2A14鋁合金攪拌摩擦焊接工藝研究*

趙 源，戈軍委，張書權，張 偉，符書豪，王 超，楊 炫

(貴州航天天馬機電科技有限公司，貴州 遵義 563000)

0 引言

隨著探索太空的步伐不斷加快，航天輕質材料的需求量不斷增加，鋁合金以質輕、耐腐蝕性和比強度高等優點，目前已被廣泛應用于航空航天等領域。攪拌摩擦焊(Friction Stir Welding，FSW)技術是英國焊接研究所于1991年發明的一種新型焊接方法，自該技術發明以來，得到了全世界工業界的廣泛關注[1]。與常規熔化焊接方法不同，FSW利用一種帶有軸肩和攪拌針的攪拌工具，通過高速旋轉產生的摩擦熱和旋轉摩擦力，使焊縫區摩擦加熱而發生塑性連接，是一種先進的固態連接技術，在整個焊接過程中，焊接溫度不超過母材的熔點，母材不發生熔化，這也是攪拌摩擦焊接接頭中一般不產生氣孔、裂紋等缺陷的關鍵[2-3]。

FSW焊接工藝參數包括主軸轉速、焊接速度、主軸傾角、下壓量、攪拌頭軸肩壓力和攪拌針長度等，其中主軸轉速與焊接速度是FSW過程中最為重要的工藝參數，其比值直接表征了焊接過程中熱輸入量的大小，比值越高，熱輸入量越大，反之熱輸入量越小[4-5]。焊縫溫度過高，部分金屬處于熔融狀態，焊縫溫度過低，焊接區金屬不能達到熱塑性狀態，不足以形成塑性流動層，無法形成閉合的焊縫，會有溝槽缺陷產生[6]。只有控制好焊接過程中的熱輸入量大小，才能保證焊縫溫度達到母材塑性流動狀態的溫度需求，且母材不發生熔化，焊出優質接頭。

攪拌摩擦焊能夠實現鋁合金、鎂合金、鋼以及異種金屬等的焊接，在航空航天飛行器、高速艦船快艇、高速軌道列車等方面已有較多應用并已產生顯著的經濟效益[7]。研究表明，在攪拌摩擦焊接過程中，攪拌頭周圍材料在高溫作用下軟化呈現黏流態，隨攪拌頭流動至攪拌頭后方，填充后方空隙，以此形成完整焊接[8]。2A14鋁合金是一種鋁銅系高強鋁合金，具有高比強度、高韌性以及良好的低溫性能，廣泛應用于航空航天飛行器貯箱的制造，國內外已將其確定為新一代航天結構材料而加以重點研究[9-10]。

1 試驗方法

本實驗使用的材料為2A14鋁合金，板材尺寸規格為310 mm×240 mm×6 mm，其化學成分含量如表1所示[11]。

表1 2A14鋁合金化學成分

采用貴州航天天馬機電科技有限公司自主研發的三維并聯大型攪拌摩擦焊接設備以及攪拌工具進行2A14鋁合金焊接試驗。焊接示意圖如圖1所示。焊接前先對試板表面進行清洗，去除接縫附近油污，采用高強剛性墊板及夾具對試板進行裝夾固定。焊接時攪拌針伸入工件接縫處，在攪拌針的高速旋轉作用下，工件與攪拌頭軸肩產生摩擦熱，使焊接位置的材料軟化發生塑性流動，最終冷卻形成可靠連接的焊縫[12]。

為摸索最佳的2A14鋁合金攪拌摩擦焊接工藝參數，選擇合適范圍內不同主軸轉速和焊接速度進行正交試驗，主軸轉速分別選擇600 r/min、800 r/min、1000 r/min，焊接速度分別選擇100 mm/min、200 mm/min、300 mm/min，主軸傾角為2.5°，攪拌頭采用攪拌針為錐形帶螺紋的結構，攪拌針長度為6 mm。正交試驗參數見表2所示。

表2 攪拌摩擦焊焊接參數

本試驗使用9組焊接參數對試板進行焊接，并對試板進行了雙面著色滲透檢測、X光射線檢測、超聲相控陣檢測、常溫低溫力學性能測試以及金相微觀組織分析。

試板采用電火花線切割垂直于焊接方向切取拉伸試樣及金相試樣，試樣取樣位置如圖2所示。

著色采用雙面著色滲透檢測。X光射線檢測實驗采用小焦點射線源為美國GE公司的ISOVOLT 320 M2 hp，采用PekinElmer公司的XRD0822非晶硅型平板探測器。超聲相控陣檢測儀器型號為多浦樂ROBUST。常溫拉伸試驗采用電子控制式萬能試驗機MTS-E45，低溫拉伸試驗采用電子控制式萬能試驗機Instron 5982。試樣拉伸前在試樣平行段上每隔10 mm做標記點，用于測量拉伸前后的延伸率，設置試樣的拉伸速度為0.5 mm/min。低溫拉伸試驗時試樣保持浸泡在液氮中，確保整個拉伸試驗過程在低溫中進行。在每個焊接參數下，取3個試樣進行常溫力學拉伸測試，取2個試樣進行低溫力學拉伸測試。

