2A43高強(qiáng)度硬鋁合金焊接性能研究

姜銀松，葉衛(wèi)林，靳少龍，邵真貴，高 蒙，付 靜

河南航天液壓氣動(dòng)技術(shù)有限公司 特種工藝研究室，河南 鄭州 451191

0 前言

航空航天及軍用類產(chǎn)品對(duì)減重的要求極高，高強(qiáng)、高韌性和耐腐蝕性強(qiáng)的7xxx系高強(qiáng)高韌鋁合金和2xxx系中強(qiáng)高韌鋁合金在航空航天領(lǐng)域得到了大量應(yīng)用[1]。焊接在航天制造領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，鋁合金結(jié)構(gòu)材料的焊接一直是航天制造領(lǐng)域的核心關(guān)鍵技術(shù)[2]。2A43為某超音速型號(hào)航天器開(kāi)發(fā)的新型高強(qiáng)度鋁合金，屬于熱處理強(qiáng)化鋁合金，具有特殊的物化性能[3]和自身強(qiáng)化機(jī)制，其綜合性能優(yōu)異，在航空航天、國(guó)防軍務(wù)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。真空電子束焊是一種能量密度非常集中的高能束焊接方法，由于其具有較高的線能量，在高強(qiáng)鋁合金焊接過(guò)程中，焊接熱過(guò)程持續(xù)時(shí)間較短，能夠有效防止焊接過(guò)程中的氧化，抑制氣孔的產(chǎn)生及焊縫熱影響區(qū)晶粒的長(zhǎng)大，在一定程度上能改善鋁合金焊接熱影響區(qū)軟化現(xiàn)象[4]。攪拌摩擦焊是一種在材料半固態(tài)下通過(guò)攪拌、加壓實(shí)現(xiàn)材料連接的焊接方法，與熔焊方法相比具有接頭成形良好、焊接應(yīng)力和變形小、無(wú)煙塵、無(wú)需填充金屬和保護(hù)氣體等優(yōu)勢(shì)。采用攪拌摩擦焊焊接鋁合金，不經(jīng)材料熔化和結(jié)晶的冶金過(guò)程，避免了焊縫氣孔和熱裂紋的產(chǎn)生，且其焊接接頭是在半固態(tài)下成形，避免了鋁合金焊縫熱影響區(qū)軟化的現(xiàn)象[5]。

相較傳統(tǒng)熔焊方法，真空電子束焊和攪拌摩擦焊可以改善焊縫成形和接頭性能，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。但目前還未見(jiàn)對(duì)新材料2A43鋁合金真空電子束焊和攪拌摩擦焊焊接的相關(guān)報(bào)道，為此河南航天液壓氣動(dòng)技術(shù)有限公司開(kāi)展了一系列的工藝試驗(yàn)，針對(duì)鋁板材質(zhì)及熱處理狀態(tài)特點(diǎn)、工作特性和技術(shù)要求，選用2 mm厚的2A43高強(qiáng)鋁合金板材，分別采用電子束焊和攪拌摩擦焊對(duì)其焊接性能及焊接工藝進(jìn)行研究，以期獲得2A43高強(qiáng)鋁合金板材對(duì)接接頭的優(yōu)良焊縫。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)材料選用熱軋態(tài)2A43高強(qiáng)鋁合金板材，單塊尺寸為80 mm×30 mm×2 mm，其化學(xué)成分如表1所示。試驗(yàn)研究共分3組：母材1組，真空電子束焊1組，攪拌摩擦焊1組。其中，真空電子束焊和攪拌摩擦焊接試驗(yàn)時(shí)，先進(jìn)行焊接工藝參數(shù)摸索，然后從中選取焊縫成形美觀、探傷后無(wú)明顯缺陷的試件進(jìn)行性能測(cè)試。焊前采用砂布沿焊縫方向?qū)蓚?cè)鋁板20 mm范圍內(nèi)的氧化皮等打磨至光亮，隨后用無(wú)水乙醇將打磨處的鋁板清洗干凈，目的是去除油污和表面的氧化膜，以免對(duì)焊接質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。設(shè)計(jì)合適的工裝夾具，并分別采用THDW-3真空電子束焊機(jī)和HT-JC6×8/2攪拌摩擦焊機(jī)進(jìn)行對(duì)接焊接。攪拌摩擦焊攪拌頭結(jié)構(gòu)及實(shí)物如圖1所示，其軸肩直徑10 mm，具有較高的強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，選用Cr12MoV材料制成。

表1 2A43鋁合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 1 Chemical composition of 2A43 aluminum alloy（wt.%）

圖1 攪拌摩擦焊攪拌頭結(jié)構(gòu)及實(shí)物Fig.1 Structure and object of friction stir welding head

