厚板2195鋁鋰合金攪拌摩擦焊縫組織及性能研究

孫世烜，李延民，李 超，馬建波，古海輪

（首都航天機械公司，北京 100076）

厚板2195鋁鋰合金攪拌摩擦焊縫組織及性能研究

孫世烜，李延民，李 超，馬建波，古海輪

（首都航天機械公司，北京 100076）

采用攪拌頭轉速800r/min、焊接速度150mm/min、攪拌頭傾角2.5°的工藝參數焊接了10mm厚2195鋁鋰合金，并對接頭組織及性能開展分析研究。結果表明：厚板2195鋁鋰合金攪拌摩擦焊接頭組織分為焊核區、熱機影響區、熱影響區及軸肩影響區四個區域，且焊核中心也有明顯的“洋蔥環”結構；接頭抗拉強度及延伸率分別達到母材的70%與60%，力學性能良好；接頭各區域受攪拌作用及熱循環影響的不同，晶粒組織尺寸存在差異，焊核區硬度最低，熱機影響區次之，母材區硬度最大；接頭斷口以等軸韌窩為主，屬于典型韌性斷裂。

2195鋁鋰合金；攪拌摩擦焊；微觀組織；力學性能

0 前言

鋰是世界上最輕的金屬元素，把鋰作為合金元素加到金屬鋰中，就形成了鋁鋰合金。鋁鋰合金雖有比強度高、同等體積下重量輕、超塑性和良好的低溫性能等諸多優點，但由于富含活潑金屬鋰元素，采用熱輸入量較高的熔焊工藝焊接鋁鋰合金，就極易產生氣孔、熱裂紋和接頭軟化等缺陷[1]。因此，突破鋁鋰合金連接技術，對擴大鋁鋰合金在航空、航天領域的應用和推動航天產品輕量化發展具有十分重要的意義。

攪拌摩擦焊（FSW）是一種新的連接方法，它是通過高速旋轉的攪拌頭插入被焊工件，將機械能轉化為摩擦熱而實現固相連接[2]。采用攪拌摩擦焊工藝焊接鋁鋰合金，一方面旋轉的軸肩及攪拌針能夠破壞并打碎待焊件表面氧化膜，解決因氧化膜帶來的焊接工藝難題，另一方面焊接過程中不添加焊絲，金屬只發生塑性流動而不熔化，避免了鋰元素的揮發及燒損，不會產生氣孔、夾雜、熱裂紋及接頭軟化現象，焊縫殘余應力低，力學性能良好[3～5]。

目前，國內外主要針對薄板鋁鋰合金攪拌摩擦焊的研究較多，對厚板鋁鋰合金攪拌摩擦焊工藝、組織及性能研究涉及較少。本文采用攪拌摩擦焊焊接10mm厚2195鋁鋰合金，對力學性能、微觀組織、顯微硬度及斷口形貌開展分析研究。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

實驗使用的是沿長度方向軋制的10mm厚2195 T8態鋁鋰合金，其化學成分及力學性能分別如表1和表2所示。

表1 2195鋁鋰合金化學成分（質量分數／%）

表2 2195鋁鋰合金常溫力學性能

1.2 試驗方法

用剪床將板材剪切成300mm×160mm×10mm的試片，裝配前先用刮刀刮削待焊接邊去除氧化膜，然后再用風動鋼絲刷清理、打磨，最后用酒精擦拭后待用。

試驗使用的是上海拓璞數控科技有限公司研制的三軸攪拌摩擦焊設備，攪拌頭為自行設計制造，攪拌頭各參數指標見表3。

表3 攪拌頭參數

將試片安裝在工作臺的剛性墊板上，用夾具夾緊后進行攪拌摩擦焊接，焊接工藝參數如表4所示。

表4 焊接試驗參數

試驗完成后，用相控陣及X光檢測焊縫內部質量；用線切割沿焊接方向取5個子樣，在CMT5105型拉伸試驗機上做拉伸試驗，獲取力學性能；取1個子樣做金相，使用Olympus-PMG3觀察焊縫宏觀形貌及微觀組織，顯微硬度在HVS-1000顯微硬度計上沿接頭寬度方向上測量；用掃描電鏡（SEM）觀察斷口的微觀形貌。

