6061鋁基碳化硅復合材料攪拌摩擦焊工藝研究

趙小強,許新猴,華鵬,李先芬,周偉,2

(1.合肥工業大學材料科學與工程學院,合肥230009; 2.新加坡南洋理工大學機械與宇航工程學院,新加坡639798)

6061鋁基碳化硅復合材料攪拌摩擦焊工藝研究

趙小強1,許新猴1,華鵬1,李先芬1,周偉1,2

(1.合肥工業大學材料科學與工程學院,合肥230009; 2.新加坡南洋理工大學機械與宇航工程學院,新加坡639798)

目的 研究攪拌道次對6061鋁基碳化硅復合材料的影響。方法 對6061鋁基碳化硅復合材料進行了攪拌摩擦焊實驗。結果 獲得了型面良好,表面光滑的焊接截面,焊核區組織為細小的等軸晶,熱機影響區為彎曲變形的晶粒,熱影響區組織發生了明顯的粗化。結論 攪拌次數越多,SiC顆粒分布越均勻,熱機影響區與熱影響區附近硬度最低,熱影響區硬度較低,焊核區硬度比母材稍高。

攪拌道次;攪拌摩擦焊;6061鋁合金;碳化硅;微觀組織;顯微硬度

攪拌摩擦焊(FSW)是英國焊接研究所于1991年發明的一項新型固相焊接技術,具有焊接接頭成形美觀、綜合力學性能良好、焊接變形小、綠色環保和無需焊材等優點。攪拌摩擦焊接技術憑借其巨大優勢,迅速成為了鋁合金、鎂合金等輕金屬焊接成形的先進技術,在航空、航天、造船、軌道交通等領域獲得了廣泛推廣和應用[1—2]。SiC顆粒具有高硬度、高耐磨性、良好的熱穩定性及化學穩定性,常用來制備金屬基復合材料,但采用以往的制備方法產生的高溫,容易導致SiC顆粒與鋁基體發生化學反應生成脆性相,影響基體的性能。與之相比,攪拌摩擦加工可有效避免脆性相的生成[3—9]。

Wang[10]等人對SiC顆粒制備5A06軋制鋁合金表面復合材料層的組織和性能進行了研究。Salehi[11]等人通過正交實驗FSP方法,研究了攪拌頭的旋轉速度、行進速度、軸肩下壓量對AA6061/SiC復合材料層組織和性能的影響。

目前,關于攪拌道次對6061鋁合金攪拌摩擦焊組織及性能的研究甚少。文中選用6 mm厚的6061鋁合金/SiC復合材料進行攪拌摩擦焊實驗,并對接頭進行微觀組織觀察及性能測試,研究攪拌道次對6061鋁合金攪拌摩擦焊接頭組織及性能的影響。

1 實驗

實驗材料為6 mm厚的6061鋁合金平板,焊件尺寸為300 mm×150 mm,主要化學成分如表1所示,SiC為粉末狀。在鋁板上先用記號筆畫出打孔中心線,預先打點為后面鉆孔作準備。用電鉆在鋁板上沿著打孔中心線,鉆出直徑2 mm、孔深3 mm、孔間距2 mm的一排孔,預置顆粒示意圖如圖1所示。接著孔中添加SiC粉并壓實,壓實是為了最大限度減少SiC粉末在攪拌過程中的流出。夾具將試板固定在焊機的工作臺上,注意兩板板面應保持在同一高度。調好攪拌頭傾角為2°,設定實驗焊接工藝參數為750 r/min的攪拌速度和47.5 mm/min的進給速度,下壓量為每道0.1 mm。攪拌頭旋轉方向:左旋、右旋,交替改變;第一道為左旋。實驗過程中先用攪拌頭旋入工件后稍作停頓,待攪拌頭旋轉穩定后即可依據設定的工藝參數進行焊接,直至焊接完畢。采用MH-3型數顯顯微硬度計測量焊接試樣顯微硬度,在距離焊縫表面2 mm處橫截面進行顯微硬度分析,設定載荷為50 g,保載時間為10 s,點間隔為0.5 mm。

表1 6061鋁合金板合金成分(質量分數,%)Tab le 1 The com position of 6061 p late alloy

圖1 預置顆粒示意圖Fig.1 Preset particles schematic

2 結果與分析

2.1 焊縫表面成形特征

在進行單道攪拌摩擦焊時,由于前進側壓力較大,在攪拌頭的攪拌下前進側金屬流動到后退側,并在后退側形成飛邊,前進側幾乎沒有飛邊。實驗由于采用左右旋交替作用,故飛邊在兩側面都存在,且焊縫上表面紋理細致,表面成形良好,如圖2所示。

