5083鋁合金攪拌摩擦焊接頭的微觀組織與力學(xué)性能

趙亞東，段 非，朱西偉，葛繼平

(1.安陽(yáng)工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，河南 安陽(yáng) 455000；2.大連交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

5083鋁合金攪拌摩擦焊接頭的微觀組織與力學(xué)性能

趙亞東1，段 非1，朱西偉1，葛繼平2

(1.安陽(yáng)工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，河南 安陽(yáng) 455000；2.大連交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

通過金相分析、拉伸及斷口形貌觀察等方法研究8 mm厚5083鋁合金攪拌摩擦焊接頭的顯微組織和力學(xué)性能。金相觀察結(jié)果表明：焊核區(qū)由細(xì)小的等軸晶組織構(gòu)成；熱機(jī)影響區(qū)受機(jī)械和熱的雙重作用組織發(fā)生了較大程度的變形；熱影響區(qū)僅受熱循環(huán)的作用，與母材組織相似，但組織稍微有粗化現(xiàn)象。力學(xué)試驗(yàn)表明：焊接速度為160mm／min時(shí)，接頭的抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到327.3MPa，為母材強(qiáng)度的95.6%。斷口形貌分析顯示，接頭的斷裂模式為韌性和脆性的混合型斷裂。

攪拌摩擦焊；5083鋁合金；接頭組織；力學(xué)性能

0 前言

5083鋁合金具有高的比強(qiáng)度、斷裂韌性、良好的耐腐蝕性和易加工等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域中。目前該合金的焊接主要采用熔化極氬弧焊，但是在焊接過程中易產(chǎn)生氣孔、裂紋等缺陷，降低力學(xué)性能，限制了該合金在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用。

攪拌摩擦焊是由英國(guó)焊接研究所(TWI)于1991年發(fā)明的新型連接技術(shù)[1]，是自激光焊接技術(shù)以后的又一項(xiàng)革命性的連接技術(shù)，優(yōu)點(diǎn)眾多[2-4]，應(yīng)用前景廣闊。本研究采用攪拌摩擦焊進(jìn)行5083鋁合金對(duì)接焊，研究接頭的微觀組織和力學(xué)性能。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)用材料為8 mm厚的5083鋁合金軋制板，焊件尺寸300 mm×150 mm×8 mm，已經(jīng)過淬火和人工時(shí)效處理，其力學(xué)性能為：σ0.2＝162.5 MPa，σb＝342.5 MPa，斷面收縮率ψ＝21.6%，化學(xué)成分如表1所示。焊前用酒精擦拭試件，將試件剛性固定在專用夾具上，攪拌頭以旋轉(zhuǎn)速度400 r／min擠入試件結(jié)合面內(nèi)，然后分別以80～160 mm／min焊接速度沿結(jié)合線方向行走。試驗(yàn)用攪拌頭的軸肩直徑為20mm；攪棒根部直徑8 mm，長(zhǎng)7.6～7.7 mm。焊后在拼焊板上沿焊縫橫向制取金相試樣和拉伸試樣。在BX51M金相顯微鏡下觀察接頭顯微組織，在WE-30型液壓式萬能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，在JSM-6460LV掃描電鏡下觀察接頭的斷口形貌。

表15083 鋁合金化學(xué)成分 %

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 顯微組織

采用優(yōu)化的焊接工藝參數(shù)可以獲得優(yōu)良的攪拌摩擦焊焊縫。焊后接頭形成三種不同的區(qū)域，分別為焊核區(qū)(weld nugget)、熱機(jī)影響區(qū)(thermo-mechanically affected zone，TMAZ)和熱影響區(qū)(heat-affected zone，HAZ)，如圖1所示。在焊核區(qū)可以看到明顯的“洋蔥環(huán)”組織，焊核是最接近軸肩的區(qū)域，組織結(jié)構(gòu)通常有較大的變化。前進(jìn)邊(advancing side，AS)為攪拌頭旋轉(zhuǎn)方向與攪拌頭行進(jìn)方向一致的側(cè)面，回撤邊(retreating side，RS)為攪拌頭旋轉(zhuǎn)方向與攪拌頭行進(jìn)方向相反的側(cè)面。焊核與熱機(jī)影響區(qū)的分界線在前進(jìn)邊與回撤邊是不相同的。前進(jìn)邊分界明顯，TMAZ中的塑性流動(dòng)痕跡也很清晰，回撤邊分界則比較模糊。出現(xiàn)這種現(xiàn)象與焊接過程中兩側(cè)金屬的塑性流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)[5]。

5083鋁合金FSW接頭各區(qū)域顯微組織如圖2所示。接頭組織與母材組織差異較大。5083鋁合金母材的顯微組織是典型的軋制經(jīng)淬火加人工時(shí)效的組織，晶粒為呈明顯方向性的板條狀，這是由軋制過程中的變形引起的(見圖2a)。焊核區(qū)位于接頭的中間部位，該區(qū)受到攪拌頭強(qiáng)烈的機(jī)械攪拌作用和劇烈摩擦產(chǎn)生的局部高溫作用，組織發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，由母材原始的帶狀組織轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的等軸晶組織(見圖2b)。與接頭中的另外區(qū)域相比較，熱機(jī)影響區(qū)組織變化最為劇烈，在劇烈變化的粘附力和焊接熱循環(huán)綜合作用下，形成了從粘附長(zhǎng)大的破碎組織到彎曲變形的帶狀組織的變化梯度，其中還混合有再結(jié)晶晶粒和回復(fù)晶粒(見圖2c)。熱影響區(qū)的晶粒為典型受熱長(zhǎng)大組織(見圖2d)。此處主要受熱影響，受力很小或完全不受力，畸變能很低。

