薄板铝合金搅拌摩擦焊的组织与力学性能

铝合金具有密度小、结构强度较高、导热导电性好等优点,作为轻量化结构材料在应用于航空[1]、汽车[2]、武器装备[3]等领域。搅拌摩擦焊(FSW)作为一种新型固相焊连接技术,具有低热输入的特点,在焊接过程中不发生冶金反应,能够减少或避免熔焊过程带来的元素烧损、裂纹、气孔等焊接缺陷,适合于铝合金的焊接。5系铝合金力学性能好,可焊接性高,耐蚀性好[4],在航空航天[5]、武器装备[6]、船舶[7-8]、汽车[9]等领域具有广泛应用。目前,国内外学者对薄板铝合金FSW接头工艺、组织与力学性能和断裂模式等开展了研究。韦旭等[10]研究了5 mm厚5052铝合金薄板在不同转速与焊接速度的FSW工艺下接头性能,结果表明接头最大平均抗拉强度可达母材的93.3%,拉伸断口均呈韧性断裂,具有良好的力学性能。宋东福等[11]研究了工艺参数对6 mm厚5052铝合金板搅拌摩擦焊接头的影响,在转速800～1 600 r/min以及焊接速度80～560 mm/min下,接头强度大于母材的90%以上,断口沿原始界面,即沿“S”线断裂。Raza等[12]研究了转速对3 mm厚5052-O铝合金FSW接头组织与力学性能的影响,结果表明:在1 000 r/min转速下,接头抗拉强度最大,达母材的76%,过高的热输入会增加铝镁化合物的形成,降低接头强度。车洪梅[13]研究了转速与焊接速度对2 mm厚5052铝合金薄板FSW接头组织与性能的影响,发现焊缝区晶粒细化显著,在转速为1 200 r/min、焊接速度为600 mm/min时,接头抗拉强度为216 MPa,达母材的88%。王希靖等[14]研究了2 mm厚6082铝合金FSW接头组织演变与力学性能,发现焊缝区上层发生动态回复与动态再结晶,晶粒细化;而焊缝区下层动态回复与动态再结晶不足,晶粒粗大,硬度与抗拉强度均低于上层。Yogita等[15]研究了焊接速度与转速对5 mm厚2014铝合金接头力学性能与组织的影响,在焊接速度为41 mm/min、转速为708 r/min时接头抗拉强度可达328 MPa,高转速与低焊接速度带来的高热输入,导致强化析出物粗化和晶粒粗大,降低了接头强度。此外国内外学者还开展了大量铝合金厚板双面FSW接头组织与性能研究,双面FSW工艺能够有效细化接头晶粒、提升接头强度。秦丰等[16]研究了搅拌针长与二次焊偏移量对6082铝合金厚板双面FSW接头组织与性能影响,发现针长为14 mm时,接头综合性能最好;二次焊偏移量为2.5 mm时,弯曲性能最好。弥海龙等[17]研究了搅拌头转速对6063铝合金双面FSW接头的力学性能的影响,结果表明搅拌头转速为1 000 r/min时,接头强度最高,抗拉强度为132.2 MPa,达母材的94.3%。荆洪阳等[18]研究了10 mm厚6082铝合金板单、双面FSW,发现双面焊接头力学性能由于单面焊,双面焊使得“S”线在焊核区不连续,提升了焊缝性能。王世君等[19]研究了30 mm厚6082铝合金双面FSW焊缝表层至底部性能的变化,发现硬度与抗拉强度随表面至搅拌针重合部位逐渐降低,在搅拌针重合部位硬度最低。张秋征等[20]比较了6005A单、双面FSW接头性能,结果表明单、双面焊接头平均抗拉强度分别为182 MPa、209 MPa,双面焊对接头力学性能提升明显。Xu等[21]研究了7085铝合金双面FSW接头的微观组织演变,结果表明:在转速为300 r/min时,大角度晶界体积分数在75%以上,双面FSW工艺细化晶粒效果显著。

以上研究表明了厚板铝合金双面焊研究丰富,其具有细化晶粒、提升接头强度的效果,但目前对薄板铝合金双面焊研究较少,双面焊轴肩与搅拌针对薄板的多次作用使得焊缝组织与性能变化不同于厚板,薄板铝合金双面焊接头组织与性能需要深入进一步研究。因此,本文中采用FSW对2 mm厚5052铝合金薄板进行单、双面焊,对比分析了5052铝合金单、双面焊接头的微观组织与力学性能,为5052铝合金薄板双面焊应用提供理论支持。

