-han2
(1.Inner Mongolia University of Technology,Hohhot010051,China; 2.Northwestern Polytechnical University,Xi′an 710072,China)

When the stirring speed was constant,the welding test for 7A52 alloy aluminum with a thickness of 8 mm was conducted using friction stirwelding(FSW)at differentwelding speeds.Themicrostructure andmechanical properties ofwelded jointswere studied.The friction stirweldingmachinewas used for buttwelding,themetallographic specimen was made after welding to observemacro andmicrostructure of thewelding joint,and itsmechanical propertieswere alsomeasured.The area of7A52 aluminum FSW welding joints in the welded zone increased as the welding speed increased,when the welding speed was 250 mm/min,the welding joint area was the biggest.Themicrostructure ofwelded zone was fine equiaxed crystal,the welded zone on the cross section of the welding joint showed obviousmorphology of onion rings,and the structural features of the heataffected zone showed relatively high plastic deformation streamline.The distribution of the hardness ofwelded joints showed a"W"shape change.When the welding speed was 150 mm/min,the average tensile strength ofwelded jointswas452 MPa,reaching89%of the tensile strength of the basematerial.In conclusion,the effects of differentwelding speeds of7A52 aluminum alloy on themicrostructure and the property of the friction stir-welding joint were studied.Themicrostructure and properties of welded joints at differentwelding speedswere obtained.

10.3969/j.issn.1674-6457.2015.05.011

TG453+.9

A

1674-6457(2015)05-0072-05

2015-08-10

李泰巖(1991—),男,內(nèi)蒙古通遼人,碩士生,主要研究方向?yàn)殇X合金攪拌摩擦焊。

陳芙蓉(1972—),女,蒙古族,內(nèi)蒙古人,教授,博士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)椴牧虾附有浴?/p>