金相試樣采用粒度為200#、400#、800#、1200#、2000#砂紙研磨、拋光。采用Al2O3拋光粉對試樣進行拋光，直至試樣呈現鏡面效果。采用酒精沖洗拋光試樣，再用吹風機吹干備用，再采用Keller試劑(95 mL H2O+2.5 mL HNO3+1.5 mL HCl+1 mL HF)刻蝕20 s后再清洗，然后用酒精清洗并風干，最后用型號為MR500型倒置金相顯微鏡觀察其顯微組織。

2 試驗結果及分析

2.1 力學性能測試

通過對試樣進行常溫力學性能測試，常溫力學性能測試結果如表3所示。經本試驗所用設備對母材進行常溫下力學性能檢測，本試驗所用母材常溫下抗拉強度為424 MPa，延伸率為18.64%。

表3 常溫力學性能

通過分析試樣常溫力學性能數據可知，主軸轉速分別為800 r/min和1000 r/min時，隨著焊接速度的增加，接頭抗拉強度不斷降低。主軸轉速為800 r/min時，隨著焊接速度不斷增加，接頭延伸率不斷降低。焊接速度過高，塑性軟化材料填充攪拌針后方空腔的能力變弱，軟化材料填充空腔能力不足，導致接頭強度大幅度降低。從表3可以看出，焊接參數分別為600 r/min-200 mm/min、800 r/min-100 mm/min、1000 r/min-100 mm/min時常溫力學性能較好。

為摸索在常溫和低溫環境下均有較好力學性能的最佳焊接參數，我們選擇在常溫力學性能較好的三塊試板分別取樣做低溫力學性能測試，低溫力學性能測試結果如表4所示。經本試驗所用設備對母材進行低溫下力學性能檢測，本試驗所用母材低溫下抗拉強度為484 MPa，延伸率為16.50%。

表4 低溫力學性能

綜合分析焊接試板在常溫與低溫狀態下的力學性能可知，主軸轉速為600 r/min，焊接速度為200 mm/min時，低溫環境下的延伸率為6.5%，相對較低。主軸轉速為1000 r/min，焊接速度為100 mm/mi時，常溫環境下的延伸率為7.25%，相對較低。當主軸轉速為800 r/min，焊接速度為100 mm/min時，無論是在常溫還是在低溫環境下的抗拉強度、延伸率均相對較高，焊接接頭的綜合力學性能較好。

2.2 焊縫外貌及內部質量

采用主軸轉速為800 r/min，焊接速度為100 mm/min焊接的試板，焊縫表面光滑平整，弧形紋連續均勻，無宏觀裂紋、飛邊等缺陷，成形良好，最佳焊接參數下焊縫外觀成形如圖3(a)所示。

通過對試板進行X光射線無損檢測，在該焊接參數下焊縫內部無氣孔、未熔合、條形缺陷以及夾渣等缺陷，焊縫質量滿足QJ20043—2011 I級焊縫要求，焊縫X光射線底片如圖3(b)所示。

采用主軸轉速為800 r/min，焊接速度為100 mm/min焊接的試板，其超聲相控陣檢測成像如圖4所示。通過觀查超聲相控陣檢測成像圖可知，焊道回波明顯，未發現明顯缺陷回波，接頭內部無缺陷，接頭質量較好。

2.3 微觀組織

通過對主軸轉速為800 r/min，焊接速度為100 mm/min的焊接參數下焊接的試板進行微觀組織觀察，試板各區域光學顯微組織圖如圖5所示。

攪拌摩擦焊接接頭可分為焊核區、熱影響區、熱力影響區和母材區，由試板各區域光學顯微組織圖可看出，母材晶粒組織粗大，呈板條狀，明顯的軋制態2A14鋁合金，晶粒呈現沿著軋制方向的拉長形貌，均勻分布的顆粒狀析出相分布在晶粒內部和晶界上，分析認為是鋁合金中的Al2Cu強化相，如圖5(a)所示。

焊核區位于焊接接頭的中心，該區由于受到攪拌針強烈的攪拌作用，在經歷較高溫度的熱循環過程后，晶粒發生了動態再結晶，母材原始的板條狀組織轉變為細小的等軸晶組織，組織均勻，沒有明顯的方向性。如圖5(b)所示。前進側熱力影響區和熱影響區比后退側的更加清晰，如圖5(c)、圖5(d)、圖5(e)所示。說明該工藝參數下焊接熱輸入適當，攪拌區內的材料流動充分，2A14鋁合金攪拌摩擦焊焊核區的晶粒非常細小，平均尺寸約為10 μm，焊核區未發現隧道、孔洞和夾雜等影響接頭力學性能的缺陷產生。

3 結論

1)當主軸轉速一定時，焊接速度過高，塑性軟化材料填充攪拌針后方空腔的能力變弱，軟化材料填充空腔能力不足，會導致接頭強度降低。

2)采用攪拌摩擦焊接技術焊接6 mm厚的2A14鋁合金，可實現穩定連接，當主軸轉速為800 r/min，焊接速度為100 mm/min時，焊接接頭常溫抗拉強度為353 MPa，達到了母材強度的83.25%，低溫抗拉強度為421 MPa，達到了母材強度的86.98%。綜合拉伸性能較好。

3)當主軸轉速為800 r/min，焊接速度為100 mm/min時，焊縫表面光滑平整，弧形紋連續均勻，成形良好。焊縫微觀組織晶粒細小，組織均勻，無隧道、孔洞等缺陷。