分享：2017鋁合金/2A12鋁合金攪拌摩擦焊接頭的組織和性能

0.   引言

在我國(guó)航空航天、汽車等領(lǐng)域節(jié)能減排的要求下,越來(lái)越多的鋁合金被廣泛使用在飛機(jī)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(duì)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(diǎn),受到了人們的關(guān)注[1-3]。但是傳統(tǒng)的焊接方式,如釬焊、氬弧焊等會(huì)使接頭中產(chǎn)生氣孔、裂紋等缺陷,導(dǎo)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(shù),具有效率高、綠色無(wú)污染、不需要特殊氣體保護(hù)、成本低等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)可避免傳統(tǒng)焊接工藝帶來(lái)的缺陷問題,得到了廣泛應(yīng)用[6-8]。 

2017和2A12鋁合金常用于制造飛機(jī)蒙皮等機(jī)械零件[9-11],且經(jīng)常需對(duì)這2種鋁合金進(jìn)行連接,但尚未見關(guān)于2017鋁合金/2A12鋁合金攪拌摩擦焊的研究。基于此,作者在不同焊接速度和主軸轉(zhuǎn)速下對(duì)5 mm厚的2A12鋁合金板和2017鋁合金板進(jìn)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(xué)性能,以期為異種高強(qiáng)鋁合金的焊接提供理論依據(jù)。 

1.   試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)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300 mm×150 mm×5 mm,化學(xué)成分如表1所示。 

將2A12-T4和2017-T6鋁合金長(zhǎng)度方向側(cè)面用砂紙打磨光滑后,放在攪拌摩擦焊機(jī)的墊板上用夾具夾緊,使兩塊鋁合金板側(cè)面緊密接觸,采用FSW-LM-BM16型數(shù)控?cái)嚢枘Σ梁笝C(jī)器進(jìn)行對(duì)接試驗(yàn),攪拌頭材料為H13鋼,軸肩直徑為20 mm,攪拌針為M5錐形螺紋針,長(zhǎng)度為5 mm。焊接時(shí)將2A12鋁合金置于后退側(cè)（RS）,2017鋁合金置于前進(jìn)側(cè)（AS）,根據(jù)文獻(xiàn)[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80,100,120 mm·min−1,主軸轉(zhuǎn)速750,1 000,1 250 r·min−1,壓下量0.3 mm,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(jī)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(xué)顯微鏡觀察接頭的顯微組織；采用Image J軟件利用畫線法測(cè)焊核區(qū)晶粒尺寸。采用HVS-1000A型維氏硬度計(jì)測(cè)接頭橫截面的硬度分布曲線,以焊縫中心向母材兩側(cè)進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試間距為1 mm,試驗(yàn)載荷為1.9 N,保載時(shí)間為10 s。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(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn),拉伸速度為2 mm·min−1,拉伸方向垂直于焊接方向,相同條件下進(jìn)行3次試驗(yàn),取試驗(yàn)結(jié)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(yàn)結(jié)果與討論

2.1   宏觀形貌

不同焊接速度和主軸轉(zhuǎn)速下接頭截面宏觀形貌相似,均未見明顯宏觀缺陷,焊接質(zhì)量良好,以1 000 r·min−1主軸轉(zhuǎn)速下的接頭宏觀形貌為例進(jìn)行展示。由圖2可知：接頭均由焊核區(qū)（NZ）、熱機(jī)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(jī)影響區(qū)和熱影響區(qū)的范圍增大。 

圖  2  1 000 r·min−1主軸轉(zhuǎn)速、不同焊接速度下接頭的宏觀形貌

Figure  2.  Macromorphology of joint under spindle speed of 1 000 r·min−1 and 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(zhuǎn)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(nèi),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(duì)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的阻礙較弱,晶粒更容易發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,因此晶粒更加細(xì)小[15]。后退側(cè)熱機(jī)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(xì)小的等軸晶,而熱機(jī)影響區(qū)為大量粗大且不規(guī)則的變形晶粒和少量回復(fù)再結(jié)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(jī)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(dòng),混合得更加充分,同時(shí)熱機(jī)影響區(qū)的熱量輸入低于焊核區(qū),晶粒未能發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)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(guò)攪拌摩擦焊后焊核區(qū)的晶粒明顯細(xì)化,且隨著焊接速度或主軸轉(zhuǎn)速的增大,晶粒長(zhǎng)大。隨著主軸轉(zhuǎn)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(cè)熱機(jī)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速下接頭不同區(qū)域的顯微組織(焊接速度100 mm·min−1)

Figure  3.  Microstructures of different regions of joints under different spindle speeds (welding speed of 100 mm·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(zhuǎn)速1 000 r·min−1)

Figure  4.  Microstructures of different regions of joints under different welding speeds (spindle speed of 1 000 r·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(nèi)2A12鋁合金和2017鋁合金的晶粒尺寸隨焊接速度和主軸轉(zhuǎn)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(xué)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127,150 HV；接頭的截面硬度整體呈“W”形分布,從母材到兩側(cè)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?yàn)閺暮负藚^(qū)至熱影響區(qū),晶粒尺寸逐漸增大,導(dǎo)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(dòng)的特征。接頭的最低硬度均出現(xiàn)在2017鋁合金側(cè)的熱影響區(qū)。隨著焊接速度或主軸轉(zhuǎn)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(qiáng)度為517 MPa,斷后伸長(zhǎng)率為20.55%；2A12鋁合金的抗拉強(qiáng)度為572 MPa,斷后伸長(zhǎng)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(cè)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(zhuǎn)速的改變并未改變接頭斷裂的位置。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為750,1 250 r·min−1時(shí),不同焊接速度下接頭的抗拉強(qiáng)度分別約為390 MPa和350 MPa。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為1 000 r·min−1時(shí),不同焊接速度下接頭的抗拉強(qiáng)度均大于390 MPa,而100 mm·min−1焊接速度下抗拉強(qiáng)度最高,為2017鋁合金母材的80%,斷后伸長(zhǎng)率最大。由圖7可以看出,1 000 r·min−1主軸轉(zhuǎn)速和100 min·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(shuō)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(shuō)明接頭的拉伸性能比2017鋁合金母材差。 

圖  7  1 000 r·min−1主軸轉(zhuǎn)速和100 min·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(jié)論

（1）不同焊接速度和主軸轉(zhuǎn)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(zhì)量良好,接頭均由焊核區(qū)、熱機(jī)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(xì)小等軸晶,2A12鋁合金側(cè)（后退側(cè)）熱機(jī)影響區(qū)為大量粗大且不規(guī)則的變形晶粒和少量回復(fù)再結(jié)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(zhuǎn)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(cè)（前進(jìn)側(cè)）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(cè)的熱影響區(qū)。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為750,1 250 r·min−1時(shí),不同焊接速度下接頭的抗拉強(qiáng)度分別約為390,350 MPa,而當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為1 000 r·min−1時(shí),抗拉強(qiáng)度均大于390 MPa。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為1 000 r·min−1,焊接速度為100 mm·min−1時(shí),接頭的抗拉強(qiáng)度最高,為2017鋁合金母材的80%,斷后伸長(zhǎng)率最大,接頭的斷裂類型為韌性斷裂。

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