焊接道次對厚板鋁合金攪拌摩擦焊縫組織性能的影響

鄢江武 ，李寶華 ，唐眾民 ，沈明明

（1.先進焊接技術湖北省重點實驗室，湖北 孝感 432100；2.湖北三江航天紅陽機電有限公司，湖北 孝感 432100）

0 前言

攪拌摩擦焊是英國焊接研究所發明的一種新型固相連接技術，適用于鋁、鎂等低熔點合金的連接，尤其適用于高強鋁合金的焊接。攪拌摩擦焊作為一種固相焊接技術，克服了傳統熔焊方法無法避免的缺陷，如氣孔、裂紋等缺陷[1-2]，因此廣泛應用于航空、航天、汽車、船舶等工業領域中的鋁合金焊接。

2A70是一種高強、耐熱鋁合金，其高溫下有較高的強度，極易生成難熔化合物，因此在高溫下具有較高的強度和抗蠕變性能。采用傳統熔焊方法，焊接過程中易促進大量析出相，導致焊縫強度較差，且工件變形不易控制。攪拌摩擦焊由于在焊接過程中材料未達到熔化狀態，因此可以有效控制析出相的數量，且在焊接過程中材料發生劇烈塑性變形，可有效碎化析出相，達到增強焊縫的目的。雖然攪拌摩擦焊接過程未達到熔化狀態，但其溫度也足以促進合金相的析出。析出相與焊接過程中的塑性變形之間的關系，目前還沒有針對2A70的相關研究報道。

本研究采用16mm厚的2A70-T6鋁合金對搭接接頭的焊縫結構進行多道次攪拌摩擦焊試驗，通過測試分析焊縫顯微組織和機械性能，研究焊接道次對焊縫組織性能的影響。

1 實驗材料和方法

選用2A70-T6鋁合金板材，搭接板尺寸分別為500 mm×100 mm×16 mm，被搭接板尺寸為500 mm×100 mm×30 mm，并在30 mm的厚板上加工20 mm×16 mm的搭接邊，如圖1所示。試板首先經過堿洗處理，焊前用丙酮或酒精擦洗試板搭接處。采用由北京賽福斯特技術有限公司生產的型號為FSW-3LM-006的攪拌摩擦焊接設備進行焊接，轉速400 r/min、焊速150 mm/min。在相同的焊接參數下，對三對試板進行不同道次的焊接，焊接完畢后對焊縫進行微觀組織觀察和力學性能測試。

2 實驗結果和分析

2.1 焊縫橫截面宏觀形貌

旋轉速度400 r/min、焊接速度150 mm/min時，不同焊接道次的焊縫橫截面形貌如圖2所示，其中AS（Advancing Side）表示前進側、RS（Retreating Side）表示后退側。圖2a為一次焊接后的宏觀形貌，可以看出焊核區域并沒有形成清晰的洋蔥環形貌特征，塑性金屬在焊縫厚度方向上流動充分，焊縫組織優良。圖2b和圖2c分別是二次和三次焊接后的截面形貌，隨著焊接道次的增多，靠近前進側的熱影響區寬度逐漸增大，在靠近前進側的上表面出現內部孔洞缺陷，如圖2d所示。

圖1 搭接試板示意

圖2 焊縫橫截面形貌

2.2 焊縫微觀組織形貌

圖3a為前進側的熱影響區與焊核區之間的過渡區，微觀組織形貌變化劇烈，過渡區內塑性金屬呈現拉長流線狀形貌，焊核區晶粒細小。圖3b為后退側熱影響區與焊核之間的過渡區微觀形貌，由焊核區細小晶粒逐漸過渡至母材粗大晶粒的分布結構，過渡區的變形程度較前進側顯著減弱。圖3c為母材組織，主要由基體 α 相（Al）和強化 S相（CuMgAl2）組成，其中S相以顆粒狀分布在α相內，微觀組織表現為粗大、不均勻的等軸晶粒，晶粒大小約為12 μm。圖3d為一次焊接后焊核區微觀組織形貌，可以看出焊核晶粒細小，約為5 m，且分布均勻；這是由于在焊接過程中，處于焊核區的金屬在攪拌頭旋轉攪拌和摩擦熱的作用下發生了劇烈塑性變形和動態再結晶現象，導致粗大晶粒破碎并產生細小等軸狀再結晶晶粒；此外，經劇烈變形后，S相經攪拌后呈彌散分析。圖3e和圖3f分別為二道次和三道次焊后的焊核組織，由圖中可以看出，隨著焊接道次的增加，晶粒逐漸增大，且S相偏聚于晶界處；其中，經三道次焊后，焊核區晶界逐漸模糊不清，晶界處出現大量、粗大的強化相。

圖3 焊縫顯微組織金相

在攪拌摩擦焊接過程中，焊核區微觀組織形貌主要由熱輸入量決定。隨著焊接道次的增加，焊核內晶粒經過多次重復的熱循環，大大增加了焊接熱輸入量，焊縫金屬在攪拌頭的旋轉攪拌作用下發生動態再結晶，重新形核并長大。根據晶粒長大動力學[4]有

式中 Dr為恒溫下保溫τ時間后的晶粒平均直徑；A0為常數；Q為晶界遷移激活能；T為絕對溫度；R為氣體常數。因此，隨著焊接道次隨著焊接次數的增多，焊核區再結晶晶粒受到的熱量增加，晶粒長大的趨勢顯著，并出現過燒的組織特征。

2.3 機械性能測試

為了進一步研究焊接道次對焊縫機械性能的影響，將經過不同焊接道次的試板跨焊縫加工成拉伸試樣，并進行拉伸測試，測試結果如表1所示。由表1可知，經過一道次焊接后，焊縫的抗拉強度為355.5MPa、屈服強度為260.7MPa、延伸率為6.5%；隨著焊接道次的增加，焊縫的抗拉強度、屈服強度和延伸率均表現為逐漸減小。這是因為隨著焊接道次的增加，晶粒逐漸長大，且大量固溶強化相處以大量粗大的析出相分布在晶界處，焊核區組織表現為過燒特征。當拉伸試樣在軸向拉應力的作用下沿晶界處斷裂，因此，隨著焊接次數的增多，焊縫的抗拉強度、屈服強度和延伸率均降低。

3 結論

（1）對于16 mm厚2A70-T6鋁合金搭接接頭的焊縫，采用轉速400 r/min、焊速150 mm/min一道次焊后，可獲得高質量焊接接頭，抗拉強度355.5MPa。

（2）隨著焊接道次的增加，焊縫熱輸入量的增加，焊縫內部出現空洞型缺陷，焊核區晶粒顯著長大，且晶界處聚集大量的析出相，并表現為過燒的組織特征。

（3）隨著焊接道次的增加，焊接接頭的抗拉強度、屈服強度和延伸率均逐漸降低。

表1 焊縫經不同焊接次數的機械性能

[1]Thomas W，Dawes C，Gittos M，et al.Friction Stir-where We Are，and Where We are Going[J].TWI Bulletin，1998（5－6）：44-50.

[2]Thomas W M，Nicholas E D.Friction Stir Welding for the Transportation Industries.Materials&Design，1997（18）：269-273.

[3]劉 芳，單德彬，呂 炎.基于人工神經網絡的2A70鋁合金形變顯微組織預測[J].上海理工大學學報，2008，4（30）：395-399.

[4]胡德林.金屬學原理[M].西安：西北工業大學出版社，1995：283-288.