0. 引言

在我國航空航天、汽車等領域節(jié)能減排的要求下,越來越多的鋁合金被廣泛使用在飛機的骨架零件、蒙皮以及各種車輛中。由于外部環(huán)境和承受載荷的差異,不同部件對鋁合金材料的性能要求各不相同。異種鋁合金焊接能夠最大限度地利用各種鋁合金的優(yōu)點,受到了人們的關注[1-3]。但是傳統(tǒng)的焊接方式,如釬焊、氬弧焊等會使接頭中產(chǎn)生氣孔、裂紋等缺陷,導致接頭的性能降低[4-5]。攪拌摩擦焊是一種新型固相連接技術,具有效率高、綠色無污染、不需要特殊氣體保護、成本低等優(yōu)點,同時可避免傳統(tǒng)焊接工藝帶來的缺陷問題,得到了廣泛應用[6-8]。

2017和2A12鋁合金常用于制造飛機蒙皮等機械零件[9-11],且經(jīng)常需對這2種鋁合金進行連接,但尚未見關于2017鋁合金/2A12鋁合金攪拌摩擦焊的研究?；诖?作者在不同焊接速度和主軸轉速下對5mm厚的2A12鋁合金板和2017鋁合金板進行攪拌摩擦焊接,研究了不同工藝參數(shù)下接頭的組織和力學性能,以期為異種高強鋁合金的焊接提供理論依據(jù)。

1. 試樣制備與試驗方法

試驗材料為江蘇日創(chuàng)鋁業(yè)科技有限公司提供的2A12-T4和2017-T6鋁合金軋制板,尺寸均為300mm×150mm×5mm,化學成分如表1所示。

將2A12-T4和2017-T6鋁合金長度方向側面用砂紙打磨光滑后,放在攪拌摩擦焊機的墊板上用夾具夾緊,使兩塊鋁合金板側面緊密接觸,采用FSW-LM-BM16型數(shù)控攪拌摩擦焊機器進行對接試驗,攪拌頭材料為H13鋼,軸肩直徑為20mm,攪拌針為M5錐形螺紋針,長度為5mm。焊接時將2A12鋁合金置于后退側（RS）,2017鋁合金置于前進側（AS）,根據(jù)文獻[12-14],選用鋁合金常用的攪拌摩擦焊工藝參數(shù),即焊接速度80,100,120mm·min−1,主軸轉速750,1000,1250r·min−1,壓下量0.3mm,攪拌頭傾斜角2.5°。

在接頭上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,用由體積比1∶1.5∶2.5∶95的HF、HCl、HNO3、H2O組成的Keller試劑腐蝕,依次用清水、乙醇沖洗,吹干,采用Primotech型光學顯微鏡觀察接頭的顯微組織；采用Image J軟件利用畫線法測焊核區(qū)晶粒尺寸。采用HVS-1000A型維氏硬度計測接頭橫截面的硬度分布曲線,以焊縫中心向母材兩側進行測試,測試間距為1mm,試驗載荷為1.9N,保載時間為10s。按照GB/T 228.1—2021,在接頭上以焊縫為中心垂直于焊接方向以及在母材上截取如圖1所示的拉伸試樣,采用CMT-5105型萬能拉伸試驗機進行室溫拉伸試驗,拉伸速度為2mm·min−1,拉伸方向垂直于焊接方向,相同條件下進行3次試驗,取試驗結果的平均值。采用Sigma500型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察拉伸斷口形貌。

圖 1拉伸試樣的尺寸

Figure 1.Size of tensile specimen

2. 試驗結果與討論

2.1 宏觀形貌

不同焊接速度和主軸轉速下接頭截面宏觀形貌相似,均未見明顯宏觀缺陷,焊接質量良好,以1000r·min−1主軸轉速下的接頭宏觀形貌為例進行展示。由圖2可知：接頭均由焊核區(qū)（NZ）、熱機影響區(qū)（TMAZ）、熱影響區(qū)（HAZ）和母材（BM）組成,焊縫區(qū)域整體呈“洋蔥”狀；隨著焊接速度的增加,熱機影響區(qū)和熱影響區(qū)的范圍增大。

圖 21000r·min−1主軸轉速、不同焊接速度下接頭的宏觀形貌

Figure 2.Macromorphology of joint under spindle speed of 1000r·min−1and different welding speeds

2.2 顯微組織

由圖3和圖4可以看出,在不同的焊接速度和主軸轉速下,焊核區(qū)中2017鋁合金（組織顏色較淺）和2A12鋁合金（組織顏色較深）組織交替分布。在焊核區(qū)內,2A12鋁合金的晶粒尺寸比2017鋁合金小,這是由于2A12鋁合金含有的合金元素較少,對動態(tài)再結晶的阻礙較弱,晶粒更容易發(fā)生動態(tài)再結晶,因此晶粒更加細小[15]。后退側熱機影響區(qū)和焊核區(qū)交界處晶粒的尺寸差異較大,焊核區(qū)為細小的等軸晶,而熱機影響區(qū)為大量粗大且不規(guī)則的變形晶粒和少量回復再結晶晶粒,熱影響區(qū)為更加粗大且較規(guī)則的變形晶粒。熱機影響區(qū)的2A12鋁合金和2017鋁合金受到攪拌針和軸肩的雙重影響,2種鋁合金發(fā)生了一定的塑性流動,混合得更加充分,同時熱機影響區(qū)的熱量輸入低于焊核區(qū),晶粒未能發(fā)生動態(tài)再結晶,其尺寸比焊核區(qū)大。母材區(qū)因未受到攪拌和熱影響,其晶粒仍為軋制態(tài)晶粒。2017和2A12鋁合金母材均為粗大的板條狀組織,通過攪拌摩擦焊后焊核區(qū)的晶粒明顯細化,且隨著焊接速度或主軸轉速的增大,晶粒長大。隨著主軸轉速或焊接速度的增加,焊核區(qū)2種鋁合金的混合程度先升后降,后退側熱機影響區(qū)和熱影響區(qū)的范圍增大。由圖5可以看出：焊核區(qū)2017鋁合金的晶粒尺寸小于2A12鋁合金；隨著焊接速度或主軸轉速的增加,焊核區(qū)2種鋁合金的晶粒尺寸均增大。

