7N01鋁合金雙面攪拌摩擦焊接頭的組織與性能

林 松，賀曉龍

(1.廣西交通職業技術學院汽車工程系，南寧 530023；2.山東大學材料科學與工程學院，濟南 250061)

0 引 言

7N01鋁合金屬于時效強化Al-Zn-Mg系合金，具有良好的擠壓和焊接性能，因時效時組織中析出強化相而使得其強度明顯高于6系鋁合金的[1]。該鋁合金是一種理想的中等強度焊接結構材料，在汽車車體輕量化設計中得到廣泛應用[2]。攪拌摩擦焊接(FSW)是一種新型的固相連接技術，常用于鋁合金材料的連接。與熔焊接頭相比，鋁合金FSW接頭不易產生裂紋、氣孔、偏析等缺陷。FSW技術可分為單面焊接和雙面焊接兩種。對于超大尺寸的鋁合金薄板(厚度小于10 mm)結構件，采用單面FSW技術會產生嚴重的焊接變形[3]，而采用雙面FSW技術可以有效地減小焊接殘余應力[4]，改善焊接變形。此外，雙面FSW還可以降低焊接熱輸入，減少析出強化相的溶解，提高接頭強度。

目前，有關厚板鋁合金雙面FSW接頭組織演變和力學性能的報道較多，研究內容主要包括材料的流動行為、晶粒形態演變、析出相分布、硬度和抗拉強度變化等[5-6]，而關于薄板雙面FSW接頭的組織性能研究較少。此外，7N01鋁合金具有一定的應力腐蝕敏感性[7]，在FSW過程中其組織和第二相分布的變化會改變其應力腐蝕行為。因此，作者對6 mm厚7N01鋁合金板進行雙面攪拌摩擦焊接，研究了接頭的顯微組織演變、硬度分布、拉伸性能及應力腐蝕敏感性，擬為薄板雙面攪拌摩擦焊工藝的應用提供一定的理論依據。

1 試樣制備與試驗方法

試驗材料為7N01鋁合金軋制板，尺寸為300 mm×75 mm×6 mm，熱處理工藝為固溶+自然時效，采用電火花光譜法所測化學成分如表1所示。

表1 7N01鋁合金的化學成分(質量分數)Table 1 Chemical composition of 7N01 aluminum alloy (mass) %

采用FSW-3LM-4012型龍門式攪拌摩擦焊接設備進行雙面焊接，焊接方向垂直于軋制方向，反面焊接后將工件翻轉、組對并打磨后進行正面焊接，正面焊接方向與反面焊接方向一致。使用圓錐螺紋同心圓環軸肩型攪拌針，軸肩直徑為10 mm，攪拌針長3 mm。經過前期試驗，選擇優化后的FSW工藝參數：攪拌頭轉速840 r·min-1，焊接速度120 mm·min-1，軸肩壓入深度0.15 mm。

在焊接接頭截面不同位置取樣，電解拋光至鏡面，用Keller試劑(2.5%HNO3+1.5%HCl+1%HF+95%H2O，體積分數)腐蝕后，采用VHX-500F型光學顯微鏡觀察顯微組織。在焊核中心縱軸線不同位置處取樣，電解拋光處理后，采用JSM-7800F型掃描電鏡(SEM)的電子背散射衍射(EBSD)模式觀察晶粒形貌，分析晶粒再結晶行為。采用DHV-1000型顯微硬度計測試接頭的維氏硬度，載荷為9.8 N，保載時間為15 s。EBSD觀察位置和硬度測試位置如圖1所示：線1為正面焊橫向硬度測試方向；線2為反面焊橫向硬度測試方向；線3為焊核中心縱向硬度測試方向，各測點的間距為0.5 mm。

圖1 EBSD觀察位置和硬度測試位置示意Fig.1 Diagram of locations for EBSD observation and hardness measurement