依據(jù)經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)文件，對(duì)大量焊接工藝參數(shù)進(jìn)行田口分析設(shè)計(jì)[5]，得出最優(yōu)焊接工藝參數(shù)。真空電子束焊接最優(yōu)參數(shù)為：加速電壓60 kV，聚焦電流270 mA，焊接速度450 mm/min，焊接束流11 mA；攪拌摩擦焊最優(yōu)參數(shù)為：攪拌頭轉(zhuǎn)速1 300 r/min，焊接速度251 mm/min，焊接傾角4°，軸肩下壓量0.5 mm。

焊后采用線切割機(jī)切取拉伸試樣和金相試樣，拉伸試樣按照按GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)》第1部分：室溫試驗(yàn)方法中規(guī)定進(jìn)行。使用UTM5150電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)拉伸機(jī)以0.9 mm/s速率進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。拉伸試樣尺寸如圖2所示。

圖2 拉伸試樣外形與尺寸Fig.2 Tensile specimen shape and size

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 接頭宏觀形貌

2A43焊縫外觀形貌如圖3所示。電子束焊接接頭外表平滑，寬度約為2.8 mm；攪拌摩擦焊接接頭因攪拌頭軸肩的作用呈魚鱗紋狀，焊縫寬度約為10 mm。

圖3 2A43焊縫成形Fig.3 Weld forming of 2A43

2.2 金相組織

電子束焊焊縫截面如圖4所示，金相組織如圖5所示。由圖5可知，母材區(qū)因未受到熱影響沒(méi)有發(fā)生熱變形，焊縫熔合區(qū)組織均勻，晶粒細(xì)小（見(jiàn)圖5a）；熱影響區(qū)因冷卻不均勻造成微觀組織大小不一，分布不均勻（見(jiàn)圖5b），這也是熱影響區(qū)組織性能相對(duì)較差的原因。

圖4 電子束焊接焊縫截面Fig.4 Weld section of electron beam welding

圖5 電子束焊接試樣焊縫金相組織Fig.5 Metallographic structure of electron beam welding sample

攪拌摩擦焊焊縫截面形貌如圖6所示，焊縫上層金屬受到軸肩和攪拌針雙重作用[6]，軸肩起主導(dǎo)作用，焊縫下層主要受攪拌針的攪拌作用。

圖6 攪拌摩擦焊焊縫截面Fig.6 Weld section of friction stir welding

攪拌摩擦焊接頭金相組織如圖7所示。因攪拌摩擦焊焊縫熱影響較小，母材區(qū)和熱影響區(qū)區(qū)別不是很明顯。熱影響區(qū)寬度稍大于攪拌針直徑，組織結(jié)構(gòu)通常會(huì)發(fā)生變化。焊核區(qū)域沿焊縫中心大致呈對(duì)稱分布，這是由于攪拌頭的旋轉(zhuǎn)和攪拌頭的移動(dòng)過(guò)程共同作用于焊縫兩側(cè)材料。焊核區(qū)是攪拌頭直接攪拌的區(qū)域[7]，被焊材料在攪拌頭的攪拌作用下會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的塑性變形[8]。

圖7 攪拌摩擦焊試樣金相組織Fig.7 Metallographic structure of friction stir welding sample

2.3 抗拉強(qiáng)度

兩種焊接方法接頭應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系結(jié)果如圖8所示。兩種焊接方法試樣的拉伸曲線變化趨勢(shì)基本一致，均先急劇上升，后緩慢增加，最后發(fā)生斷裂，這是因?yàn)樵诶爝^(guò)程中試樣首先經(jīng)歷彈性變形，然后進(jìn)入塑性變形，最后斷裂。

圖8 力學(xué)性能拉伸曲線對(duì)比Fig.8 Comparison of Tensile curve of mechanical properties

與母材焊接標(biāo)準(zhǔn)試樣對(duì)比可知，在彈性變形階段，試樣所受應(yīng)力與應(yīng)變呈一定比例，在宏觀拉伸曲線上近乎為斜直線；超過(guò)彈性變形范圍后，隨應(yīng)力增大，試樣進(jìn)入屈服階段，發(fā)生塑性變形，材料內(nèi)部發(fā)生位錯(cuò)移動(dòng)，最后直至斷裂，斷裂瞬間應(yīng)力減小，母材被分離后，試樣不再受拉應(yīng)力。

