鋁合金超聲輔助攪拌摩擦焊接接頭組織性能研究

（南昌航空大學 焊接工程系，南昌 330036）

攪拌摩擦焊接（Friction stir welding，簡稱FSW） 是由英國焊接研究所(TWI)于20世紀90年代發明的一種新型固相連接技術，最初主要用于鋁合金、鎂合金等輕質合金的焊接，但隨著航空航天、軌道列車等領域的發展，對鋁合金攪拌摩擦焊焊接質量提出了更高的要求[1—3]。常規攪拌摩擦焊所需要的熱量主要來源于軸肩與工件表面的摩擦熱，致使焊縫區溫度場呈上高下低的“淺漏斗狀”，焊縫底層溫度低，金屬流動不充分，易出現組織疏松、孔洞或未焊透等缺陷[4—6]。

為了提高接頭性能，目前國內外的研究學者主要提出了兩種思路，一種是從改變攪拌頭形狀、焊接速度、攪拌頭旋轉速度、軸肩下壓量等工藝參數著手，改善材料的流動和攪拌摩擦過程中的產熱，同時減少攪拌頭的磨損，但是接頭強度提高能力有限[7—14]。另一種思路是增加輔助熱源，以補充焊接熱輸入，協助軟化材料，但是在雙重熱循環的影響下，焊接溫度高于常規攪拌摩擦焊，導致焊縫熱影響區擴大，從而降低了接頭的力學性能，而且輔助熱源本身也存在一定的局限性[15—18]。超聲輔助攪拌摩擦焊（Ultrasonic Assisted Friction Stir Welding，簡稱UAFSW）焊接溫度明顯低于常規攪拌摩擦焊，且變形金屬在超聲振動作用下，金屬微粒獲得能量，產生高頻振動，金屬微粒的熱運動加劇，溫度升高，內摩擦力減小，從而變形阻力下降，金屬的變形抗力減少，能在更低的溫度下形成焊縫，與攪拌摩擦焊相同，都是一種綠色的能源，因此利用超聲振動能量來輔助攪拌摩擦焊具有很大的應用前景[19—20]。

基于上述原因，文中用攪拌摩擦焊和超聲輔助攪拌摩擦焊分別對3 mm厚的7075鋁合金薄板進行焊接試驗，對比分析超聲的加入對焊縫接頭性能的影響。

1 試驗方案

試驗材料為7075-T6鋁合金，尺寸為200 mm×80 mm×3 mm，其成分見表1。在常規攪拌摩擦焊的基礎上直接將超聲振動通過工具頭施加在攪拌頭前方待焊工件上，攪拌針與超聲工具頭的水平距離約為 2 cm，超聲振動頻率為20 kHz，超聲功率可在0～2 kW之內調節，實驗過程中采用的超聲功率為800 W，攪拌頭旋轉速度為750 r/m，焊接速度為37.5 mm/min。

超聲輔助攪拌摩擦焊采用的焊接參數為：軸肩直徑為Φ16 mm，攪拌針直徑為Φ5 mm，長度為2.65 mm，采用左螺紋，電火花加工深度為0.5 mm。焊接完成后，取焊縫橫截面制作金相試樣，用Keller試劑腐蝕后，在4XB-TV型倒置金相顯微鏡下進行微觀組織觀察；室溫下在WDW-50型微機控制電子萬能試驗機上進行拉伸試驗，拉伸試樣尺寸見圖1，并用Quanta 200環境掃描電子顯微鏡對拉伸斷口進行掃描觀察。

表1 7075鋁合金化學成分（質量分數）Tab.1 Chemical composition of 7075 aluminum alloy (mass fraction)%

圖1 焊縫宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of weld

2 結果與分析

2.1 接頭成形分析

從圖 1可以看出，在相同的工藝參數下，普通FSW 與 UAFSW 均能得到表面成形良好的焊縫，但普通FSW表面成形較為粗糙，表面出現起皮現象，且在焊縫上部，軸肩影響區與焊核的界面處產生了明顯的隧道型缺陷；施加超聲后，焊縫表面成形明顯改善，變得更加光滑平整，焊縫內部隧道型缺陷消失，材料流動明顯改善。分析認為在軸肩作用下，金屬內表面發生層流運動，產生內摩擦阻力，使得內摩擦界面發生粘連和不穩定流動等現象，從而導致焊縫表面較為粗糙，出現毛刺、起皮等缺陷，且在攪拌摩擦焊過程中，焊縫金屬發生塑性流動，攪拌頭不斷將塑性金屬從前進側轉移到后退側，由于塑性金屬的流動性較差，攪拌針后方形成的瞬時空腔得不到及時填充，從而形成隧道型缺陷；而施加超聲后，變形金屬在超聲振動作用下，金屬顆粒獲得能量，產生高頻振動，內摩擦力減小，從而變形阻力下降，塑性和塑性流動明顯改善，焊縫表面變得光滑，同時，隧道型缺陷消失。

