0.   引言

在我國航空航天、汽車等領域節能減排的要求下,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點,受到了人們的關注[1-3]。但是傳統的焊接方式,如釬焊、氬弧焊等會使接頭中產生氣孔、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、成本低等優點,同時可避免傳統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。基于此,作者在不同焊接速度和主軸轉速下對5 mm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。 

1.   試樣制備與試驗方法

試驗材料為江蘇日創鋁業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20 mm,攪拌針為M5錐形螺紋針,長度為5 mm。焊接時將2A12鋁合金置于后退側（RS）,2017鋁合金置于前進側（AS）,根據文獻[12-14],選用鋁合金常用的攪拌摩擦焊工藝參數,即焊接速度80,100,120 mm·min−1,主軸轉速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1 mm,試驗載荷為1.9 N,保載時間為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型萬能拉伸試驗機進行室溫拉伸試驗,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1 000 r·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（NZ）、熱機影響區（TMAZ）、熱影響區（HAZ）和母材（BM）組成,焊縫區域整體呈“洋蔥”狀；隨著焊接速度的增加,熱機影響區和熱影響區的范圍增大。 

圖  2  1 000 r·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 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速下,焊核區中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,對動態再結晶的阻礙較弱,晶粒更容易發生動態再結晶,因此晶粒更加細小[15]。后退側熱機影響區和焊核區交界處晶粒的尺寸差異較大,焊核區為細小的等軸晶,而熱機影響區為大量粗大且不規則的變形晶粒和少量回復再結晶晶粒,熱影響區為更加粗大且較規則的變形晶粒。熱機影響區的2A12鋁合金和2017鋁合金受到攪拌針和軸肩的雙重影響,2種鋁合金發生了一定的塑性流動,混合得更加充分,同時熱機影響區的熱量輸入低于焊核區,晶粒未能發生動態再結晶,其尺寸比焊核區大。母材區因未受到攪拌和熱影響,其晶粒仍為軋制態晶粒。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2種鋁合金的混合程度先升后降,后退側熱機影響區和熱影響區的范圍增大。由圖5可以看出：焊核區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域的顯微組織(主軸轉速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127,150 HV；接頭的截面硬度整體呈“W”形分布,從母材到兩側熱影響區硬度降低,從熱影響區至焊核區硬度增大。這主要是因為從焊核區至熱影響區,晶粒尺寸逐漸增大,導致硬度下降。焊核區中2017和2A12鋁合金呈現出周期性層狀分布,所以焊核區的硬度表現出上下波動的特征。接頭的最低硬度均出現在2017鋁合金側的熱影響區。隨著焊接速度或主軸轉速的增加,接頭各區域的硬度變化基本一致,最低硬度區的位置相差不大。 

圖  6  不同工藝參數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517 MPa,斷后伸長率為20.55%；2A12鋁合金的抗拉強度為572 MPa,斷后伸長率為14.70%。由表2可以看出,不同工藝參數下接頭的斷裂位置均位于2017鋁合金側的熱影響區,與最低硬度區域的位置相吻合,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750,1 250 r·min−1時,不同焊接速度下接頭的抗拉強度分別約為390 MPa和350 MPa。當主軸轉速為1 000 r·min−1時,不同焊接速度下接頭的抗拉強度均大于390 MPa,而100 mm·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,1 000 r·min−1主軸轉速和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,說明二者的塑性較好,均發生韌性斷裂,但是接頭斷口的韌窩數量、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  7  1 000 r·min−1主軸轉速和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、熱機影響區、熱影響區和母材組成。焊核區中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）熱機影響區為大量粗大且不規則的變形晶粒和少量回復再結晶晶粒,熱影響區為更加粗大且較規則的變形晶粒。焊核區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）不同工藝參數下接頭的截面硬度整體呈“W”形分布,最低硬度區均位于2017鋁合金側（前進側）的熱影響區。 

（3）不同工藝參數焊接接頭的拉伸斷裂位置均位于2017鋁合金側的熱影響區。當主軸轉速為750,1 250 r·min−1時,不同焊接速度下接頭的抗拉強度分別約為390,350 MPa,而當主軸轉速為1 000 r·min−1時,抗拉強度均大于390 MPa。當主軸轉速為1 000 r·min−1,焊接速度為100 mm·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