工藝參數對攪拌摩擦焊 7022鋁合金殘余應力及耐磨耐蝕性能的影響

汪洪峰, 左敦穩, 邵定林, 李 光, 董春林

(1.南京航空航天大學機電學院,南京 210016;2.北京航空制造工程研究所,北京 100024)

7022鋁合金具有密度小、比強度高、導電與導熱性好等優點,在航空、航天、船舶、汽車等工業領域具有廣泛的應用前景。為了減輕飛機的結構重量,提高速率和運載能力,7022鋁合金作為飛機結構框架零件的使用材料正日益增加。但是傳統的熔化焊接方法焊接 7022鋁合金時容易形成熱裂紋和氣孔等缺陷,且變形較大,其對焊接過程中的相關因素比較敏感,造成焊接接頭韌性降低,限制了其在航空航天領域的應用[1～3]。

攪拌摩擦焊(FSW)作為一種固相焊接技術,是通過高速旋轉的攪拌頭與被焊材料表面間生成的摩擦熱而實現的固相連接。該技術一經問世便得到了來自航空航天、船舶制造、軌道交通、汽車制造等多個行業的青睞,成為鋁合金最佳的焊接技術[4～6]。攪拌摩擦焊的焊接溫度一般低于被焊材料的熔點,故其可以避免傳統熔焊時被焊材料由于熔化而產生的氣孔、裂紋和變形等缺陷[7～12]。

飛機結構件經常暴露在惡劣天氣、氣流團及海洋上空空氣影響,造成飛機結構件與聯接件之間的摩擦磨損和腐蝕,故對飛機制造用的航空鋁合金進行摩擦磨損和耐腐蝕性實驗研究是十分重要的,其關系到飛機的飛行安全。

本研究采用攪拌摩擦焊焊接了 7022鋁合金,并選用不同的攪拌頭轉速和焊接速率,研究其對焊接件的殘余應力與變形、摩擦磨損和耐腐蝕等性能的影響,為其實際工程應用提供相應的理論基礎。

1 實驗方法

實驗選用10mm厚的鋁合金軋制板材 7022,熱處理狀態為 T6。7022鋁合金的主要化學成分如表1所示。實驗板坯的尺寸為 300mm×100mm× 10mm。將兩塊板坯進行攪拌摩擦焊單道焊縫對接。實驗選用帶螺紋的圓臺形攪拌頭。用中國攪拌摩擦焊中心制造的FSW-2XB-020型懸臂式攪拌摩擦焊機,攪拌頭旋轉速率為300～600r/min,焊接速率為30～100mm/m in。焊接前后不需要對材料進行任何處理。

表1 7022鋁合金的化學成分(質量分數/%)Table1 Chem ical composition of 7022 aluminum alloy (mass fraction/%)

1.1 殘余應力測試

板材焊接后,進行殘余應力測試,測量殘余應力的X射線衍射儀為日本理學的MSF-3M應力分析儀。為了準確反映出 7022鋁合金攪拌摩擦后殘余應力分布情況,在進行測量時去除了各焊接試樣的邊界各點,取中間區域200mm×135mm的范圍內的點。

1.2 摩擦磨損實驗

待殘余應力測試結束,在焊接試樣焊縫中線切割出摩擦磨損試樣,其尺寸為10mm×10mm×5mm。摩擦磨損性能檢測采用中國科學院蘭州化學物理研究所生產的 HT-500高溫摩擦磨損實驗機。檢測時方塊形試樣固定,鋼球(直徑為3mm,鋼球本身不自轉)相對于試樣做圓周滑動。鋼球對試樣施加恒定的垂直壓力P為130g力,讓試樣與圓球發生滑動摩擦。轉動速率為560r/min,轉動半徑為2mm,轉動時間為6min。實驗過程中,根據摩擦系數隨時間變化的最大、最小值,確定平均摩擦系數 μ。