圖 3不同主軸轉速下接頭不同區(qū)域的顯微組織(焊接速度100mm·min−1)

Figure 3.Microstructures of different regions of joints under different spindle speeds (welding speed of 100mm·min−1)：(a–c) nugget zone; (d–f) thermo-mechanically affected zone on RS; (g–i) heat affected zone on RS and (j–l) 2A12 aluminum alloy base metal

圖 4不同焊接速度下接頭不同區(qū)域的顯微組織(主軸轉速1000r·min−1)

Figure 4.Microstructures of different regions of joints under different welding speeds (spindle speed of 1000r·min−1)：(a–c) nugget zone; (d–f) thermo-mechanically affected zone on RS; (g–i) heat affected zone on RS and (i–l) 2A12 aluminum alloy base metal

圖 5接頭焊核區(qū)內2A12鋁合金和2017鋁合金的晶粒尺寸隨焊接速度和主軸轉速的變化曲線

Figure 5.Grain size vs welding speed (a) and vs spindle speed (b) curves of 2A12 and 2017 aluminum alloys in nugget zone of joints

2.3 力學性能

由圖6可知：2017鋁合金和2A12鋁合金母材的平均硬度分別為127,150HV；接頭的截面硬度整體呈“W”形分布,從母材到兩側熱影響區(qū)硬度降低,從熱影響區(qū)至焊核區(qū)硬度增大。這主要是因為從焊核區(qū)至熱影響區(qū),晶粒尺寸逐漸增大,導致硬度下降。焊核區(qū)中2017和2A12鋁合金呈現(xiàn)出周期性層狀分布,所以焊核區(qū)的硬度表現(xiàn)出上下波動的特征。接頭的最低硬度均出現(xiàn)在2017鋁合金側的熱影響區(qū)。隨著焊接速度或主軸轉速的增加,接頭各區(qū)域的硬度變化基本一致,最低硬度區(qū)的位置相差不大。

圖 6不同工藝參數(shù)下接頭的截面硬度分布曲線

Figure 6.Section hardness distribution curves of joints under different process parameters

2017鋁合金的抗拉強度為517MPa,斷后伸長率為20.55%；2A12鋁合金的抗拉強度為572MPa,斷后伸長率為14.70%。由表2可以看出,不同工藝參數(shù)下接頭的斷裂位置均位于2017鋁合金側的熱影響區(qū),與最低硬度區(qū)域的位置相吻合,焊接速度和主軸轉速的改變并未改變接頭斷裂的位置。當主軸轉速為750,1250r·min−1時,不同焊接速度下接頭的抗拉強度分別約為390MPa和350MPa。當主軸轉速為1000r·min−1時,不同焊接速度下接頭的抗拉強度均大于390MPa,而100mm·min−1焊接速度下抗拉強度最高,為2017鋁合金母材的80%,斷后伸長率最大。由圖7可以看出,1000r·min−1主軸轉速和100min·min−1焊接速度下接頭斷口和2017鋁合金母材斷口均存在大量韌窩,說明二者的塑性較好,均發(fā)生韌性斷裂,但是接頭斷口的韌窩數(shù)量、大小和深度均低于2017鋁合金母材,說明接頭的拉伸性能比2017鋁合金母材差。

圖 71000r·min−1主軸轉速和100min·min−1焊接速度下接頭拉伸斷口以及2017鋁合金母材拉伸斷口的SEM形貌

3. 結論

（1）不同焊接速度和主軸轉速下2017鋁合金/2A12鋁合金攪拌摩擦焊接頭均未見明顯宏觀缺陷,焊接質量良好,接頭均由焊核區(qū)、熱機影響區(qū)、熱影響區(qū)和母材組成。焊核區(qū)中2017鋁合金和2A12鋁合金組織交替分布,晶粒均為細小等軸晶,2A12鋁合金側（后退側）熱機影響區(qū)為大量粗大且不規(guī)則的變形晶粒和少量回復再結晶晶粒,熱影響區(qū)為更加粗大且較規(guī)則的變形晶粒。焊核區(qū)2017鋁合金的晶粒尺寸小于2A12鋁合金,且隨著焊接速度或主軸轉速的增加,2種鋁合金的晶粒尺寸均增大。

（2）不同工藝參數(shù)下接頭的截面硬度整體呈“W”形分布,最低硬度區(qū)均位于2017鋁合金側（前進側）的熱影響區(qū)。

（3）不同工藝參數(shù)焊接接頭的拉伸斷裂位置均位于2017鋁合金側的熱影響區(qū)。當主軸轉速為750,1250r·min−1時,不同焊接速度下接頭的抗拉強度分別約為390,350MPa,而當主軸轉速為1000r·min−1時,抗拉強度均大于390MPa。當主軸轉速為1000r·min−1,焊接速度為100mm·min−1時,接頭的抗拉強度最高,為2017鋁合金母材的80%,斷后伸長率最大,接頭的斷裂類型為韌性斷裂。

文章來源——材料與測試網(wǎng)