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常熟市天益金属制品制造有限公司
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7A52铝合金搅拌摩擦焊接头特征分析
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      :2004 -)男,工学博士,教授,博士生导师,主要从事表面工程技术、腐蚀与防护等方面的研究工作7A52铝合金是近年来新研制的中强可焊合金。该合金经乳制后性能优良,现已投入使用。目前该合金的焊接主要是采用熔化极氩弧焊(MIG,metalinertgasarcwelding),由于溶焊过程中热输入量大,填充材料和焊缝两侧材料经过了熔化重新结晶,最终在焊缝处形成铸态组织,焊缝容易出现气孔和焊接变形,残余应力较大。MIG焊接后接头性能明显下降,未能充分发挥材料的性能。利用搅拌摩擦焊(FSW,frictionstirwelding)技术可以更好的保持基体材料的力学性能,并且产生的焊接变形更小,残余应力更低,焊接缺陷更少。

  搅拌摩擦焊作为一种新型焊接技术,是由英国焊接研究所(TWI,theweldinginstitute)90年代初发明的一种固态塑性连接方法,近年来在低熔点金属材料的焊接研究中得到高度重视。搅拌摩擦焊工艺过程如所示。它是利用一种带有特型指针(pin)和轴肩(shoulder)的特殊形状搅拌头对工件进行搅搅拌摩擦焊过程示意图拌摩擦,通过指针搅拌过程产生的热量和轴肩与材料摩擦产生的热量使焊接接缝处材料达到塑性变形状态,在轴肩的顶锻压力作用下达到固态连接。

  整个焊接过程因为材料未达到熔化状态,从而大大降低或避免了熔焊时容易出现的焊接变形、残余应力、气孔、裂纹等缺陷。

  经过搅拌摩擦焊所得的焊接接头,其横截面的宏观结构特征和显微组织特征均发生了明显变化,焊接接头的力学性能和母材相比产生了差异。影响搅拌摩擦焊焊接接头质量的工艺参数主要有搅拌头的旋转速度、焊接速度、轴向压紧力等。作者主要分析了搅拌摩擦焊的两个工艺参数搅拌头旋转速度和焊接速度对焊接接头宏观结构特征和力学性能的影响。

  试验材料及方法7A52铝合金。材料状态为锻后热处理,热处理工艺为460QCxlh,室温水淬;120DCx24h人工时效。表1为该材料的化学成分和力学性能。

  表1 7AS2铝合金的化学成分(质量分数)和力学性能化学成分/%力学性能矣余量搅拌摩擦焊试验在用立式铣床改造的焊接设备上进行。试验采用自制的螺旋形搅拌头,其轴肩直径为21mm,特型指针根部直径为6. 8mm.焊接完成后选择典型的焊接接头制成金相试样,用Keller试剂对试样浸蚀,在光学显微镜下进行接头宏观组织观察;用71型显微硬度计测量焊接接头的显微硬度分布特征;接头抗拉强度试验按国标GB2651―89和GB2653―89制成拉伸试样,在WE -10A型万能材料试验机上进行试验。

  试验结果与分析试验结果表明,利用自行设计的搅拌头在几种选定的焊接工艺规范条件下,7.6mm厚的7A52铝合金板材的搅拌摩擦焊焊缝外观成型良好、板材基本无变形。对焊接接头的横截面进行金相观察发现没有出现该合金在熔焊时常有的气孔、裂纹等缺陷。所示为焊接接头横截面腐蚀后的金相照搅拌摩擦焊接头的不同区域5X片。宏观上焊缝区比基体金属更加明亮,这是由于焊缝耐腐蚀能力下降的结果。搅拌摩擦焊的焊接接头可以划分为四个区域:即动态再结晶区(DXZ,dynamicallyrecrystallizedzone)、宏观结构特征对焊接接头进行宏观结构分析,所示为板材的三个方向:I、7Z,由此取焊接接头的三种截面:横截面(Z- 71)、表面(L-71)、纵截面(L-Z)分别采用光学显微镜进行观察研究。

  横截面的宏观结构特征是DXZ区形成了“洋葱环”和TMAZ区的明显塑性流线变形。DXZ区(或称焊核区,weldnugget)的宏观结构特征是形成了明显的“洋葱环”(onionring)状的一组由内向外扩张的椭圆环。如a所示。随着离焊缝中心距离的增加,“洋葱环”的环间距从内到外逐渐减小。

  洋葱环结构5X流线变形结构5X不同焊接区的形貌K.N.Krishnan的研究认为,洋葱环的形成是由于搅拌头的旋转和搅拌头的移动过程共同作用于焊缝两侧材料,而搅拌头旋回侧的金属材料不断挤出受到轴肩的挤压。TMAZ区的宏观结构特征表现为较高的塑性变形流线带,这是由于搅拌头的搅拌作用使得DXZ区周围的母材纤维状组织产生明显的塑性变形,如b所示。HAZ区和BM区宏观结构变化不大,仍保持母材的纤维状结构特征。