1 试验材料与方法

试验采用5052-H32铝合金进行FSW试验,铝板尺寸为1 000 mm×150 mm×2 mm,其化学成分(质量分数,%)为2.3% Mg、0.21% Si、0.06% Cu、0.08% Zn、0.08% Mn、0.22% Cr、0.33% Fe、Al 余量。

图1为单、双面焊示意图。试验中使用FSW-LM-025型数控搅拌摩擦焊机,在进行FSW前,使用砂纸对铝合金板件待焊表面进行打磨,并用酒精擦拭,以减少表面氧化物对接头的影响,铝合金薄板通过自动气动夹具工装固定在工作平台,AS为前进侧,RS为后退侧。焊接用搅拌头为圆锥分型,轴肩直径为10 mm,搅拌针直径为2.5 mm,根部直径为5 mm,高为1.8 mm,材料为H13钢。焊接试验采用优化后的工艺参数进行焊接,具体焊接工艺参数:转速为900 r/min、焊接速度为350 mm/min、偏移量为0 mm、下压量为0.1 mm、搅拌头前倾角为2°;双面焊焊接参数与单面焊一致,双面焊在二次焊时先将一次焊的飞边进行打磨,翻面后夹紧进行二次焊。

图2为拉伸试样尺寸,在万能试验机上进行拉伸试验;采用HM-MT1000显微硬度计测量接头焊缝区域硬度分布情况;采用Observer.Alm金相显微镜进行金相观察;采用FEI Quanta 250F场发射环境扫描电镜及其附带的EDS能谱分析仪进行断口形貌观察和焊缝区域元素与成分分析。

2 结果与讨论

2.1 焊缝形貌

图3为单、双面FSW接头截面形貌,接头截面分为焊核区(weld nugget zone,WNZ)、热力影响区(thermo-mechanically affected zone,TMAZ)、热影响区(heat affected zone,HAZ)和母材区(base metal zone,BMZ)。在焊接头截面存在暗线——“S”线,图4为“S”线与颗粒,其中1、2位置和母材颗粒EDS分析结果见表1,结果表明:“S”线含有大量O元素,是由表层铝合金氧化物被搅拌针搅入WNZ中形成[11];焊缝与母材中弥散分布的颗粒均为Al-Mg化合物,由于双面焊热输入较高,除本身基体内的Al-Mg化合物外,有部分Al-Mg化合物析出[12]。

从图3可看出在单面焊接头中“S”线贯穿整个截面,且在底部(远离轴肩位置)更加聚集,由于在焊接时材料的流动受到轴肩与搅拌针的共同作用,距离焊缝表面越远,轴肩对材料流动的影响越小,材料流动不充分使得单面焊接头截面的“S”线在底部更加聚集;双面焊接头截面“S”线从表面延伸到截面中部,且未贯穿整个焊缝截面,“S”线在双面焊时被分散打断,与单面焊接头截面“S”线形貌存在明显区别,表明双面焊对薄板铝合金FSW过程中“S”线的形成与分布有很大影响。单面焊在底部易产生弱连接现象,而双面焊使得一次焊后底部聚集的“S”线受到二次焊时轴肩与搅拌针强烈作用,材料得到充分流动,“S”线重新分布且更加分散,有效避免了单面焊根部位弱连接现象。

2.2 显微硬度分析

图5(a)为5052铝合金FSW接头焊缝横向硬度分布情况,测试位置为距焊缝表面1 mm处,单、双面焊焊缝显微硬度曲线呈现出“W”型,硬度最低点均出现在RS,分别为58 HV和56.8 HV。两者在硬度上,WNZ>BMZ>AS(HAZ)>RS(HAZ),RS的HAZ较AS的HAZ宽,这是由于RS侧温度更高所致[22]。对比单、双面焊接头截面横向显微硬度分布,可发现WNZ距焊缝表面1 mm处双面焊硬度较单面焊低,这与图5(b)中距焊缝1 mm处双面焊硬度略低于单面焊相符;双面焊焊缝HAZ较单面焊宽,双面焊焊缝RS的HAZ软化严重,这是由于双面焊热输入明显大于单面焊,使得HAZ晶粒粗大且组织分布不均,导致材料力学性能下降。

