7005-T6鋁合金攪拌摩擦焊焊接工藝與接頭組織性能研究

齊芃芃，殷占隆，田春雨，徐伍剛，葉樹茂，陳 利

（遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼陽111003）

0 前言

7×××系高強鋁合金因其具有高比強度、比剛度和高輕度的特性在航空工業(yè)、汽車工業(yè)及城市軌道交通等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價值[1]。此類鋁合金通常采用MIG、TIG 等傳統(tǒng)熔化焊技術(shù)進(jìn)行焊接，焊后容易出現(xiàn)氣孔，殘余應(yīng)力較大，抗沖擊與腐蝕性能較差，同時伴有焊接裂紋等問題[2-3]。攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding，F(xiàn)SW）是一種新型的固相連接技術(shù)，最初應(yīng)用于鋁合金[4]。與傳統(tǒng)的熔化焊相比，F(xiàn)SW 接頭具有晶粒細(xì)小以及疲勞性能、拉伸性能良好等優(yōu)點。此外，該接頭不會產(chǎn)生裂紋、氣孔及合金元素?zé)龘p等焊接缺陷，可以較好地解決鋁合金熔化焊的難點[5]。鑒于有關(guān)7005-T6高強鋁合金攪拌摩擦焊方面的研究甚少，本文對8 mm 7005-T6 高強鋁合金攪拌摩擦焊工藝進(jìn)行了研究，分析不同焊接工藝參數(shù)對接頭組織性能的影響，為相關(guān)技術(shù)工程提供理論依據(jù)。

1 試驗材料與方法

試驗用材料為7005-T6鋁合金，其化學(xué)成分及力學(xué)性能見表1，焊接試板尺寸為500 mm×150 mm×8 mm。焊接形式為對接，焊接方向平行于擠壓方向，采用機械方法清理表面氧化膜及油污。攪拌摩擦焊工藝參數(shù)見表2。在垂直于焊接方向截取金相試樣，經(jīng)砂紙打磨和機械拋光后，用10%NaOH水溶液試劑腐蝕。

使用蔡司光學(xué)顯微鏡觀察接頭組織形貌，使用島AG-X100KNH 型電子萬能試驗機對母材和焊接試樣進(jìn)行拉伸試驗，每組測試2個試樣，取其平均值作為試驗結(jié)果。使用FV-810 型維氏顯微硬度計進(jìn)行硬度測試，位置為壁厚二分之一處水平方向，測試點間距為1 mm。

表1 7005鋁合金化學(xué)成分及力學(xué)性能

表2 焊接工藝參數(shù)

2 結(jié)果與討論

2.1 拉伸性能

在上述工藝參數(shù)下得到的7005-T6焊縫形貌及力學(xué)性能分別見圖1 和表3。從表中可以看出，當(dāng)攪拌針旋轉(zhuǎn)速度固定在800 r/min、焊接速度在200～350 mm/min 時，接頭的抗拉強度先減小后增大；當(dāng)焊接速度為350 mm/min 時，接頭的抗拉強度最高。當(dāng)焊接速度較低時，攪拌摩擦作用增強，產(chǎn)熱功率較大，焊接熱輸入線能量增大，攪拌頭使金屬產(chǎn)生充分的塑性流動，焊縫金屬表面成形良好（見圖1（a））；當(dāng)焊接速度增加到250、300 mm/min時，焊接熱輸入變小，焊接溫度降低，焊接過程中塑性變形產(chǎn)生的“熱效應(yīng)”不足以使焊縫金屬充分流動，從而使焊縫的力學(xué)性能降低，焊縫表面形貌如圖1（b）、（c）所示。當(dāng)焊接速度為350 mm/min時，攪拌頭摩擦產(chǎn)熱進(jìn)一步降低，焊接溫度也隨之進(jìn)一步降低，但是隨著焊接速度的增加塑性變形產(chǎn)生的熱量增高，焊縫表面如圖1（d）所示。圖2是不同焊接速度下的抗拉強度變化曲線，從中可以看到隨著焊接速度的增加力學(xué)性能出現(xiàn)先下降后增大的現(xiàn)象。

圖1 不同焊接速度下的焊縫表面形貌

表3 不同焊接參數(shù)下的力學(xué)性能

圖2 不同焊接速度下的抗拉強度曲線

圖3 不同焊速下的試件彎曲圖

2.2 彎曲性能

根據(jù)GB/5173對不同攪拌頭轉(zhuǎn)速和焊接速度下的攪拌摩擦焊接頭進(jìn)行背部彎曲試驗，彎曲直徑為34 mm，彎曲角度為150°，其結(jié)果如圖3所示。由圖3 可知，在焊速不同、攪拌頭轉(zhuǎn)速固定的條件下，焊接接頭除了存在一個正彎不合格外其它的均都表現(xiàn)出了良好的彎曲性能。這是因為攪拌摩擦焊過程中的熱輸入量相對傳統(tǒng)弧焊較低，焊核是在動態(tài)再結(jié)晶條件下形成的，焊核晶粒多為幾個微米尺寸的等軸晶。在此參數(shù)范圍內(nèi)，雖然攪拌摩擦焊接頭的表面形貌和金相組織有所差異，但焊縫內(nèi)部都無缺陷產(chǎn)生，故而表現(xiàn)出了良好的彎曲性能。