按照GB/T 15970.7-2017和GB/T 228.1-2010制備慢應變速率拉伸板狀試樣，試樣尺寸如圖2所示，采用NKK-4050型慢應變速率拉伸試驗機進行拉伸試驗，拉伸應變速率為10-6s-1，試驗介質為空氣和質量分數3.5%的NaCl溶液，試驗環境為常溫常壓。采用JSM-7800F型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察斷口形貌。引入應力腐蝕敏感性指數Iscc表征母材和焊接接頭的應力腐蝕敏感性，計算公式為

圖2 慢應變速率拉伸試樣尺寸Fig.2 Sample size for slow strain rate tensile test

(1)

式中：δe為試樣在質量分數3.5%NaCl溶液中的斷后伸長率；δa為試樣在空氣中的斷后伸長率。

2 試驗結果與討論

2.1 顯微組織

由圖3可以看出，雙面FSW接頭焊核區截面呈對立的雙駝峰形，正反面焊核連接良好。在攪拌針的攪拌和摩擦熱作用下，鋁合金發生塑性變形并出現層與層的相對流動，導致焊核中形成洋蔥環形貌[8]。雙面FSW接頭正面焊核中的洋蔥環形貌明顯，反面焊核中的洋蔥環因受正面FSW的影響而變得不完整，不易觀察。整體上看接頭成形良好，無明顯焊接缺陷。

圖3 FSW接頭截面整體形貌Fig.3 Overall morphology of the FSW joint section

由圖4可以看出，FSW接頭熱力影響區(TMAZ)在攪拌過程中發生剪切變形，形成典型的條弧狀紋理，前進側熱力影響區與焊核區(WNZ)界線明顯，后退側的界線模糊，這是各區域材料塑性流動速度存在差異導致的[9]。在FSW過程中，前進側材料塑性流動的速度梯度較大，焊核區材料流動性強，而近焊核區的母材流動性不足，二者之間形成清晰的界線；后退側母材則隨著焊核區材料發生緩慢塑性流動，二者之間發生平滑過渡，界線不明顯。熱影響區(HAZ)組織在FSW過程中僅受到熱循環作用，未發生塑性變形，其晶粒形態與母材(BM)的相似，呈板條狀。

圖4 FSW接頭正面不同區域的顯微組織Fig.4 Microstructures of different areas on the front of FSW joint: (a) interface between TMAZ and WNZ at advancing side;(b) interface between TMAZ and WNZ at retreating side; (c) heat affected zone and (d) base metal

由圖5可以看出：母材為纖維狀軋制組織，焊核區因受到攪拌針強烈的攪拌作用及較高溫度的熱循環作用，其組織發生動態再結晶，形成均勻細小的等軸晶組織，晶粒尺寸遠小于母材的；正面焊核區(圖3中位置1)的平均晶粒尺寸最大(約6.1 μm)，反面焊核區(圖3中位置3)的次之(約4.5 μm)，焊道交界處(圖3中位置2)的最小(約3.5 μm)；焊道交界處晶粒因受到兩次熱-力耦合作用而發生破碎，因此晶粒尺寸最小。

圖5 FSW接頭不同區域的晶粒取向分布Fig.5 Grain orientation distribution in different regions of FSW joint: (a) base metal; (b) weld nugget zone on front side (location 1 in Fig.3); (c) weld nugget zone atjunction of weld beads (location 2 in Fig.3) and (d) weld nugget zone on back side (location 3 in Fig.3)

將取向差角在3°15°的晶界定義為小角度晶界(LAGB)，取向差角大于15°的晶界定義為大角度晶界(HAGB)。由圖6可以看出，與母材相比，焊核區的小角度晶界占比較小，大角度晶界占比較大。這是由于在攪拌針強烈的攪拌摩擦作用下，焊核區金屬充分變形并貯存了較高的塑性應變能。在塑性應變能和高溫熱循環作用下，該區域組織發生連續動態再結晶[10-11]，形成細小的等軸晶組織。隨著再結晶過程的進行，取向差角較小的相鄰亞晶界上的位錯在攪拌摩擦作用下發生攀移和滑移，使亞晶界合并形成大角度晶界。在雙面FSW過程中，焊道交界處經歷了兩次熱-力耦合作用，因此該區域的再結晶程度最大，大角度晶界占比最大；正面焊時的熱循環作用促進了反面焊核二次再結晶，因此反面焊核區的大角度晶界占比大于正面焊核區的。