图5(b)为5052铝合金FSW接头焊缝厚度方向硬度分布情况,5052铝合金单、双面焊接头截面硬度距焊缝表面整体趋势降低。这是因为材料越靠近轴肩位置,受到轴肩与搅拌针的热-机械作用更加强烈,晶粒破碎细化,组织发生动态再结晶,形成细小的等轴晶粒,材料硬度提升;而远离轴肩的搅拌针端位置,发生动态再结晶程度低,晶粒粗大,材料硬度降低。

文献[14]中报道了2 mm厚6062铝合金FSW上层(焊缝表面至中心)抗拉强度大于下层(中心至底部),表明了焊缝上层强度大于下层,可推断上层硬度大于下层,整体呈下降趋势,本文中接头截面沿厚度方向硬度变化趋势与此相符。文献[19]中30 mm厚6062铝合金双面焊接头从焊缝表面至中心15 mm处硬度逐渐减小,整体呈“V”型分布。本文中薄板双面焊搅拌针重合几乎为板件整个厚度,其不同于厚板双面焊只有部分重合,而由于未受到二次焊的部分很薄,受到热影响作用大,其硬度较最小位置处变化不大,因此接头截面沿厚度方向硬度变化趋势与单面焊类似,整体呈现出降低趋势。而双面焊的二次焊时靠近轴肩位置材料硬度高于单面焊,是因为这一部分受到一次焊与二次焊强烈的热-机械作用,发生了充分的动态回复与动态再结晶,晶粒更加细小,使得其硬度较单面焊高,从霍尔-佩奇公式来看,材料强度与硬度进一步增加,综合下来双面焊接头强度较单面焊高,这也与拉伸试验结果相吻合。

2.3 拉伸性能

图6为5052铝合金FSW接头拉伸力学性能,双面焊接头拉伸性能较母材有所提高,而单面焊接头拉伸性能降低。试验结果表明:双面焊接头平均抗拉强度为210 MPa,单面焊接头平均抗拉强度为193 MPa,母材平均抗拉强度为208 MPa,双面焊接头强度系数(强度系数=FSW接头抗拉强度/母材抗拉强度)达母材的101%,而单面焊强度系数为母材的94%。通过单、双面焊接头与母材拉伸力学性能比较,发现双面焊接头强度最大,单面焊强度最小。一方面由于双面焊在二次焊时消除了一次焊存在的底部弱连接等缺陷,底部密集的“S”线被打散,减小“S”线对接头强度弱化的影响;另一方面从两者沿厚度方向硬度结果来看,二次焊使得接头部分区域晶粒更加细化,提升了接头强度。因此,双面焊工艺能提升薄板铝合金FSW接头强度,从而获得性能优良的焊接接头。

图7为5052铝合金FSW接头断裂位置,单、双面焊接头均存在断裂在焊缝中心位置附近的情况,断裂在焊缝中心位置时与焊缝中“S”线位置大致相同。不同于厚板铝合金双面焊接头均断裂在HAZ[18],这是由于薄板焊接时本身厚度小,散热快,HAZ软化较弱,而薄板接头由于厚度小,接头更容易受到缺陷的影响,因而焊缝区缺陷与过热带来的软化影响都可能降低焊缝强度。从图8(c)中双面焊断口1区域EDS分析结果来看,该区域含有O元素,结合断裂位置,可推断接头在实际拉伸过程中沿“S”线断裂,结果与文献[11]中薄板铝合金FSW接头断裂位置相似;双面焊接头除断裂在焊缝中心位置附近外,还断裂在HAZ,这是由于双面焊过高热输入导致HAZ过度软化,HAZ成为薄弱区域,使得断裂发生在该位置。因此“S”线与HAZ软化都是双面焊接头弱化的原因。

图8为5052铝合金FSW接头拉伸断口形貌,单、双面焊接头断口部位均存在较大的坑,这些坑边缘存在韧窝,两者断口断裂形式均为韧性断裂与撕裂韧性断裂混合形式;图8(c)中断口1区域含有O元素表明了接头断裂在“S”线,由于“S”线氧化物的存在使得这些位置存在较大应力,拉伸时在这些位置易发生断裂。

