摘要：在我国航空航天、汽车等领域节能减排的要求下,越来越多的铝合金被广泛使用在飞机的骨架零件、蒙皮以及各种车辆中。由于外部环境和承受载荷的差异,不同部件对铝合金材料的性能要求各不相同。异种铝合金焊接能够最大限度地利用各种铝合金的优点,受到了人们的关注[1-3]。但是

0. 引言

在我国航空航天、汽车等领域节能减排的要求下,越来越多的铝合金被广泛使用在飞机的骨架零件、蒙皮以及各种车辆中。由于外部环境和承受载荷的差异,不同部件对铝合金材料的性能要求各不相同。异种铝合金焊接能够最大限度地利用各种铝合金的优点,受到了人们的关注[1-3]。但是传统的焊接方式,如钎焊、氩弧焊等会使接头中产生气孔、裂纹等缺陷,导致接头的性能降低[4-5]。搅拌摩擦焊是一种新型固相连接技术,具有效率高、绿色无污染、不需要特殊气体保护、成本低等优点,同时可避免传统焊接工艺带来的缺陷问题,得到了广泛应用[6-8]。

2017和2A12铝合金常用于制造飞机蒙皮等机械零件[9-11],且经常需对这2种铝合金进行连接,但尚未见关于2017铝合金/2A12铝合金搅拌摩擦焊的研究。基于此,作者在不同焊接速度和主轴转速下对5 mm厚的2A12铝合金板和2017铝合金板进行搅拌摩擦焊接,研究了不同工艺参数下接头的组织和力学性能,以期为异种高强铝合金的焊接提供理论依据。

1. 试样制备与试验方法

试验材料为江苏日创铝业科技有限公司提供的2A12-T4和2017-T6铝合金轧制板,尺寸均为300 mm×150 mm×5 mm,化学成分如表1所示。

表 1 2017铝合金和2A12铝合金的化学成分

Table 1. Chemical composition of 2017 and 2A12 aluminum alloys

将2A12-T4和2017-T6铝合金长度方向侧面用砂纸打磨光滑后,放在搅拌摩擦焊机的垫板上用夹具夹紧,使两块铝合金板侧面紧密接触,采用FSW-LM-BM16型数控搅拌摩擦焊机器进行对接试验,搅拌头材料为H13钢,轴肩直径为20 mm,搅拌针为M5锥形螺纹针,长度为5 mm。焊接时将2A12铝合金置于后退侧（RS）,2017铝合金置于前进侧（AS）,根据文献[12-14],选用铝合金常用的搅拌摩擦焊工艺参数,即焊接速度80,100,120 mm·min−1,主轴转速750,1 000,1 250 r·min−1,压下量0.3 mm,搅拌头倾斜角2.5°。

在接头上垂直于焊接方向截取金相试样,经砂纸打磨和机械抛光后,用由体积比1∶1.5∶2.5∶95的HF、HCl、HNO3、H2O组成的Keller试剂腐蚀,依次用清水、乙醇冲洗,吹干,采用Primotech型光学显微镜观察接头的显微组织；采用Image J软件利用画线法测焊核区晶粒尺寸。采用HVS-1000A型维氏硬度计测接头横截面的硬度分布曲线,以焊缝中心向母材两侧进行测试,测试间距为1 mm,试验载荷为1.9 N,保载时间为10 s。按照GB/T 228.1—2021,在接头上以焊缝为中心垂直于焊接方向以及在母材上截取如图1所示的拉伸试样,采用CMT-5105型万能拉伸试验机进行室温拉伸试验,拉伸速度为2 mm·min−1,拉伸方向垂直于焊接方向,相同条件下进行3次试验,取试验结果的平均值。采用Sigma500型扫描电子显微镜（SEM）观察拉伸断口形貌。

图 1 拉伸试样的尺寸

Figure 1. Size of tensile specimen

2. 试验结果与讨论

2.1 宏观形貌

不同焊接速度和主轴转速下接头截面宏观形貌相似,均未见明显宏观缺陷,焊接质量良好,以1 000 r·min−1主轴转速下的接头宏观形貌为例进行展示。由图2可知：接头均由焊核区（NZ）、热机影响区（TMAZ）、热影响区（HAZ）和母材（BM）组成,焊缝区域整体呈“洋葱”状；随着焊接速度的增加,热机影响区和热影响区的范围增大。

图 2 1 000 r·min−1主轴转速、不同焊接速度下接头的宏观形貌

Figure 2. Macromorphology of joint under spindle speed of 1 000 r·min−1 and different welding speeds

