汽車用7075鋁合金攪拌摩擦焊工藝與性能

桂 林，郭倉庫

（河南工業(yè)職業(yè)技術學院，河南南陽473000）

汽車用7075鋁合金攪拌摩擦焊工藝與性能

桂 林，郭倉庫

（河南工業(yè)職業(yè)技術學院，河南南陽473000）

采用攪拌摩擦焊實現(xiàn)了7050鋁合金的焊接，通過金相顯微鏡、掃描電鏡和萬能試驗機研究了焊接接頭組織和性能。結果表明，鋁合金攪拌摩擦焊接時，在相同焊接速度下，隨著旋轉速度的增加，熔核底部未焊透區(qū)域增加，熔核區(qū)平均晶粒尺寸增加。隨著旋轉速度與焊接速度比值增加，鋁合金攪拌摩擦焊接頭抗拉強度降低。焊接速度20 mm/min-1，旋轉速度200 mm/min-1時，接頭抗拉強度達到最大值373 MPa。固溶處理后鋁合金抗拉強度增加。

7075鋁合金；攪拌摩擦焊；旋轉速度；抗拉強度

0 前言

鋁合金比強度高、耐腐蝕性能好、韌性好、具有優(yōu)良的加工性能，在航空航天、汽車、軌道車輛等方面的應用越來越廣泛[1-2]。隨著汽車輕量化的高速發(fā)展，鋁合金作為汽車輕量化的首選材料，將發(fā)揮越來越大的作用[3]。

鋁合金線膨脹系數(shù)較大，導熱系數(shù)大，導致鋁合金焊接性差。熔焊時極易產生裂紋、氣孔等缺陷，對于超高強鋁合金，焊接性更差，嚴重阻礙超高鋁合金的廣泛應用[4]。作為一種固相連接技術，攪拌摩擦焊具有高效、節(jié)能、焊后變形小等優(yōu)點，特別適合焊接熔焊難以焊接的金屬，大量應用于鋁合金的焊接[5-7]。因此，本研究采用攪拌摩擦焊技術實現(xiàn)對7075高強鋁合金的焊接，主要研究焊接工藝及其對焊接接頭性能的影響，為鋁合金的焊接提供參考。

1 試驗材料與方法

試驗母材為厚度5 mm的7075鋁合金，試樣尺寸為5 mm×200 mm×300 mm，試驗材料化學成分如表1所示。焊接前用砂紙打磨表面去除表面氧化膜，并用酒精清洗去除表面油污。采用攪拌摩擦焊機進行焊接，采用平板對接方式，圓柱形攪拌頭，軸間直徑15 mm，攪拌針根部直徑5 mm，長度4.8 mm，傾斜角2.5℃。選用不同旋轉速度和焊接速度進行焊接。

采用線切割垂直于焊縫方向切取15 mm×30 mm大小試樣，經鑲嵌，拋光后超聲清洗、烘干，使用Keller試劑進行腐蝕。采用金相顯微鏡和掃描電鏡觀察焊接接頭微觀組織。采用萬能試驗機測試焊接接頭焊接態(tài)和熱處理后拉伸性能，拉伸試驗按GB/ T2651-1989標準進行，每個試驗樣品取3個值的平均值。熱處理制度為480℃×1 h，升溫速率分別為50℃/h、200℃/h、500℃/h和800℃/h。

表1 試驗材料7075化學成分Tab.1 The chemical composition of tested materials %

2 試驗結果及討論

2.1 旋轉速度對焊縫組織的影響

焊接速度為20 mm/min時不同旋轉速度下焊縫橫截面表面成形如圖1所示。由圖1可知，旋轉速度從200 r/min到800 r/min時，均能獲得質量良好的焊縫，焊縫致密、無氣孔、裂紋等缺陷。隨著旋轉速度增加，熔核橫向尺寸增加。當旋轉速度為200 r/min時，厚度方向完全焊透，隨著旋轉速度的增加，熔核底部距母材底部都有一定的距離，板材未完全焊透。旋轉速度越高，距離越大。

圖1 不同旋轉速度下焊縫橫截面形貌Fig.1 Cross section morphology of weld at different rotation speed

旋轉速度對熔核區(qū)晶粒尺寸的影響曲線如圖2所示。隨著旋轉速度的增加，熔核區(qū)平均晶粒尺寸增加。旋轉速度200 r/min時，熔核區(qū)晶粒尺寸為4.0 μm，旋轉速度1 000 r/min，熔核區(qū)晶粒尺寸為9.0 μm。隨著旋轉速度的增加，焊接熱輸入量增加，晶粒動態(tài)再結晶驅動力增大，因此熔核區(qū)晶粒尺寸不斷增加。

圖2 旋轉速度對熔核區(qū)晶粒尺寸的影響Fig.2 Effect of rotation speed on the Grain size of weld nugget