3 结论

1) 薄板5052铝合金采用单、双面焊时,接头组织内部都存在“S”线,单面焊接头内部“S”线在焊缝厚度方向上贯穿整个焊缝,且在底部“S”线聚集,双面焊接头内部“S”线被打断,减小了“S”线聚集,双面焊能够有效改善“S”线分布情况,避免焊根部位弱连接现象;

2) 单、双面焊接头横向硬度均呈现出“W”型,且硬度有BMZ>WNZ>AS(HAZ)>RS(HAZ),RS的HAZ较AS的HAZ宽;沿厚度方向硬度整体呈减小趋势,强度逐渐降低;

3) 双面焊接头平均抗拉强度为210 MPa,平均屈服强度为123 MPa,强度系数达母材的101%,单面焊接头强度系数为母材的94%,薄板双面焊工艺能有效提升了接头强度。

[1] 臧金鑫,陈军洲,韩凯,等.航空铝合金研究进展与发展趋势[J].中国材料进展,2022,41(10):769-777.

ZANG Jinxin,CHEN Junzhou,HAN Kai,et al.Research progress and development tendency of aeronautical aluminum alloys[J].Materials China,2022,41(10):769-777.

[2] 杨洋,赵明宇,王冠宇.铝合金轻量化在汽车中的应用[J].黑龙江科学,2022,13(16):42-44.

YANG Yang,ZHAO Mingyu,WANG Guanyu.Application of aluminum alloy lightweight in automobile[J].Heilongjiang Science,2022,13(16):42-44.

[3] 刘帅,钱建国.铝合金在雷达装备中的应用及其防腐设计[J].雷达与对抗,2022,42(3):46-49.

LIU Shuai,QIAN Jianguo.Application and anti-corrosion design of aluminum alloy in radar equipment[J].Radar &ECM,2022,42(3):46-49.

[4] 唐明君,吉泽升,吕新宇.5×××系铝合金的研究进展[J].轻合金加工技术,2004(7):1-7.

TANG Mingjun,JI Zesheng,LYU Xinyu.Research progress of 5××× aluminum alloy[J].Light Alloy Fabrication Technology,2004(7):1-7.

[5] 郭增昌,王云芳,王汝敏.航空铝合金防腐保护研究进展[J].材料导报,2005(9):71-75.

GUO Zengchang,WANG Yunfang,WANG Rumin.The development of corrosion protection of aluminm aerospace alloys[J].Material Reports,2005(9):71-75.

[6] 贾祥磊,朱秀荣,陈大辉,等.耐热铝合金研究进展[J].兵器材料科学与工程,2010,33(2):108-113.

JIA Xianglei,ZHU Xiurong,CHEN Dahui,et al.Research development of heat-resistant aluminum alloys[J].Ordnance Material Science and Engineering,2010,33(2):108-113.

[7] 侯悦,田原,赵志鹏,等.海洋工程用铝合金的腐蚀与防护研究进展[J].表面技术,2022,51(5):1-14.

HOU Yue,TIAN Yuan,ZHAO Zhipeng,et al.Corrosion and protection of aluminum alloy for marine engineering[J].Surface Technology,2022,51(5):1-14.

[8] 张展,许志龙,孙金娥,等.船用铝合金在模拟工业污染海洋环境中的腐蚀行为[J].材料保护,2019,52(12):7-13.

ZHANG Zhan,XU Zhilong,SUN Jine,et al.Corrosion behavior of aluminium alloy for ship application in simulative industry-polluted marine environment[J].Materials Protection,2019,52(12):7-13.

[9] 苑锡妮,杨兵,曾渝.5×××系铝合金汽车板研究进展[J].轻合金加工技术,2018,46(6):8-13.

YUAN Xini,YANG Bing,ZENG Yu.Research development of 5××× series al alloy sheet for automotive[J].Light Alloy Fabrication Technology,2018,46(6):8-13.

[10] 韦旭,汪建利,汪洪峰.5052铝合金搅拌摩擦焊接的组织和力学性能[J].兵器材料科学与工程,2020,43(4):77-80.

WEI Xu,WANG Jianli,WANG Hongfeng.Microstructure and mechanical properties of 5052 aluminum alloy welded joint by FSW[J].Ordnance Material Science and Engineering,2020,43(4):77-80.