2.2 显微组织

由图3和图4可以看出,在不同的焊接速度和主轴转速下,焊核区中2017铝合金（组织颜色较浅）和2A12铝合金（组织颜色较深）组织交替分布。在焊核区内,2A12铝合金的晶粒尺寸比2017铝合金小,这是由于2A12铝合金含有的合金元素较少,对动态再结晶的阻碍较弱,晶粒更容易发生动态再结晶,因此晶粒更加细小[15]。后退侧热机影响区和焊核区交界处晶粒的尺寸差异较大,焊核区为细小的等轴晶,而热机影响区为大量粗大且不规则的变形晶粒和少量回复再结晶晶粒,热影响区为更加粗大且较规则的变形晶粒。热机影响区的2A12铝合金和2017铝合金受到搅拌针和轴肩的双重影响,2种铝合金发生了一定的塑性流动,混合得更加充分,同时热机影响区的热量输入低于焊核区,晶粒未能发生动态再结晶,其尺寸比焊核区大。母材区因未受到搅拌和热影响,其晶粒仍为轧制态晶粒。2017和2A12铝合金母材均为粗大的板条状组织,通过搅拌摩擦焊后焊核区的晶粒明显细化,且随着焊接速度或主轴转速的增大,晶粒长大。随着主轴转速或焊接速度的增加,焊核区2种铝合金的混合程度先升后降,后退侧热机影响区和热影响区的范围增大。由图5可以看出：焊核区2017铝合金的晶粒尺寸小于2A12铝合金；随着焊接速度或主轴转速的增加,焊核区2种铝合金的晶粒尺寸均增大。

图 3 不同主轴转速下接头不同区域的显微组织(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

图 4 不同焊接速度下接头不同区域的显微组织(主轴转速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

图 5 接头焊核区内2A12铝合金和2017铝合金的晶粒尺寸随焊接速度和主轴转速的变化曲线

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 力学性能

由图6可知：2017铝合金和2A12铝合金母材的平均硬度分别为127,150 HV；接头的截面硬度整体呈“W”形分布,从母材到两侧热影响区硬度降低,从热影响区至焊核区硬度增大。这主要是因为从焊核区至热影响区,晶粒尺寸逐渐增大,导致硬度下降。焊核区中2017和2A12铝合金呈现出周期性层状分布,所以焊核区的硬度表现出上下波动的特征。接头的最低硬度均出现在2017铝合金侧的热影响区。随着焊接速度或主轴转速的增加,接头各区域的硬度变化基本一致,最低硬度区的位置相差不大。

图 6 不同工艺参数下接头的截面硬度分布曲线

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

2017铝合金的抗拉强度为517 MPa,断后伸长率为20.55%；2A12铝合金的抗拉强度为572 MPa,断后伸长率为14.70%。由表2可以看出,不同工艺参数下接头的断裂位置均位于2017铝合金侧的热影响区,与最低硬度区域的位置相吻合,焊接速度和主轴转速的改变并未改变接头断裂的位置。当主轴转速为750,1 250 r·min−1时,不同焊接速度下接头的抗拉强度分别约为390 MPa和350 MPa。当主轴转速为1 000 r·min−1时,不同焊接速度下接头的抗拉强度均大于390 MPa,而100 mm·min−1焊接速度下抗拉强度最高,为2017铝合金母材的80%,断后伸长率最大。由图7可以看出,1 000 r·min−1主轴转速和100 min·min−1焊接速度下接头断口和2017铝合金母材断口均存在大量韧窝,说明二者的塑性较好,均发生韧性断裂,但是接头断口的韧窝数量、大小和深度均低于2017铝合金母材,说明接头的拉伸性能比2017铝合金母材差。

表 2 不同工艺参数下接头的室温拉伸试验结果

Table 2. Tensile test results at room temperature of joints under different process parameters

图 7 1 000 r·min−1主轴转速和100 min·min−1焊接速度下接头拉伸断口以及2017铝合金母材拉伸断口的SEM形貌

3. 结论

（1）不同焊接速度和主轴转速下2017铝合金/2A12铝合金搅拌摩擦焊接头均未见明显宏观缺陷,焊接质量良好,接头均由焊核区、热机影响区、热影响区和母材组成。焊核区中2017铝合金和2A12铝合金组织交替分布,晶粒均为细小等轴晶,2A12铝合金侧（后退侧）热机影响区为大量粗大且不规则的变形晶粒和少量回复再结晶晶粒,热影响区为更加粗大且较规则的变形晶粒。焊核区2017铝合金的晶粒尺寸小于2A12铝合金,且随着焊接速度或主轴转速的增加,2种铝合金的晶粒尺寸均增大。

（2）不同工艺参数下接头的截面硬度整体呈“W”形分布,最低硬度区均位于2017铝合金侧（前进侧）的热影响区。

（3）不同工艺参数焊接接头的拉伸断裂位置均位于2017铝合金侧的热影响区。当主轴转速为750,1 250 r·min−1时,不同焊接速度下接头的抗拉强度分别约为390,350 MPa,而当主轴转速为1 000 r·min−1时,抗拉强度均大于390 MPa。当主轴转速为1 000 r·min−1,焊接速度为100 mm·min−1时,接头的抗拉强度最高,为2017铝合金母材的80%,断后伸长率最大,接头的断裂类型为韧性断裂。

文章来源——材料与测试网

来源：小宇科技观