圖4 不同焊接速度下焊縫的宏觀形貌

2.3 焊接接頭的顯微組織

2.3.1 接頭宏觀組織

不同焊接速度下焊接接頭的宏觀形貌如圖4所示。焊縫區(qū)呈上大下小的“盆”狀形貌，在旋轉(zhuǎn)速度為800 r/min、焊接速度為200～350 mm/min 的焊接條件下均可獲得致密無缺陷的焊縫，表明板材之間形成了穩(wěn)固的連接[6]。

圖5 焊接速度200 mm/min的接頭各區(qū)域的微觀組織

圖6 焊接速度250 mm/min的接頭各區(qū)域的微觀組織

圖7 焊接速度300 mm/min的接頭各區(qū)域的微觀組織

2.3.2 接頭微觀組織

在攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為800 r/min、焊接速度為200、250、300、350 mm/min 的焊接參數(shù)下獲得的接頭各區(qū)域微觀組織如圖5～圖8所示。可以看出母材經(jīng)擠壓后晶粒大小各異，大晶粒平均尺寸大約為25 μm，小晶粒平均尺寸約為8 μm；熱影響區(qū)的微觀組織只受熱循環(huán)影響，晶粒并未變形，只是尺寸略微有所長大。從熱機影響區(qū)的微觀組織可以看到，該區(qū)域同時受到機械力和熱循環(huán)作用，晶粒被拉長，發(fā)生明顯的變形，其晶粒尺寸大于焊核區(qū)晶粒。焊核區(qū)的微觀組織受到攪拌頭強烈的攪拌作用，發(fā)生了嚴(yán)重的塑性變形，加上摩擦產(chǎn)生的熱量使材料達(dá)到再結(jié)晶的條件，從而發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶，形成細(xì)小等軸晶粒[7]，其尺寸遠(yuǎn)小于母材的，約為4.8～15μm。從不同焊接速度下焊接接頭各區(qū)域的微觀組織中可以看到，隨著焊接速度增加，焊核區(qū)的晶粒越來越細(xì)小。這是由于當(dāng)攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度一定時，焊縫峰值溫度隨著焊接速度的減小而增大，焊接速度越高，焊縫溫度越低，且在高溫停留時間越短，使得再結(jié)晶晶粒不易長大和粗化[8]。

圖8 焊接速度350mm/min的接頭各區(qū)域的微觀組織

2.4 顯微硬度

取焊接速度為200、250、300、350 mm/min 的2個試樣進(jìn)行硬度測試，測得的接頭顯微硬度分布曲線如圖9所示。硬度曲線大體呈“W”型，母材的硬度最高，約為123～127.6 HV；攪拌區(qū)硬度值普遍略高于熱影響區(qū)，熱影響區(qū)受到焊接熱循環(huán)作用，使得細(xì)小彌散分布的強化相發(fā)生聚集長大，材料產(chǎn)生了過時效，導(dǎo)致顯微硬度較低；而焊核區(qū)因出現(xiàn)細(xì)小的等軸晶，所以硬度高于熱影響區(qū)[9]。當(dāng)焊接速度為200、350 mm/min 時，后退側(cè)的硬度比前進(jìn)側(cè)的硬度高，焊接速度為250、300 mm/min時，前進(jìn)側(cè)的硬度比后退側(cè)的硬度高。隨著焊接速度的增加，焊縫的硬度分布差異較大，其焊接熱影響區(qū)軟化區(qū)的寬度明顯小于低焊速焊接。這是因為高速焊接的熱輸入相對較小，母材受到的熱循環(huán)時間較短，軟化程度較低，其相應(yīng)的力學(xué)性能更高[10]。

圖9 不同焊速下接頭的顯微硬度分布

3 結(jié)論

（1）當(dāng)攪拌針旋轉(zhuǎn)速度固定在800 r/min、焊接速度在200～350 m/mmin 時，7005鋁合金攪拌摩擦焊接頭的抗拉強度先減小后增大，焊速為350 mm/min時的抗拉強度最高。

（2）由于焊核區(qū)域發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶，形成細(xì)小的等軸晶粒，其尺寸遠(yuǎn)小于母材，約為4.8～15 μm。焊核區(qū)晶粒組織隨著焊接速度增加而晶粒越來越細(xì)小。

（3）焊接速度為200～350 mm/min 時，焊接接頭硬度曲線大體呈“W”型。當(dāng)焊接速度為200、350 mm/min 時，前進(jìn)側(cè)的硬度比前進(jìn)側(cè)的硬度高，焊速為250、300 mm/min 時，前進(jìn)側(cè)的硬度比后退側(cè)的硬度高。隨著焊接速度的增加，焊縫的硬度分布差異較大，其焊接熱影響區(qū)軟化區(qū)的寬度明顯小于低焊速焊接。