圖1 FSW接頭組織分布[2]

圖2 FSW接頭的顯微組織

2.2 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

其他規(guī)范參數(shù)相同，不同焊接速度焊接的5083鋁合金接頭力學(xué)性能如表2所示。當(dāng)攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度一定時(shí)，隨著焊接速度的增加，焊接接頭平均抗拉強(qiáng)度增大，在旋轉(zhuǎn)速度400r／min、焊接速度160mm／min時(shí)，接頭的抗拉強(qiáng)度為327.3MPa，達(dá)到母材的95.6%；斷面收縮率20.3%，達(dá)到母材的95.3%，但是接頭表面產(chǎn)生較大的飛邊。

表2 不同焊接速度焊接接頭拉伸測(cè)試結(jié)果

2.3 斷口形貌

攪拌摩擦焊接接頭斷口形貌如圖3所示，試件斷裂于前進(jìn)側(cè)熱影響區(qū)處。從整體形貌來看(見圖3a)，斷口表面光滑平整，局部區(qū)域有少量的纖維狀特征。從斷口可以看出，斷口上大面積存在較大較深的等軸狀韌窩和撕裂棱，顯示出接頭具有較好的塑性，為塑性斷裂。在斷口上還可見到細(xì)小的第二相粒子剝離后留下的非常細(xì)小的光滑韌窩，在晶界上出現(xiàn)微裂紋，為沿晶斷裂。在大韌窩中還存在粗大的第二相粒子斷裂后留下的斷面，為穿晶斷裂。根據(jù)斷口形貌分析，接頭斷裂模式為穿晶+沿晶混合型斷裂。

3 結(jié)論

(1)采用攪拌摩擦焊實(shí)現(xiàn)了8mm厚度5083Al合金的連接。接頭由不同的三部分區(qū)域構(gòu)成：焊核區(qū)發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，形成了細(xì)小的等軸晶組織；熱機(jī)影響區(qū)在攪拌針機(jī)械擠壓和熱循環(huán)的雙重作用下發(fā)生較大程度的變形；熱影響區(qū)僅受熱循環(huán)的作用，與母材組織相似，但組織稍微有粗化現(xiàn)象。

(2)攪拌頭行走速度為160 mm／min時(shí)，接頭的抗拉強(qiáng)度最大，最大值327.3 MPa，相當(dāng)于母材強(qiáng)度的95.6%。

(3)分析接頭斷口形貌，接頭的斷裂形式為穿晶+沿晶混合型斷裂。

圖3 接頭斷口形貌

[1] Dawes C J.Introduction to Friction Stir Welding and Its Development[J].Welding and Metal Fabrication，1995，63(1)：13-15.

[2] MISHRA RS，MA ZY.Friction stir welding and processing[J].Materials Science and Engineering，2005，50(12)：178-185.

[3] ThomeasWM，NicholasED.Frictionstirweldingforthetransportation industries[J].Materials and Design，1997，18(16)：269-273.

[4] Dawes C J，Thomas W M.Friction stir process welds aluminum alloys[J].Welding Journal，1996，75(3)：41-45.

[5]傅志紅，賀地求，周鵬展，等.7A52鋁合金攪拌摩擦焊焊縫的組織分析[J].焊接學(xué)報(bào)，2006，27(5)：65-68.

Microstructures and mechanical properties of friction stir welding joint of 5083 aluminum alloy

ZHAO Ya-dong1，DUAN Fei1，ZHU Xi-wei1，GE Ji-Ping2
(1.School of Mechanical Engineering，Anyang Institute of Technology，Anyang 455000，China；2.School of Materials Science and Engineering，Dalian Jiaotong University，Dalian 116028，China)

Microstructure and properties of friction stir welding joint of 5083 Al alloy in 8 mm thickness were investigated by metallographic analysis，roomtemperature tensile and fracture analysis.The metallographic analysis demonstrated that the weld nugget was characterized by the dynamic recrystallization，which consist of refined，equiaxed grains.The microstructure in TMAZ，consist of highly deformed grains and those in HAZ consist of coarse grains.Mechanical property demonstrated that the tensile strength of the joint can reach 327.3 MPa，as much as 95.6%of the metal.The fracture analysis showed that the fracture mode of the joints is ductile／brittle mixed fracture.

friction stir welding；5083 Al alloy；joint microstructures；mechanical property

TG453+.9

A

1001-2303(2011)12-0032-03

2010-10-22

趙亞東(1983—)，男，河南安陽(yáng)人，碩士，主要從事鋁合金攪拌摩擦焊工藝研究。