2 試驗結果與分析

2.1 2195鋁鋰合金焊縫外觀及內部質量

2195鋁鋰合金攪拌摩擦焊焊縫外觀如圖1所示。

圖1 2195鋁鋰合金焊縫外觀及內部質量

從圖1中可以看出，攪拌摩擦焊接的10mm厚2195鋁鋰合金焊縫成型美觀，飛邊適度且集中在后退側，沒有出現熱裂紋缺陷。相控陣及X光檢測焊縫內部沒有孔洞及隧道型缺陷，焊縫內外質量均良好，焊接參數匹配合理。

2.2 2195鋁鋰合金接頭組織分析

圖2為10mm厚2195鋁鋰合金攪拌摩擦焊焊縫宏觀形貌。

圖2 10mm厚2195鋁鋰合金接頭宏觀形貌

由圖2可以看出：2195鋁鋰合金攪拌摩擦焊縫成上大下小的梯形狀，也可以分為焊核區、熱機影響區、熱影響區以及軸肩影響區[6]。由于攪拌針上有螺紋，一方面增大了攪拌針與材料接觸的面積，使攪拌效果得到了提升，另一方面將機械能更多的轉化為熱能，讓材料充分塑化。焊接接頭中心的焊核區在經歷攪拌針強烈的攪拌和反復的熱循環作用下，形成了一系列同心“洋蔥環”結構，而且離焊縫中心越近，“洋蔥環”形狀就越明顯。這種特殊的形貌反映出2195鋁鋰合金攪拌摩擦焊過程中的在“熱-機”共同作用下的塑化金屬流動的復雜性。焊核兩側的熱機影響區雖然沒有直接經受攪拌針的攪拌作用，但熱循環及攪拌力使得攪拌針前進側及后退側的熱機影響區組織呈現出向軸肩方向偏轉的趨勢，受“熱-機”影響程度不如焊核區強。軸肩影響區組織在攪拌頭反復鍛壓及熱循環作用下被打散，宏觀狀態下看不出明顯的方向性。

圖3為10mm厚2195鋁鋰合金攪拌摩擦焊接頭組織微觀形貌。

圖3 10mm厚2195鋁鋰合金攪拌摩擦焊接頭微觀組織

圖3a為母材微觀組織，為軋制方向的板條狀形態，圖中黑色物質為強化相。圖3b為焊核區微觀組織，與圖3a相比，焊核區組織為細小的等軸晶粒，分布均勻，沒有方向性。這是因為該區域組織受到攪拌頭強烈的攪拌作用，高溫熱循環使得組織發生動態再結晶，而再結晶的晶粒還來不及長大就又被攪拌頭打碎，在“成長—打碎”反復循環過程中，與母材相比，焊核區的組織就變得非常細小，并且強化相也相對分布均勻。形成的這些細小晶粒對提高焊縫強度起到關鍵作用[7]。圖3c和3d分別為接頭前進側與后退側熱機影響區微觀形貌。從圖中看出，前進側與后退側的熱機影響區靠近焊核區，寬度較窄，與焊核區有明顯的分界面。該區域內的組織都出現向上偏轉的趨勢，這說明熱機影響區組織雖然沒有直接受到攪拌針的攪拌作用，但是焊接熱循環讓該區域組織易于流動，在攪拌頭高速旋轉作用下生產了較大的彎曲變形，形成拉長的組織。

2.3 2195鋁鋰合金接頭力學性能分析

從表5中可以看出，接頭的抗拉強度為395MPa～410 MPa，延伸率均值為4%，分別達到母材接頭強度系數的70%和60%。

表5 試片接頭力學性能

接頭的斷裂位置主要發生在熱機影響區與熱影響區的交界處。這是因為該區域組織沒有受到攪拌針強烈的攪拌作用，只受到了焊接過程中高溫熱循環的影響，因此晶粒不發生變形，在回復反應作用下變得粗大，降低了接頭的力學性能。

