超聲輔助對2524鋁合金攪拌摩擦點焊組織與性能影響研究①

胡一杰，孫有平，周思鵬，何江美，楊春洋

（廣西科技大學 機械與交通工程學院，廣西 柳州 545006）

隨著裝備輕量化要求不斷提高，人們對先進焊接技術的需求也不斷提高［1］。攪拌摩擦點焊（Friction Stir Spot Welding，FSSW）作為一種固相連接方法，在焊接過程中焊件組織不會發生熔化，被認為是一種能夠取代傳統連接方法的新型焊接技術［2－3］。以FSSW為基礎，通過外加能量場進行輔助焊接的方法，是當前研究熱點［4－5］。

超聲波已經在焊接、加工、金屬凝固等領域取得廣泛應用［6］。超聲輔助攪拌摩擦點焊（Ultrasonic Assisted Friction Stir Spot Welding，UAFSSW），是在FSSW過程中通過超聲發生裝置將超聲振動導入待焊工件，通過超聲振動引起的界面摩擦效應、聲塑性效應、空化效應達到優化焊接過程、提高接頭性能的目的［6－14］。目前，國內外學者對UAFSSW的研究較少，因此，本文針對超聲振動對2524鋁合金FSSW組織與力學性能的影響展開研究。

1 實 驗

實驗材料為大應變軋制技術制備的2 mm厚2524鋁合金板材，其抗拉強度為430 MPa，伸長率為12.3%；板材實際成分如表1所示。圖1為板材三維金相組織照片，可見沿軋制方向呈現明顯的板條狀組織形態。

表1 2524鋁合金化學成分（質量分數）／%

圖1 2524鋁合金母材三維金相組織

圖2 為攪拌頭結構。其中軸肩具有雙同心圓環結構，直徑10 mm，在焊接過程中可以起到增強軸肩攪拌效果、減少飛邊、降低上搭接板剪薄的作用。攪拌針為圓錐形，長度3 mm，小端直徑3 mm，右旋螺紋，焊接時，攪拌頭沿逆時針方向旋轉，驅動材料以向下擠壓的方式進行焊接。

圖2 攪拌頭結構

表2為本次實驗選用的FSSW工藝參數。通過前期大量工藝探究工作，發現在該工藝下能夠獲得較好的接頭性能［15］。軋制板材用電火花切割機取60 mm（RD）×20 mm（TD）×2 mm（ND）作為焊接試樣，焊前用鋼絲刷對待焊板材表面進行打磨，去除板材表面氧化膜，再用丙酮清洗以去除表面油污，風干后立即進行焊接。接頭為搭接結構，搭接面積為25 mm×20 mm，每組實驗焊接5個試樣，其中3個用于剪切拉伸實驗，1個用于金相組織分析，1個用于硬度測試。超聲發生設備結構包括發生器、換能器和變幅桿，超聲功率2 kW，振幅20 kHz，焊接開始時啟動超聲發生設備，在焊件上板表面導入超聲振動，焊接完成的同時停止。

表2 FSSW工藝參數

焊接實驗在JK?5型多功能焊接機上進行；拉伸實驗使用ETM105D型電子萬能試驗機；使用電火花切割機沿RD方向的焊點中心位置對試樣進行切割制備金相試樣，對切割截面進行打磨和拋光后使用混合酸水溶液（2 mL HF＋3 mL HCL＋5 mL HNO3＋190 mL H2O）進行浸蝕，采用Leica DMI3000M型顯微鏡觀察焊接接頭顯微組織；使用HVS－1000 Z型顯微硬度計測試焊接接頭硬度分布規律，加載載荷為9.8 N，加載時間為10 s，顯微硬度采集方法為：RD方向焊點截面上，平行于上板上表面1 mm位置，每間隔0.5 mm進行硬度采點；采用SIGMA場發射掃描電鏡觀察拉伸斷口形貌。

2 實驗結果與討論

2.1 超聲輔助對焊接接頭組織的影響

表3為剪切拉伸后接頭的宏觀斷口形貌。由表3可以看出，在剪切拉伸作用下，部分焊點和上表面被撕裂，焊接接頭均呈現拉剪混合的斷裂模式［15］，2種焊接方式沒有明顯差別。

表3 拉伸斷口的宏觀形貌

焊后接頭截面宏觀組織形貌及有效連接寬度見圖3。由于從勾型缺陷末端到匙孔邊緣區域的寬度反應了接頭焊后上下板的連接程度，為了對其進行定量分析，測量了有效連接寬度值。由圖可知，UAFSSW工藝下有效連接寬度2 399μm，而FSSW工藝下有效連接寬度為1 763μm，前者比后者增幅達36%，與此同時，勾型缺陷及熱機影響區的畸變程度減小，這表明超聲輔助焊接可以提高接頭有效連接寬度，降低熱機影響區組織的畸變程度。原因在于焊接過程中，因待焊板材吸收超聲能量，而引發界面摩擦效應，使組織溫度升高，同時位錯吸收超聲波能量后，運動所需能量閾值降低，這都造成組織流變抗力降低，使得組織塑性變形能力提高［7］，在受攪拌作用后，更多的焊材能夠發生混合，所以UAFSSW工藝下焊核區面積較大。另外，超聲波的沖擊效應會打亂原有組織的位錯分布，引起殘余應力的再分配，從而起到改善組織應力水平、降低殘余應力、提升組織均勻性的作用［6，16］。