摩擦磨損實驗前必須用無水乙醇超聲清洗試樣表面,再吹干試樣表面。磨損性能的表征方法采用磨損體積法。

1.3 耐腐蝕性實驗

在焊接試樣焊縫中線切割出耐腐蝕性實驗試樣,尺寸為10mm×10mm×5mm,然后將其放入盛有Na2SO4(pH=5)的溶液,放置時間為48 h,最后取出用去離子水沖洗并用無水乙醇拭擦其表面并吹干。利用SEM觀察腐蝕表面的形貌。

圖1 不同轉速、相同焊接速率下的焊接殘余應力分布Fig.1 The distribution ofwelding residual stress under different rotating speed and the same welding speed (a)300r/min,5mm/min;(b)400r/min,50mm/min;(c)600r/min,50mm/min

2 實驗結果與討論

2.1 殘余應力場分布

圖1為不同的攪拌頭轉速,相同的焊接速率下的各焊接試樣表面的殘余應力分布圖。從圖1可以看出,各種參數下的攪拌摩擦焊焊接殘余應力均較小,最大和最小殘余壓應力分別為 -97MPa和-0.011MPa;最大殘余拉應力為80MPa和9.3MPa。從摩擦磨損性能和耐腐蝕性能考慮,圖 1c焊接參數最佳,因為其表面均為殘余壓應力,這有利于試樣表面的耐磨損和耐腐蝕。但是從圖 1c右圖中還可看到其表面應力集中比較多,而且整個表面應力分布不均勻,其反過來降低了試樣的耐磨性和耐腐蝕性。圖 1a焊接參數下所獲得接頭的摩擦磨損性能和耐腐蝕性能最差,兩塊板材對接,其中一塊板材表面中間部位表現為大的拉應力,而其余部位為壓應力;另一塊板材卻全部表現為壓應力,這說明整個焊接表面殘余應力分布不均勻,引起的應力集中最多,變形最大。從對稱性考慮,圖 1b焊接參數最好,首先在焊縫兩邊形成鮮明的對稱為36MPa的等值線,其次靠近邊界處也形成了對稱為-150 MPa的等值線。從焊縫向外分別有-40MPa,-78MPa和-120MPa對稱的等值線。而圖 1a和c卻沒有很好的形成這樣的對稱等值線。故圖 1b焊接參數能很好的抑制焊接變形。

圖2 相同轉速、不同焊接速率下的焊接殘余應力分布Fig.2 The distribution ofwelding residual stress under the same rotating speed and different welding speed (a)300r/min,50mm/min;(b)400r/min,50mm/m in;(c)600r/m in,50mm/m in

圖 2為相同的攪拌頭轉速,不同的焊接速率下的焊接各試樣的表面殘余應力分布圖。從圖2中同樣看到攪拌摩擦焊接殘余應力較小,分布相對其他的熔化焊接較均勻。從對稱的角度分析,圖 2中各圖殘余應力分布都較對稱。其中對稱較好的為圖2a和c。圖2a中,在焊縫中心形成了24MPa的一條等值線,以其為對稱中心向外延伸,分別有對稱的 -2.8MPa,-30MPa,-57MPa和-83MPa的等值線。不足之處是在左下角處形成了應力集中。圖2c中,在焊縫中心形成了18MPa的一條等值線,以其為對稱中心向外延伸,分別有對稱的-11MPa,-40MPa, -68MPa,-97MPa,-130MPa和-150MPa的等值線。從摩擦磨損性能和耐腐蝕性能分析圖 2a和 c,圖2c最佳,在焊縫中心其殘余應力最小為18MPa。另外圖2c中應力等值線分布較圖 2a均勻,且值也較大。這能很好提高材料表面的耐磨損和耐腐蝕性能。綜合分析,在攪拌頭轉速為400r/min,焊接速率為30mm/min時,焊接的試樣殘余應力分布最均勻,變形最小。圖3為攪拌頭轉速為400r/min,焊接速率為30mm/min時焊接的試樣照片。

