主軸轉速對2A12鋁合金攪拌摩擦焊接頭組織和性能的影響

蘇 孺, 王朋朋, 張 亮

(河北科技大學 材料科學與工程學院, 河北 石家莊 050018)

攪拌摩擦焊(friction stir welding,FSW)是英國焊接研究所于1991年發明的一種固相焊接技術[1-3],其焊接溫度一般低于被焊材料的熔點,從而可以避免常規熔焊時被焊材料由于熔化而產生的氣孔、裂紋、變形等缺陷[4-6].鋁合金具有重量輕、比強度高、導熱性好等性能,它的使用量僅次于鋼鐵,已經在航空航天、建筑材料等領域廣泛應用[7].夏羅生[8]研究了7022鋁合金FSW接頭的工藝參數影響,結果發現主軸轉速(n)與焊接速度(v)的比值大小體現為焊接過程中轉動次數和焊接時所產生的熱,它將直接影響焊縫的性能,當n/v值為3～5時接頭性能良好.姬生星等[9]對6 mm厚2A12鋁合金板進行攪拌摩擦焊,研究發現,當焊接速度為60 mm·min-1,主軸轉速為1 100 r·min-1時,其硬度值和抗拉強度最大,硬度分布和微型剪切試驗證明了接頭的力學不均勻性.當工具轉速較高時,焊縫硬度低于基體金屬,焊縫中硬度最低的是前進側,因為其輸入的熱量相對較高.

本實驗研究了焊接速度一定時,不同主軸轉速對2 mm厚2A12鋁合金攪拌摩擦焊時微觀組織和力學性能的影響,通過微觀組織下晶粒大小、取向和沉淀相的析出數量可以判斷其對焊接接頭硬度和拉伸強度的影響,分析焊接接頭的微觀結構和相關的機械性能,優化焊接工藝,為服役時所需性能要求達標提供參考.

1 材料與方法

實驗選用FSW-LM-BM16-2D龍門式攪拌摩擦焊設備,對尺寸為300 mm×150 mm×2 mm的2A12-T42高強鋁合金薄板進行對接(T42指固溶處理+自然時效),化學成分如表1.焊前將2塊待焊鋁板剛性固定在墊板上,采用三棱錐型帶螺紋攪拌頭,逆時針旋轉,焊接傾角為2.5°,控制軸肩壓入量為0.2 mm,工藝參數如表2.焊接完成后,沿垂直于焊縫截取實驗所需試樣,為微觀組織和力學性能分析做準備,拉伸實驗尺寸如圖1.試樣經打磨拋光后用Keller’s試劑進行腐蝕;金相組織觀察所選用設備為Axiovert.A1蔡司顯微鏡;利用TMVS-1型自動維氏硬度儀對厚度方向焊縫處測算硬度值;最后采用instron-5966萬能力學試驗機測定室溫下焊接接頭試件的拉伸性能,并對接頭的抗拉強度等數據進行分析.

表1 2A12鋁合金各成分質量分數Table 1 Mass fraction of constituents in 2A12 aluminium alloy %

表2 攪拌摩擦焊接工藝參數

圖1拉伸實驗尺寸(mm)
Fig.1 Tensile test size(mm)

2 結果與分析

2.1 焊縫的宏觀形貌

圖2為主軸轉速1 000 r·min-1時,2A12鋁合金板焊縫橫截面的宏觀形貌.從圖中可以看出焊縫區域呈洋蔥狀,各區域分別為焊核區(NZ)、熱機影響區(TMAZ)、熱影響區(HAZ)、軸肩影響區(SAZ),HAZ在前進側(AS)比后退側(RS)分界明顯.在此參數下得到的焊縫連接較好,沒有發現明顯焊接缺陷.

圖2 焊縫宏觀分區Fig.2 Macroscopic zoning of weld joint

2.2 接頭的微觀組織

圖3a為2A12鋁合金母材典型的經軋制后板條狀晶粒組織、析出的雜質相及強化相,晶粒較粗大,可明顯觀察到拉長的痕跡.圖3b為焊核區,該處受到攪拌針劇烈機械攪拌和焊接熱循環的雙重影響,發生完全動態再結晶,形成細小的等軸狀組織.

圖4顯示不同轉速下熱機影響區位置,該區域較窄,在摩擦熱和機械力的雙重作用下,材料發生了較大程度的彎曲變形,這將大大增加在此處斷裂的可能性.當主軸轉速為1 000 r·min-1時,由于轉速過高,組織彎曲變形較600 r·min-1和800 r·min-1時嚴重; 局部區域發生回復反應, 在板條狀組織內形成回復晶粒組織, 在沿著材料流動方向上呈細長條狀, 轉速增加時組織被拉長.

圖5分別為轉速600、800和1 000 r·min-1的熱影響區組織.熱影響區只受焊接熱循環未受到機械攪拌作用,晶粒僅發生粗化沒有變形,從圖中可以看出在1 000 r·min-1時晶粒變得粗大,這是由于隨著主軸轉速增加,產熱量增多,使熱影響區范圍變寬且組織相比低轉速時粗大,在轉速為800 r·min-1時相較600 r·min-1強化相變粗大且較多.熱影響區相比熱機影響區中強化相減少,這是由于只受熱循環以致低于固溶溫度,在此區域部分強化相會分解析出[10],1 000 r·min-1時由于轉速較高,受熱循環影響較大,使強化相變得較粗大.