圖3 焊后接頭截面組織形貌及有效連接寬度

圖4展示了2種不同焊接方法下接頭各區域顯微組織形態。從圖中可以看出接頭主要包括母材區4（a）、熱影響區4（b）、熱機影響區4（c）和4（d）、焊核區，其中焊核區根據受到攪拌作用不同可分為軸肩影響區4（e）和4（g）、攪拌針影響區4（f）和4（h），以上部分顯微組織分布大致如圖3（b）所示。通過觀察4（a）、4（b）顯微組織形貌可以發現，在同等浸蝕條件下，熱影響區腐蝕程度較高，因為該區域在焊接高溫作用下，組織發生粗化，第二相粒子長大，耐腐蝕能力下降。

圖4 接頭顯微組織

熱機影響區4（c）和4（d），在焊接過程中，受到攪拌作用引起的形變強化影響，而焊接熱是通過時效作用影響該區域［17］。其中，遠離焊核區的4（c），焊接時該區域內受較低的擠壓和較高的熱循環作用，組織畸變程度低，在較高的熱循環作用下第二相粒子發生粗化，組織發生回復，強度下降［18］。靠近焊核區4（d），該區域在強烈的攪拌和焊接熱作用下，組織變形程度大，晶粒從沿水平方向分布遷移至豎直方向分布，部分區域被打碎，發生不完全動態再結晶，存在變形亞晶，導致該區域畸變增多，缺陷增加，晶內存儲大量能量，一定程度上提高了該區域的強度，同時由于該區域溫度較高，第二相粒子大多回溶鋁基體中［18］。

軸肩影響區4（e）在焊接過程中主要受軸肩的攪拌作用；攪拌針影響區4（f）在焊接過程中受攪拌針的影響較強。兩區域在焊接過程中直接受到攪拌頭的影響，組織均發生劇烈的塑性變形，在熱機作用下均發生完全動態再結晶，且兩區域內晶粒尺寸差別不大。對比發現，FSSW軸肩影響區內晶粒較為粗大，因為在焊接過程中軸肩的焊接熱輸入高于攪拌針，引起該區域組織吸熱長大程度高于攪拌針影響區。另外，對比還可以發現，施加超聲振動后4（e）、4（f）兩區域內的動態再結晶晶粒得到明顯細化，表明超聲輔助焊接能夠起到細化焊核區動態再結晶組織的作用，同時超聲波能量的輸入對于緩解軸肩影響區由于過熱引起的組織長大有一定效果。

圖5為接頭拉伸斷口的SEM圖。2種焊接方法下，斷口均存在大量韌窩，韌窩底部都有許多第二相粒子，說明接頭均為韌性斷裂。同時，2種焊接工藝下斷口都存在橢圓形等軸韌窩和拋物線形剪切韌窩，說明在拉伸過程中，接頭同時承受了正應力和剪切應力作用，與表3中的宏觀斷裂特征一致。相比于FSSW法，UAFSSW法的韌窩尺寸更小、分布更均勻、深度更大，韌窩底部第二相粒子更細小。由于韌窩形態反映接頭的組織狀態，可以表明，施加超聲振動后，接頭晶粒得到細化，第二相粒子更細小，且分布彌散，組織也更均勻。

圖5 焊接接頭斷口SEM形貌

2.2 超聲輔助對接頭性能的影響

圖6為接頭顯微硬度分布曲線。從焊核區到母材區，接頭顯微硬度均呈現先減小后增大的趨勢，由于焊核區內發生動態再結晶，組織細化，所以硬度較高；靠近焊核區的熱機影響區內，發生不完全動態再結晶，存在變形強化，但第二相粒子在高溫下有回溶鋁基體的傾向，顯微硬度稍有下降；遠離焊核區的熱機影響區內組織變形程度低，形變強化作用弱，且在高溫下發生回復，接頭強度繼續呈現降低的趨勢；熱影響區內組織僅受焊接高溫作用，組織粗化程度最大，強度下降明顯，所以顯微硬度水平最低；遠離焊點中心區域，受焊接熱影響逐漸降低，顯微硬度逐漸回升［19］。另外，在焊核區內，UAFSSW顯微硬度稍大于FSSW，但增加幅度不大，說明超聲振動的引入對該區域微觀組織狀態有所改善，但影響程度較低。

圖6 接頭顯微硬度分布曲線

圖7 展示了接頭最大剪切載荷圖。UAFSSW時接頭最大剪切載荷達5 267 N，相比于FSSW最大剪切載荷4 246 N，提升約24%，說明超聲輔助對于提高接頭強度有很大作用。

圖7 接頭最大剪切載荷

結合以上分析可知，由于UAFSSW時焊核區內顯微硬度僅有小幅度提升，而有效連接寬度增加明顯，施加超聲主要通過提高有效連接寬度、提升接頭組織的均勻性、細化焊核區組織后引起的焊核區強度的小幅度提升，來實現提高接頭強度的目的。

3 結 論

1）施加超聲波后，接頭有效連接寬度由1 763 um提升至2 399 um，增幅達36%。熱機影響區畸變程度有所降低，焊核區晶粒顯著細化，焊核區內顯微硬度稍有提升。接頭剪切載荷從4 246 N提升至5 267 N，增幅達24%。

2）2種焊接方法下，接頭均為拉剪混合斷裂方式，其中UAFSSW接頭斷口韌窩更細小，第二相粒子顯著細化，呈現更彌散、均勻的分布。

3）引入超聲波可以有效提高焊接接頭性能，作用機理是：增加了接頭有效連接寬度、提高了組織均勻性、細化了焊核區組織。