2.2 微觀組織分析

將不同焊接方法得到的焊接接頭進行局部放大，以將兩者焊縫金屬的塑性流線進行對比，如圖2所示，明顯可看出，普通FSW前進側出現明顯的隧道型缺陷，金屬塑性流線較為模糊，加入超聲輔助后，金屬塑性流動得到了充分改善，焊縫形貌特征明顯，焊核處出現了明顯的“洋蔥環”結構，且塑性流線清晰，形成了明顯的塑性流動層。從宏觀角度分析，超聲波能量作用在金屬表面，會產生表面效應和機械效應，使攪拌摩擦過程中的切削阻力降低；從微觀角度分析，在一定強度的超聲振動下，位錯網絡吸收足夠多的超聲能量而變得活躍，使得位錯從被釘扎的平衡位置擺脫出來，促進了金屬的塑性流動。

圖2 不同焊接方法下接頭塑性流線對比Fig.2 Plastic flow lines of joints under different welding methods

不同焊接方法下焊縫的微觀組織見圖3，從圖3a和3b可以看出，在普通FSW與UAFSW兩種焊接方法下，熱影響區晶粒均發生長大，普通FSW晶粒長大尤為明顯。熱影響區組織演變與溫度場的變化有一定的聯系。分析認為，攪拌摩擦焊過程中，由于熱影響受焊接熱循環的影響，晶粒發生長大，但是，施加超聲后，金屬材料的摩擦因數降低，相同條件下，UAFSW焊接過程中攪拌頭與工件的摩擦產熱較普通FSW 減小，在焊縫相同位置，其峰值溫度降低，因此，普通FSW焊縫熱影響區受熱影響作用更大，其晶粒尺寸要大于UAFSW焊縫熱影響區的晶粒尺寸。從圖 3c可以看出，由于攪拌針的攪拌作用，焊核區晶粒得到細化，為均勻細小的等軸晶組織，UAFSW的晶粒細化程度比普通FSW更大，組織分布更為均勻。這說明超聲振動能量注入到焊縫區域內，使再結晶組織均勻且細化，在超聲振動的機械效應和體積效應下，晶粒組織沿多個方向的高頻振動加劇，塑性流動加強，導致晶粒組織更為細小，分布更為均勻。

2.3 焊接接頭力學性能分析

在 WDW-50型微機控制電子萬能試驗機上進行拉伸試驗，每組取3組試樣，取其平均值進行分析。母材抗拉強度為522 MPa，普通FSW由于焊縫中存在隧道型缺陷，焊后接頭平均抗拉強度僅為 191 MPa，而UAFSW焊后接頭抗拉強度達到373 MPa，達到母材強度的71.5%，斷裂位置均位于焊縫內部。表明超聲攪拌摩擦焊試樣的抗拉強度比普通攪拌摩擦焊有較大的提高，施加超聲振動，可明顯增加鋁合金焊接的工藝窗口。分析認為超聲振動能量在固體內傳播會產生機械效應，使焊縫在吸收超聲能量的同時，各金屬顆粒也產生高頻振動，處于激活狀態，其運動能級、擴散能力以及金屬流變行為明顯增強，改善了普通攪拌摩擦焊材料流動不足、材料混合不均勻等缺陷；同時超聲振動輔助攪拌摩擦焊會在焊縫處產生體積效應，超聲應變場與攪拌摩擦焊應變場進行相互疊加，增加了晶粒的內應力，使晶體內部質點發生變形、位錯移動加劇，晶粒發生細化，從而提高了材料的力學性能。

2.4 斷口掃描

超聲輔助攪拌摩擦焊焊接接頭斷口電鏡掃描見圖4，斷口中韌窩數量較少，尺寸及深度較小，斷口中有局部的小平面，平面上有明顯的撕裂棱，為準解理形貌，屬于脆性斷裂的一種，斷口中還伴有許多冰糖狀結構，為典型的脆性斷裂特征，因此該斷口為韌窩和準解理的混合斷裂形式，接頭塑性變形能力較弱。

3 結論

采用普通攪拌摩擦焊和超聲輔助攪拌摩擦焊方法對7075鋁合金進行焊接試驗，并對焊接接頭的微觀組織、力學性能、斷口形貌進行分析，主要結論如下。

1)超聲振動促進了焊縫金屬的流動，能有效抑制孔洞、隧道型缺陷等的形成，拓寬了普通攪拌摩擦焊的工藝窗口。

2)超聲振動使金屬原子處于激活狀態，降低了金屬的粘度，在提高焊縫金屬材料塑性的同時，降低了焊接熱循環的峰值溫度，使熱影響區晶粒尺寸變小。

3)超聲輔助攪拌摩擦焊焊核區晶粒尺寸比普通攪拌摩擦焊晶粒更細小，其組織更均勻、致密。

4)超聲能量的加入，改善了焊縫的力學特性。接頭平均抗拉強度達到 373 MPa，為母材強度的71.5%，斷口為韌窩和準解理的混合斷裂形式，接頭塑性變形能力較弱。