[11] 宋东福,王海艳,戚文军,等.工艺参数对6mm厚5052铝合金板搅拌摩擦焊接头的影响[J].机械工程材料,2014,38(5):6-11,83.

SONG Dongfu,WANG Haiyan,QI Wenjun,et al.Influences of welding process parameters on friction stir welded joints of 5052 aluminum alloy plate with 6 mm thickness[J].Materials for Mechanical Engineering,2014,38(5):6-11,83.

[12] RAZA M,FARAZILA Y,HASSAN M A,et al.Effect of tool rotational speed on force generation,microstructure and mechanical properties of friction stir welded Al-Mg-Cr-Mn (AA 5052-O) alloy[J].Materials &Design,2015,66(Part A):118-128.

[13] 车洪梅.5052铝合金搅拌摩擦焊组织及性能研究[D].重庆:西南大学,2017.

CHE Hongmei.Study on microstructure and properties of 5052 aluminum alloy friction stir welding[D].Chongqing:Southwest University,2017.

[14] 王希靖,魏学玲,张亮亮.6082-T6铝合金搅拌摩擦焊组织演变与力学性能[J].焊接学报,2018,39(3):1-5,129.

WANG Xijing,WEI Xueling,ZHANG Liangliang.Microstructural evolution and mechanical properties of friction stir welded 6082-T6 aluminum alloy[J].Transactions of the China Welding Institution,2018,39(3):1-5,129.

[15] YOGITA S,JIT K S,HITESH V.Experimental studies on friction stir welding of aluminium alloys[J].Materials Today:Proceedings,2022,50:2387-2391.

[16] 秦丰,周军,侯振国,等.6082铝合金双面搅拌摩擦焊接头组织与性能[J].焊接学报,2021,42(2):75-80,102.

QIN Feng,ZHOU Jun,HUO Zhenguo,et al.Transactions of the China Welding Institution,2021,42(2):75-80,102.

[17] 弥海龙,吴锡坤,戴海桃,等.搅拌头转速对6063铝合金双面搅拌摩擦焊接头组织与性能的影响[J].有色金属加工,2022,51(2):27-30.

MI Hailong,WU Xikun,DAI Haitao,et al.Effect of stirring head speed on microstructure and properties of 6063 aluminum alloy double-sided friction stir welding joint[J].Nonferrous Metals Processing,2022,51(2):27-30.

[18] 荆洪阳,丰琪,徐连勇,等.6063-T6铝合金搅拌摩擦焊组织与力学性能研究[J].机械工程学报,2020,56(8):13-19.

JING Hongyang,FENG Qi,XU Lianyong,et al.Microstructure and mechanical properties of friction stir welds on 6063-T6 aluminum alloy[J].Journal of Mechanical Engineering,2020,56(8):13-19.

[19] 王世君,耿明,肖宇,等.6082-T6铝合金双面搅拌摩擦焊焊接接头组织及性能[J].大连交通大学学报,2018,39(5):34-37.

WANG Shijun,GENG Ming,XIAO Yu,et al.Microstructures and properties of Al alloy 6082 plate butt joint prepared with double-FSW[J].Journal of Dalian Jiaotong University,2018,39(5):34-37.

[20] 张秋征,宫文彪,刘杰.6005A-T6铝合金厚板单面与双面搅拌摩擦焊的性能比较[J].材料热处理学报,2014,35(6):75-79.

ZHANG Qiuzheng,GONG Wenbiao,LIU Jie.Property comparison of aluminum alloy 6005A-T6 thick plate by single-sided and double-sided processes of friction stir welding[J].Transactions of Materials and Heat Treatment,2014,35(6):75-79.

[21] 徐韦锋,刘金合.7085铝合金双面搅拌摩擦焊缝沿板厚方向组织演变规律(英文)[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China,2015,25(10):3212-3222.

XU Weifeng,LIU Jinhe.Microstructure evolution along thickness in double-side friction stir welded 7085 Al alloy[J].Transactions of Nonferrous Metals Society of China,2015,25(10):3212-3222.

[22] LEE W B,SCHMUECKER M,MERCARDO U A.Interfacial reaction in steel-aluminum joints made by friction stir welding[J].Scripta Materialia,2006(4):55.