2.4 2195鋁鋰合金接頭顯微硬度分析

以焊縫中心為起點，左右兩邊每隔1mm取一個點測量接頭的顯微硬度，最終獲得的硬度值如圖4所示。

圖4 接頭硬度分布

從圖4可知，焊縫中心區的硬度最低，熱機影響區次之，母材區硬度最高。這可能是因為母材沒有受到攪拌頭的作用，強化相較多，且分布均勻，增加了組織的硬度。結合圖3分析，相對于母材區組織，焊核晶粒及強化相均被攪拌頭的攪拌作用打碎、打散，形成細小等軸晶，增加了組織的致密性，但缺少強化相彌散，因此硬度較低。

2.5 2195鋁鋰合金接頭斷口形貌分析

2195鋁鋰合金攪拌摩擦焊接頭斷裂部位出現了明顯的韌窩和撕裂棱，如圖5所示，屬于典型的韌性斷裂，說明接頭質量良好。這是因為在攪拌頭軸肩、攪拌針的共同作用下，焊縫組織晶粒被碾碎、細化，形成組織致密的細小等軸晶組織，接頭均勻性及一致性良好，在拉應力作用下易形成等軸韌窩狀形貌。

圖5 斷口微觀形貌

3 小結

（1）10mm厚2195鋁鋰合金在攪拌頭轉速800r/min、傾角2.5°、焊接速度150mm/min工藝參數下，能夠形成質量良好的焊縫，接頭力學性能滿足使用要求。

（2）接頭各區域受到攪拌頭攪拌作用及焊接熱循環影響的不同，其組織形貌存在顯著差異：焊核區有“洋蔥環”結構，晶粒細小，組織致密；熱機影響區受到強烈的焊接熱循環影響及較弱的攪拌作用，晶粒比焊核區粗大，且呈現一定的方向性；熱影響區僅受到焊接熱循環影響，組織粗化現象嚴重。

（3）焊核區硬度最低，熱機影響區次之，母材區硬度最高。

（4）接頭斷裂在熱機影響區與熱影響區的交界部位，經掃描分析，斷口以等軸韌窩為主，屬于典型的韌性斷裂。

[1] 王永，胡捷，胡國平. 可焊鋁鋰合金焊接研究現狀[J].有色金屬，54(1):16-20

[2] 王國慶，趙衍華. 鋁鋰合金的攪拌摩擦焊接[M]. 中國宇航出版社，2010，10

[3] 于勇征，欒國紅，孫成彬. LF6/LD10鋁鋰合金攪拌摩擦焊工藝參數對接頭性能的影響[J]. 焊接學報， 2005.11. 26(11)：67-70

[4] 周萬盛，姚君山. 鋰及鋁鋰合金的焊接[M]. 北京：機械工業出版社，2006，01

[5] 王大勇，馮吉才，王攀峰. 柱形光頭攪拌針攪拌摩擦焊接鋁鋰合金接頭組織及力學性能[J].材料工程，2004，第3期：3-6

[6] 王大勇，馮吉才，王攀峰. 鋁鋰合金攪拌摩擦焊接研究[J].材料科學與工程學報，2005，95，23(3):369-372

[7] 魏世同，郝傳勇. 1420鋁鋰合金的攪拌摩擦焊接[J].航空焊接學報，2006，26(6):21-25

（編輯：張為賓）

Research on Structure and Property of Friction Stir Weldings for 2195 Al-Li Plate

SUN Shi-xuan, LI Yan-min, LI Chao, MA Jian-bo,GU Hai-lun
(Capital Aerospace Machinery Company, Beijing 10076,China)

Stirring head with rotation speed of 800r/min,welding speed of 150mm/min, dip angle of 2.5°for stirring head were used for welding 2195 Al-Li alloy with thickness of 10mm. And microstructure and property of welded joints were analyzed and researched in the paper.

2195 Al-Li alloy; friction stir welding; microstructure; property

TG146.21，TG457.14

A

1005-4898(2014)04-0015-04

10.3969/j.issn.1005-4898.2014.04.04

孫世烜（1985-），男，湖北人，助理工程師，材料加工工程專業碩士研究生。

2014-05-26