  焊缝表面的宏观结构特征表现为半圆环曲线带,如所示。这些圆环之间的距离比较均,在半圆环带的两端带间距较小,而在圆环的顶部距离最大。半圆环带的带间距与搅拌头每旋转一周所前进的距离有关,这些半圆环带是由于搅拌过程中引起的粒子富集区和粒子贫乏区交替出现的结果。

  表2理论环间距与试验测定结果比较序号环间距理论值/mm环间距试验测量值/mm工艺1工艺2工艺3工艺4工艺5纵截面的宏观结构特征是形成了一条近“S”形的曲线带,如所示。这些“S”形曲线间距比较均匀,曲线的顶端由于受到搅拌头轴肩的挤压作用产生压缩效应,带间距稍小。不同的工艺“S”形带的带间距存在差异。

  Colligan利用在两种不同的铝合金材料中嵌人钢球的方法研究了搅拌摩擦焊过程中材料的流动,认为材料的垂直流动不大,绝大多数材料停留在原来的高度;而前进侧的材料随着搅拌头的旋转沉积在旋出侧。由此称搅拌摩擦焊过程为材料的搅拌和挤出过程。M.Guerra171等采用在6061铝合金接合表面放置很薄的纯铜片作为追踪材料和利用两种不同的铝合金2195与6061研究了搅拌摩擦焊过程中材料的流动行为。通过分析认为材料的流动主要包括两个过程:前进侧的材料跟着搅拌指针的旋转以螺旋形运动特征进人搅拌区,这些材料变形很大,在搅拌指针的后侧脱落并形成弧状特征;回退侧的材料填满搅拌指针退出后的空洞,但整个过程中并没有发生转动。K.N.Krishna31利用粘土模型研究了搅拌后材料表面半圆环的形成和“洋葱环”的形成过程,半圆环的出现说明搅拌头在其旋转生热和向前运动挤出热金属过程中时间很短,这种连续的过程产生一条连续的半圆环带;摩擦过程可以认为是在搅拌头旋转一周中挤出了一层半圆柱体,结果在横截面产生了“洋葱环”结构。

  接头力学性能特征2.2.1拉伸性能特征在研究搅拌摩擦焊焊接工艺规范对接头质量的影响时,研究了搅拌旋转速度和焊接速度对接头强度和延伸率的影响,将两块长300mm的7A52铝合金板对接焊成一条焊缝,每条焊缝加工拉伸试样5个,测定焊缝平均拉伸强度。实验结果列于表3、表4.由表3可以看出,在本试验选定的焊接规范内,当焊接速度一定时,随着搅拌头的旋转速度降低,焊接接头平均抗拉强度增大,在60mm/min的焊接速度下,搅拌转速为300r/min时焊接接头的平均拉伸强度最高为354MPa,达到母材抗拉强度的72.2%;当搅拌头旋转速度一定时,随着焊接速纵截面的“S”形特征5X a―不同转速的显微硬度分布特征距焊缝中心距离/mm b一不同焊接速度的显微硬度分布特征不同规范显微硬度的分布度的升高,焊接接头的平均抗拉强度增大,在600r/min的搅拌转速下,焊接速度为118mm/min时焊接接头的平均拉伸强度最高为364MPa,达到母材抗拉强度的74.2%.接头延伸率随焊接工艺参数的变化较小,在=600r/min,r=60mm/min时焊接接头延伸率最大,为7.5%,与母材延伸率相比稍有下降。根据的公式(2),搅拌头旋转速度的升高增加了焊接过程中的热输人,从而引起焊接接头晶粒的变化,热影响区成为软化趋势最明显的区域,结果整个接头抗拉强度降低。在其它参数不变的情况下,焊接速度的降低使焊接线能量增加,焊接接头晶粒长大,强度降低。

  直径和焊针直径;F―压力;tz―搅拌头转速;"一摩擦因数。

  实际上,对于选定的材料,存在一个最佳力学性能规范区和最佳焊缝成形规范区,通常最佳焊缝成形区的规范要比最佳力学性能规范范围宽⑴。在焊接速度过低时,焊缝与基体结合处容易出现过热组织;焊接速度过高时,搅拌头摩擦产生的热量来表3不同搅拌转速时的焊接接头拉伸测试结果序号工艺参数拉伸强度/MPa延伸率占/%工艺1V工艺2V工艺3v表4不同焊接速度时的焊接接头拉伸测试结果序号工艺参数接伸强度crb/MPa延伸率5/%工艺4n工艺2n工艺5n:表中:u表示搅拌转速(r/min):表示焊接速度(mm/min)不及使其周围金属达到热塑性状态,所以也不能形成完好的焊缝。搅拌头旋转速度过低时,焊接区会出现明显的空洞;随着旋转速度升高,可以获得组织致密的焊缝。锻压技彭成章,周鹏展,黄明辉。2024铝合金的搅拌摩擦焊接工艺及显微组织。湘潭矿业学院学报002,汪建华,姚舜,魏良武,等。搅拌摩擦焊的传热和力学计算模型。焊接学报,2002,21(4):61邢丽,柯黎明,周细应,等。防锈铝LF6的固态塑性连接工艺。中国有色金属学报,2002,

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