圖6 FSW接頭不同區域的晶界取向差角分布Fig.6 Distribution map of grain boundary orientation difference angle in different zones of FSW joint：(a) base metal; (b) weld nugget zone on front side; (c) weld nugget zone at junction of weld beads and (d) weld nugget zone on back side

2.2 硬 度

由圖7(a)可以看出，雙面FSW接頭焊核區平均硬度最高，熱力影響區次之，熱影響區最低。由圖4和圖5可知，焊核區以細晶粒為主，細晶強化效果明顯，因此硬度最高。熱力影響區由于經歷了熱-力耦合作用，晶粒發生剪切變形[12]，變形晶粒增多且晶粒粗化，導致硬度降低。熱影響區的第二相在焊接熱輸入的作用下發生溶解[13]，第二相的析出強化作用減弱，因此硬度最低。由圖7(b)可以看出，焊道交界處焊核區的硬度較其他位置焊核區的略高，這是由于焊道交界處經歷了兩次熱-力耦合作用，晶粒最細小。

圖7 FSW接頭橫向和焊核中心縱向硬度分布Fig.7 Hardness distribution in transverse direction (a) and vertical direction on center of weld nugget zone (b) of FSW joint

2.3 慢應變速率拉伸性能

由表2可以看出：在質量分數3.5%NaCl溶液中，母材和FSW接頭的拉伸性能均比在空氣介質中的差；在兩種介質中拉伸時，接頭均在熱影響區斷裂，說明熱影響區為薄弱區。母材和FSW接頭在NaCl溶液中均具有應力腐蝕敏感性，應力腐蝕敏感性指數分別為88.89和86.06，這表明FSW接頭的應力腐蝕敏感性更高。

表2 不同介質中母材和FSW接頭的慢應變速率拉伸試驗結果Table 2 Results of slow strain rate tensile test of base metal and FSW joint in different media

由圖8可以看出：在空氣介質中母材和FSW接頭的慢應變速率拉伸斷口形貌相似，斷口上均出現大量蜂窩狀韌窩，呈典型的韌性斷裂特征，但FSW接頭的韌窩大而淺，說明其塑性變形能力較母材的差；FSW接頭在NaCl溶液中的斷口存在淺而細小的韌窩，沿晶界出現了連續性孔洞(如箭頭所示)。在NaCl溶液中，FSW接頭熱影響區活潑的晶界強化第二相作為陽極與基體形成腐蝕微電池，第二相不斷溶解產生點蝕[13]。在拉應力作用下，這些點蝕源不斷擴大連接，最終形成沿晶界分布的連續性孔洞，誘發裂紋快速擴展。

圖8 母材和FSW接頭在不同介質中慢應變速率拉伸斷口形貌Fig.8 Fracture morphology of slow strain rate tensile of base metal and FSW joint in different media: (a) base metal in air; (b) FSW joint in air and (c) FSW joint in NaCl solution

3 結 論

(1) 7N01鋁合金雙面FSW接頭成形良好，無明顯焊接缺陷；焊核區為均勻細小的等軸晶組織，正反焊道交界處焊核區晶粒由于受到兩次熱-力耦合作用，晶粒尺寸較其他焊核區的細小；熱力影響區晶粒發生剪切變形，呈條弧狀；熱影響區晶粒形態與母材相似，呈板條狀。

(2) 焊核區的硬度最高，從焊核區到母材，硬度逐漸降低；正反焊道交界處的焊核區硬度高于其他位置焊核區的。

(3) 在空氣和NaCl溶液中，FSW接頭均在熱影響區拉伸斷裂，熱影響區為薄弱區；FSW接頭拉伸性能低于母材的，并且表現出更高的應力腐蝕敏感性。