圖4 前進側熱機影響區微觀組織Fig.4 Microstructure of thermo-mechanically affected zone in advancing side

圖5 熱影響區微觀組織Fig.5 Microstructure of heat affected zone

2.3 接頭顯微硬度

合金的強度和硬度主要由強化相的大小、數量和分布決定.圖6為攪拌摩擦焊焊接接頭橫截面的硬度分布,可以看出經攪拌摩擦焊處理后,顯微硬度分布大致呈“W”型,測得基材的硬度大約為143 HV1/10.

圖6 不同主軸轉速下接頭硬度分布

從圖6可以看出,由BM到HAZ間硬度值逐漸降低,由于HAZ僅受到焊接熱循環作用相組織明顯長大,析出相在晶界處發生粗化和聚集.焊核區硬度相對較高,是由于在力和熱的共同作用下組織發生動態再結晶,晶粒細化導致細晶強化,所以焊核區域硬度相對較高,最高到達142 HV1/10.轉速為600和800 r·min-1時硬度最小值出現在TMAZ中,這由于該區域晶粒取向發生轉變,晶粒拉長,受較低溫度和較小應力,發生塑性形變時,與硬度相關的沉淀物分布變得不均勻且變粗,HAZ和TMAZ邊界硬度下降是由于該處產生的熱量急劇下降,塑性變形不足以改變初始晶粒結構,細小沉淀物變粗,使硬度下降;轉速為1 000 r·min-1時硬度最小值出現在HAZ區中,這可能是由于旋轉速度較高,產熱較大,HAZ中晶粒和沉淀物變粗嚴重.在主軸轉速為600 r·min-1時,焊核區硬度低于800和1 000 r·min-1,這是由于轉速升高時,攪拌針旋轉速度較快,晶粒相對較小,由霍爾佩奇公式[11]可知,晶粒越細小,材料強度越高.

式中,σy為材料的屈服極限,σ0表示移動單個位錯時產生的晶格摩擦阻力,ky為常數與材料有關,d指平均晶粒直徑.當晶粒尺寸越小,即d值越小,材料強度越高.

當轉速為800 r·min-1時,NZ處硬度在132～142 HV1/10波動,這和BM和HAZ之間的波動相似,硬度的變化可能與洋蔥環結構和沉淀分布有關[12],由圖2各焊縫分區呈洋蔥環結構和圖3a母材區顯示區域內強化相組織分布不均,這種情況易造成硬度值產生波動.

2.4 拉伸力學性能

表3為不同主軸轉速下合金焊接接頭的拉伸性能測試結果,從拉伸斷裂區域可以看出基本都從熱機影響區和焊核區界面處開始產生微裂紋.由于熱機影響區與焊核區塑性體之間的速度梯度相差較大,導致組織形貌相差較大,熱機影響區所受溫度和機械力與焊核區相比較小,所以只有部分晶粒發生再結晶,大部分晶粒被拉長且缺乏平滑過渡,2個區域具有明顯的分界線,殘余應力較大,導致抗拉強度降低,同時,在此區域存在的孔洞缺陷造成力學性能薄弱,證實了在此處硬度值的下降,所以易在此區域斷裂.而前進側硬度圖可以看出轉速為1 000 r·min-1時,硬度值高于另外2個轉速下的硬度值,這和抗拉強度在此轉速下較高相符合.

表3 不同試樣的抗拉強度Table 3 Tensile strength of specimens

通過拉伸試驗測得2 mm厚2A12鋁合金焊后的力學拉伸性能,母材的抗拉強度最高,為439.5 MPa.實驗表明,與母材相比焊接接頭的各項力學參數均有所下降.在一定范圍內,當焊接速度為200 mm·min-1時,焊接接頭隨主軸轉速的增加抗拉強度表現為增加的趨勢,當轉速為1 000 r·min-1時,試件的抗拉強度最大,達到415 MPa.

3 結 論

1) 通過觀察焊縫的宏觀和微觀組織,發現TMAZ很窄且發生明顯的扭曲變形,方向和焊接方向相切.隨著主軸轉速的增加,TMAZ組織被拉長,分布更均勻,彎曲變形嚴重,HAZ中組織會粗化.

2) 隨著主軸轉速的增加,焊核區硬度增加,在1 000 r·min-1時硬度值接近142 HV1/10;熱輸入量增多,在熱影響區中循環熱較高,組織會粗化,以致硬度值相對降低.

3) 拉伸斷裂位置位于前進側的NZ和TMAZ間的界面.隨著主軸轉速的增加,抗拉強度表現為增加的趨勢.當轉速為1 000 r·min-1時,試件的抗拉強度為415 MPa.

4) 綜合微觀組織及力學性能可得,當n/v值為4～5時, 其焊縫性能良好.