圖2 焊縫上表面Fig.2 Upper surface of the weld

攪拌摩擦焊根據金相組織,根據力學性能的差異分為焊核區(NZ)、熱機影響區(TMAZ)、熱影響區(HAZ),如圖3所示[5]。

圖3 焊縫宏觀形貌Fig.3Weld macro-morphology

2.2 金相組織分析

圖4a是攪拌6道焊核區組織,圖4b是攪拌4道焊核區組織。從圖4a,b中可以看出,焊核區組織由等軸晶組成,晶粒細小。這主要是因為焊核區受到軸肩的壓力和旋轉摩擦力還有攪拌頭的旋轉摩擦和剪切力,導致晶粒被拉長,再加上攪拌作用將晶粒打碎,形成塑性軟化層,使得破碎的晶粒組織發生動態再結晶和回復,由于鋁合金導熱率比較大,散熱快,晶粒來不及長大,最后形成細小的等軸晶組織[12—13]。攪拌6道SiC顆粒聚齊程度很小,其分布比攪拌4道要均勻,可以得出攪拌次數越多,SiC顆粒分布越均勻。

圖4c為攪拌6道TMAZ-HAZ區組織,圖4d為攪拌4道TMAZ-HAZ區組織。從圖4c,d可以看出,緊鄰NZ區的是TMAZ區,其晶粒受到焊核區的塑性流動和攪拌頭轉動的雙重作用,晶粒被拉長,部分組織發生了較大的變形。HAZ區域晶粒尺寸較粗大。這主要是因為該區域受到焊核區焊接熱循環的作用,晶粒發生部分再結晶,再結晶沿著原晶界形成,使得原晶粒得到回復和長大。

圖4 FSW各區域顯微組織Fig.4 FSW microstructure

2.3 顯微硬度分析

如圖5所示,攪拌4道和攪拌6道的硬度分布沿焊核中心對稱分布。攪拌6道顯微硬度分布呈“W”形分布,最低硬度在焊接的熱影響區,最高硬度出現在焊核區,母材稍次之。其原因是熱影響區受到焊接熱循環的作用,其晶粒長大,且母材強化相粒子發生溶解和聚集粗化,導致熱影響區硬度變低。焊核區晶粒雖由于強化粒子相溶解,但晶粒經過再結晶和回復,再加上SiC顆粒的強化作用,焊核區硬度比母材要稍高。攪拌4道的熱影響區的顯微硬度比攪拌6道要高。其原因是攪拌次數越多,母材中的強化相粒子溶解和粗化的越多,最終硬度會變低。攪拌4道的焊核區硬度變化較大,較高的硬度點是SiC顆粒沒攪勻,團聚在一起,導致硬度較大;比母材硬度要低的3個點是由于強化相粒子的溶解和聚集粗化,SiC顆粒在此處沒有強化作用,導致硬度比母材要低[14—16]。攪拌6道和攪拌4道硬度最低點都出現在熱影響區和熱機影響區交界處附近。

圖5 顯微硬度分布Fig.5 Microhardness profile

3 結論

通過實驗金相的微觀組織和顯微硬度的研究,得到以下結論。

1)攪拌摩擦焊分為4個區域:焊核區、熱機影響區、熱影響區。焊核區形成了細小的等軸晶組織,熱機影響區組織發生了彎曲變形,熱影響區晶粒發生粗化。

2)攪拌次數越多,SiC顆粒聚集程度越低,分布越均勻。

3)攪拌6道接頭顯微硬度在橫向上呈“W”形分布,熱機影響區與熱影響區附近硬度最低,熱影響區硬度較低,焊核區硬度比母材稍高。

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Friction Stir Welding of 6061 Silicon Carbide Composite Materials

ZHAO Xiao-qiang1,XU Xin-hou1,HUA Peng1,LIXian-fen1,ZHOUWei1,2
(1.School of Material Science and Engineering,Hefei University of Technology,Hefei230009,China; 2.School of Mechanical and Aerospace Engineering,Nanyang Technological University,Singapore 639798,Singapore)

The aim of this study was to investigate the influence of Stirred passes of6061 SiC composites by FSW.The FSW experimentswere carried out on 6061 silicon carbide composites.Good surface and smooth surface welding section was acquired,fine equiaxed grainswere formed in nugget zone,and significant coarseningwas observed in HAZ.SiC particle distribution wasmore uniform withmore times of stir.Therewasminimum hardness near the heat affected zone,and the hardness in weld nuggetwas slightly higher than that of basemetal.

stir passes;FSW;6061alloy;SiC;microstructure;microhardness

10.3969/j.issn.1674-6457.2015.04.011

TG453+.9

:A

:1674-6457(2015)04-0053-04

2015-04-10

趙小強(1990—),男,安徽安慶人,碩士,主要研究方向為先進焊接技術。

李先芬(1969—),女,安徽人,博士,教授,主要研究方向為先進焊接材料及焊接工藝。