2.2 焊接接頭拉伸強度

不同旋轉速度與焊接速度比值對焊接接頭抗拉強度的影響如圖3所示。由圖3可知，隨著旋轉速度與焊接速度比值的增大，焊接接頭抗拉強度降低。焊接速度20 mm/min，旋轉速度200 r/min時，接頭抗拉強度為373MPa，達到母材強度的80.9%，斷裂發(fā)生在熱影響區(qū)；當焊接速度40 mm/min，旋轉速度800 r/min時，焊接接頭抗拉強度降低為331 MPa，約為母材強度的71.8%，斷裂發(fā)生在熱影響區(qū)與熔核交界處。

圖3 焊接接頭抗拉強度Fig.3 Tensile strength of welded joints

圖4為焊接接頭拉伸斷口形貌。當焊接速度為20 mm/min，旋轉速度為200 r/min時，拉伸斷口主要為小而深的韌窩，大小均勻，韌窩內存在小顆粒。當焊接速度為40 mm/min，旋轉速度為600 r/min時，斷口表面韌窩尺寸差異較大，大韌窩底部小顆粒破碎，韌窩主要由孔洞聚集造成。在熱影響區(qū)與熔核交界處，部分晶粒發(fā)生動態(tài)再結晶形成等軸晶，同時晶粒發(fā)生嚴重的塑性變形，變形不均勻區(qū)域產生應力集中，孔洞容易生成直至斷裂。

圖4 焊接接頭斷口形貌Fig.4 Fracture Morphology of welded joints

2.3 熱處理對焊接接頭抗拉強度的影響

固溶處理不同加熱速率對焊接接頭抗拉強度的影響如圖5所示。由圖5可知，固溶處理后焊接接頭抗拉強度高于未熱處理時抗拉強度。隨著固溶處理加熱速度的增加，焊接接頭抗拉強度增加。加熱速率為50℃/h時，接頭抗拉強度為409 MPa；加熱速度800℃/h，接頭抗拉強度提高到472 MPa。分析認為，固溶處理時加熱速度越高，晶粒異常長大被抑制，晶粒尺寸較小。晶粒越小，晶界面積增加，位錯運動阻力加大，塑性變形難以發(fā)生，接頭抗拉強度越高。

圖5 熱處理后焊接接頭抗拉強度Fig.5 Tensile strength of welded joints after heat treatment

3 結論

（1）鋁合金攪拌摩擦焊接時，隨著旋轉速度的增加，熔核底部未焊透區(qū)域增加，熔核區(qū)平均晶粒尺寸增加。

（2）鋁合金攪拌摩擦焊接頭抗拉強度隨旋轉速度與焊接速度比值增加而降低。焊接速度20 mm/min，旋轉速度200 r/min時，接頭抗拉強度達到最大值，為373 MPa。

（3）固溶處理后鋁合金抗拉強度增加。加熱速率越高，抗拉強度增加越高。

[1]金玉花.高強鋁合金攪拌摩擦焊接頭組織及薄弱區(qū)研究[D].蘭州：蘭州理工大學，2012.

[2]萬鑫銘，徐小飛，徐中明，等.汽車用鋁合金吸能盒結構優(yōu)化設計[J].汽車工程材料，2013，3（1）：15-21.

[3]張傳臣，陳芙蓉.厚板高強鋁合金焊接發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J].電焊機，2007，37（7）：6-11.

[4]王志海，陳亮，張立民，等.車體結構鋁合金焊接接頭疲勞性能研究[J].電焊機，2013，43（8）：6-11.

[5]宋東福，王海艷，戚文軍，等.鋁合金攪拌摩擦焊的研究現(xiàn)狀與展望[J].電焊機，2011，41（3）：50-54.

[6]徐國建，鐘立明，杭爭翔，等.鋁合金焊接接頭沖擊強化的性能[J].焊接學報，2014，35（6）：57-61.

[7]董鵬.6005A-T6鋁合金攪拌摩擦焊接頭組織與性能研究[D].吉林：吉林大學，2014.

Study on friction stir welding process and properties of 7075 Al alloy for automobile

GUI Lin，GUO Changku
（Henan Polytechnic Institute，Nanyang 473000，China）

In this paper，7050 aluminum alloy was welded by friction stir welding.The microstructure and properties of welded joints were studied by metallographic microscope，scanning electron microscope and universal testing machine.Under the same welding speed，with the increasing of rotational speed，lack of penetration at the bottom of the molten nuclear area increased，and the average grain size of the melting nuclear area increased.With the ratio of rotation speed to welding speed，the tensile strength of aluminum alloy friction stir welded joints decreased.The tensile strength obtained the maximum of 373 MPa at the welding speed of 20 r/min and rotation speed of 200 r/min，and it increased after solution treatment.

7075 Al alloy；friction stir welding；rotation speed；tensile strength

TG446

：A

1001-2303（2015）09-0149-03

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.09.33

2015-01-02

桂 林（1982—），女，河南南陽人，碩士，主要從事汽車工程材料的研究工作。