圖3 焊接試樣照片Fig.3 Photo of welded specimen

2.2 摩擦磨損性能評價

2.2.1 摩擦系數

圖4是實測的各焊接參數下的試樣的摩擦系數曲線圖譜。從圖 4可以看出,在攪拌轉速為 400r/ min,焊接速率為30mm/min時,得到了最小的平均摩擦系數為0.370;在攪拌轉速為600r/min,焊接速率為50mm/min時,焊接試樣的平均摩擦系數最大為0.554。圖4a,c和e下的焊接參數焊接的試樣的平均摩擦系數分別為 0.536,0.476和0.531。在相同的焊接速速條件下,即50mm/min,攪拌頭轉速為400r/min時,焊接試樣的平均殘余應力最小,這從上面的殘余應力分析可以清楚的分析出,因為此參數下的焊接試樣殘余應力分布較對稱且表面多為壓應力。比較圖4b,c和 d,并結合表2可以看出,在攪拌頭轉速一定的情況下,焊接試樣的平均摩擦系數隨著焊接速率的增加而增加。這也與殘余應力分布有關,在上一節分析中可以清楚的看到在攪拌頭轉速為400r/min,焊接速率為30mm/min時,其殘余應力分布既均勻又對稱。

圖4 不同焊接參數下的摩擦系數Fig.4 Friction coefficient under differentwelding parameters (a)300r/min,50mm/min;(b)400r/min,30mm/min; (c)400r/min,50mm/min;(d)400r/min,100mm/min; (e)600r/min,50mm/min

2.2.2 磨損表面形貌

圖5為在相同的焊接速率,不同攪拌頭轉速條件下焊接試樣摩擦磨損的SEM照片,從照片可以看出,試樣摩擦表面流變層沿摩擦副相對滑動方向形成了薄片狀凸出物。在小球與試樣表面的接觸區域,薄片凸出物經滑動后與接觸的表面分離,并引起表層材料發生相應的塑性流動。同時從圖中還可以看到,在摩擦副接觸點的強度高于摩擦的鋁合金的剪切強度時,破壞將發生在離接觸面不遠的軟材料表層內,因而軟材料轉移到較硬材料表面上,轉移硬材料上的粘著物又使軟材料表面出現劃痕,因此看到平行的劃痕,這說明在摩擦磨損實驗時,還伴隨著粘著磨損。故上述的磨損形式為塑變磨損和粘著磨損組合。另外從殘余應力分布情況分析,可知 5b中磨損程度最輕,磨損的凹槽表面較均勻。

圖5 不同焊接參數下摩擦磨損SEM照片Fig.5 SEM morphology of wearing surface under different welding parameloy (a)300r/min,50mm/min; (b)400r/m in,50mm/min;(c)600r/min,50mm/min

2.2.3 磨損體積與比磨損率

磨損體積Vw的計算公式為

式中Vw為試樣磨損體積(mm3),h為磨痕深度(mm),b為磨痕寬度(mm),r為磨痕軌道半徑(mm)。

比磨損率定義公式為

式中K為比磨損率(mm3?N-1?m-1),P為法向施加載荷(N),S為滑動距離(m)。

采用MicroXAM Surface Mapping Microscrope三維形貌儀對各摩擦磨損實驗試樣進行了形貌觀測,圖6a～e是不同焊接參數下的試樣摩擦磨損實驗的三維形貌觀測圖,從圖中可見到各試樣的磨痕深度h和磨痕寬度 b;實驗過程中,磨痕軌道半徑 r為2mm,通過公式(1)和(2)可分別算出各試樣的磨損體積Vw和比磨損率K,見表2。從表2可以看到,在攪拌頭轉速為400r/min,焊接速率為30mm/min時,焊接試樣的磨損量最少。因此選擇合理的焊接參數,可以改善 7022鋁合金焊接件的摩擦磨損性能。

圖6 不同焊接參數下各試樣的磨損三維形貌圖Fig.6 The wearing 3D topography of each specimen under different welding parameters (a)300r/min,50mm/min;(b)400r/min,30mm/min; (c)400r/min,50mm/min;(d)400r/min,100mm/min; (e)600r/min,50mm/min