接頭接伸性能數(shù)據(jù)如表2所示。母材試樣的屈服強(qiáng)度（470 MPa）、抗拉強(qiáng)度（560 MPa）及延伸率（22%）均好于另外兩組試樣，這是因?yàn)楹附蛹庸み^(guò)程中的高溫使金屬材料熔化，在焊縫中心形成熔合區(qū)，同時(shí)在熔合區(qū)外側(cè)產(chǎn)生受熱不均勻的熱影響區(qū)，熱影響區(qū)組織生長(zhǎng)不均勻，造成接頭力學(xué)性能下降。其中，攪拌摩擦焊試樣接頭的抗拉強(qiáng)度達(dá)到母材的90%以上，符合I級(jí)焊縫接頭標(biāo)準(zhǔn)要求，而電子束焊接接頭的抗拉強(qiáng)度達(dá)到母材的80%以上，符合Ⅱ級(jí)焊縫接頭標(biāo)準(zhǔn)要求，攪拌摩擦焊試樣接頭強(qiáng)度能優(yōu)于電子束焊接。

表2 拉伸性能Table 2 Tensile mechanical properties

2.4 斷口分析

采用600倍掃描電鏡分析觀察拉伸斷裂試樣斷口，結(jié)果如圖9所示。母材斷口處出現(xiàn)小凹坑（見(jiàn)圖9a），分析為母材的析出相，這些析出相是在拉伸過(guò)程中被撕裂后留下的凹坑痕跡。電子束焊斷口表面為韌窩狀，并且?guī)缀蹩床坏酱执笪龀鱿嗟拇嬖冢ㄒ?jiàn)圖9b）。攪拌摩擦焊斷口處出現(xiàn)整體不規(guī)則淺窩，熱影響區(qū)分布比較密集（見(jiàn)圖9c）。

圖9 放大600倍電鏡掃描圖Fig.9 Scanning electron microscope magnified by 600 times

進(jìn)一步采用2 500倍掃描電鏡對(duì)試樣進(jìn)行局部分析，結(jié)果如圖10所示。母材存在由韌窩組成的網(wǎng)格狀組織，且分布有直徑約為10 ～15 μm的大韌窩（見(jiàn)圖10a），這是因?yàn)榘宀慕?jīng)過(guò)軋制后，晶粒發(fā)生了較大的變形，使其斷口韌窩具有非等軸狀特征；類似小凹坑的析出相被周圍網(wǎng)格狀組織包圍著，是粗大的析出相粒子斷裂后留下的斷面，為穿晶斷裂。電子束焊接斷口表面為韌窩狀，幾乎不存在粗大析出相（見(jiàn)圖10b）。攪拌摩擦焊試樣接頭斷口中存在韌窩和粗大析出相（見(jiàn)圖10c），析出相數(shù)量比真空電子束焊試樣的多，但少于母材。這些粗大析出相是一種強(qiáng)化相，對(duì)試樣的力學(xué)性能有著重要影響。

圖10 放大2 500倍電鏡掃描Fig.10 Scanning electron microscope magnified by 2 500 times

通過(guò)三組試樣斷口對(duì)比得出，真空電子束焊試樣中的析出強(qiáng)化相數(shù)量明顯較少，使得其力學(xué)性能及斷后延伸率較低。分析其原因是焊接產(chǎn)生的熱量使母材中的部分析出強(qiáng)化相粒子固溶到焊縫組織中，而焊縫冷卻較快，固溶到焊縫中的強(qiáng)化相來(lái)不及析出，因此焊接接頭試樣中的析出強(qiáng)化相少于母材。而與攪拌摩擦焊相比，真空電子束焊的單位熱輸入能量更高更集中，故真空電子束焊試樣的析出強(qiáng)化相少于攪拌摩擦焊試樣。

4 結(jié)論

通過(guò)采用攪拌摩擦焊接和電子束焊接對(duì)2 mm厚的2A43高強(qiáng)度硬合金焊接性能進(jìn)行研究分析，得出以下結(jié)論：

（1）在兩種焊接方法的最優(yōu)焊接參數(shù)下，均獲得焊接成形美觀、均勻穩(wěn)定、飛邊較小且性能優(yōu)良的焊接接頭，可為相關(guān)鋁合金攪拌摩擦焊接和電子束焊接提供參考。

（2）熱輸入較高時(shí)，2A43鋁合金板材中的強(qiáng)化析出相會(huì)被熔融入基體中，進(jìn)而降低其拉伸性能。且采用攪拌摩擦焊焊接的鋁板試樣拉伸性能高于真空電子束焊。

（3）通過(guò)對(duì)拉斷試樣對(duì)比分析得出，粗大的析出相粒子斷裂后留下的斷面為穿晶斷裂；電子束焊接斷口處發(fā)現(xiàn)其斷口表面為韌窩狀，幾乎無(wú)粗大析出相的存在；攪拌摩擦焊試樣接頭斷口中存在韌窩和粗大析出相，析出相的數(shù)量比真空電子束焊試樣多，但少于母材。