表2 試樣磨損體積與比磨損率Table 2 Wear volume and specific wear rate of specimen

2.3 耐腐蝕性能評價

從圖 7中可以清楚的看到,在攪拌頭轉速為400r/min,焊接速率為30mm/min時試樣的耐腐蝕性能最佳。另外從圖中還可以看到試樣表面屬于局部腐蝕,腐蝕不均勻。腐蝕形式還是以點腐蝕為主。腐蝕產物以不規則形狀零星分布在試樣表面,腐蝕產物密集分布,呈團狀、線狀和點狀等。能譜分析表明,表面腐蝕產物含有Al,Zn,Mg,S和O等元素,其主要產物為Al,Zn和Mg的氧化物及硫酸鋁等。

圖7 不同焊接參數下的腐蝕SEM照片Fig.7 SEM morphology of corrosion surface under differentwelding parameters (a)300r/min,50mm/min;(b)400r/min,30mm/min; (c)400r/min,50mm/m in;(d)400r/min,100mm/min;(e)600r/m in,50mm/min

3 結論

(1)在攪拌頭轉速為 400r/min,焊接速率為30mm/min時焊接的試樣,其殘余應力分布、摩擦磨損性能和耐腐蝕性均最佳。

(2)7022鋁合金攪拌摩擦焊接,其表面的殘余應力較小,且以壓應力分布為主,僅焊縫周圍為拉應力,這大大提高了焊接材料的使用性能,降低了焊接變形。

(3)焊接試樣的腐蝕屬于點腐蝕,其腐蝕的產物含有Al,Zn,Mg,S和O等元素,主要產物為Al,Zn和Mg的氧化物及硫酸鋁等。

(4)7022鋁合金攪拌摩擦焊接,其表面的摩擦系數相對比較穩定,磨損形式主要為塑變磨損和磨粒磨損組合,磨損表面比較平整。

[1]KOSTKA A,COELHO R S,SANTOS J dos,et al.Microstructureof friction stirweldingof aluminium alloy tomagnesium alloy[J].Scripta Materialia,2009,60：953-956.

[2]CHEN Kang-hua,HUANG Lan-ping.Strengthening-toughening of 7×××series high strength aluminum alloys by heat treatment[J].Trans Non ferrousMet Soc China,2003, 13(3)：484-494.

[3]CAVALIEREP,SQUILLACE A.High temperature deformation of friction stir p rocessed 7075 aluminium alloy[J]. Materials Characterization,2005,55(2)：136-142.

[4]ROLLON Mr.COLLINS E.The use of friction welding technology in maritine app lication[C]∥JATA K V.MAHOEY M W.Alum inum 2001-Processing of the TMS 2001 Alum inum Automotive and Joining Sessins.Indianapolis, America：TMS,2001.189-195.

[5]欒國紅,NORTH TH,郭德倫,等.鋁合金攪拌摩擦焊接頭行為分析[J].焊接學報,2002,23(6)：62?66.

[6]ELREFAEY A,TAKAHASHIM,IKEUCH IK.Prelim inary investigation of friction stir welding alum inum/copper lap joint[A].Proceeding of IIW Pre-AssemblyMeeting on FSW[C].Nagoya：Osaka University,2004.275-285.

[7]CAVALIEREA P,SQUILLACEB A,PANELLAA F.Effectof welding parameters onmechanical and m icrostructural p roperties of AA 6082 joints produced by friction stir welding [J].Journal of materials processing technology,2008, 200：364-372.

[8]周鵬展,鐘掘,賀地球.7A52鋁合金厚板攪拌摩擦焊[J].中國有色金屬學報,2006,16(6)：964-969.

[9]JONESM J,HEURTIER P,DESRAYAUD C,etal.Correlation between microstructure and m icrohardness in a friction stir welded 2024aluminium alloy[J].Scripta Materialia,2005,52(8)：693-697.

[10]趙衍華,林三寶,申家杰,等.2014鋁合金攪拌摩擦焊接頭的微觀組織及力學性能[J].航空材料學報, 2006,26(1)：67-70.

[11]LIECHTY B C,WEBB B W.Modeling the frictional boundary condition in friction stir welding[J].International Journal of Machine Tools＆Manufacture,2008,48：1474-1485.

[12]魏世同,郝傳勇.01420鋁合金的攪拌摩擦焊接[J].航空材料學報,2006,26(6)：21-25.