夏晶宇１,張洪偉２,王鵬浩１,張家齊１,汪 棣１

(１．江蘇科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,鎮(zhèn)江 ２１２０００;２．二重集團(tuán)(鎮(zhèn)江)重型裝備廠有限責(zé)任公司,鎮(zhèn)江 ２１２０００)

摘 要:采用超高轉(zhuǎn)速攪拌摩擦焊設(shè)備對(duì)３００３鋁合金薄板進(jìn)行了焊接,研究了焊接接頭的微觀組織和力學(xué)性能.結(jié)果表明:在旋轉(zhuǎn)速度為１１０００r??min－１、焊接速度為１０００mm??min－１的工藝參數(shù)下,可獲得焊接變形小、熱影響區(qū)窄、焊縫表面成型良好的焊接接頭;焊核區(qū)的顯微硬度達(dá)到了３５HV,且焊接接頭的抗拉強(qiáng)度達(dá)到了９４．７MPa,焊接接頭的微觀形貌顯示其內(nèi)部不存在隧道、裂紋、孔洞等缺陷.

關(guān)鍵詞:３００３鋁合金;薄板;超高轉(zhuǎn)速攪拌摩擦焊;焊接接頭;微觀組織;抗拉強(qiáng)度

３００３鋁合金是鋁Ｇ錳系合金中最常用的一種防銹鋁合金,其強(qiáng)度較低,是不能熱處理強(qiáng)化的鋁合金,通常采用冷作硬化[１]的強(qiáng)化方式提高其力學(xué)性能.該鋁合金密度低、耐腐蝕性好、導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能優(yōu)異,且具有很好的反射性、非磁性、焊接工藝性和可加工性,被廣泛應(yīng)用于裝飾、熱交換、感光、包裝等低負(fù)荷場(chǎng)合.采用傳統(tǒng)的熔化極惰性氣體保護(hù)焊(MIG)、非熔化 極 惰 性 氣 體 保 護(hù) 焊 (TIG)、冷 金 屬 過 渡 焊之間接觸部位產(chǎn)生的摩擦熱,使周圍的金屬材料被加熱發(fā)生嚴(yán)重的塑化[１４],塑化軟化層金屬在攪拌頭旋轉(zhuǎn)作用下填充攪拌頭后方的空腔,并在攪拌頭的軸肩與攪拌針攪拌共同擠壓的作用下,來實(shí)現(xiàn)材料的連接[１５].因?yàn)殇X合金具有熔點(diǎn)低、易變形、高溫下塑性好的特點(diǎn),所以這種焊接方法能提高其焊接效率和工藝穩(wěn)定性,然而對(duì)于小于３mm 的鋁合金薄板焊接,由于其過大的軸向力和摩擦力易導(dǎo)致薄板變形、減薄嚴(yán)重等問題.采用超高轉(zhuǎn)速攪拌摩擦焊方法可以有效地減少甚至避免缺陷的產(chǎn)生[１６Ｇ１７],超高轉(zhuǎn)速攪拌摩擦焊接過程中,其攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度是傳統(tǒng)的攪拌摩擦焊攪拌頭的１０倍左右,同時(shí)大幅度減小攪拌頭軸肩和攪拌針的直徑,這種結(jié)構(gòu)使得焊接對(duì)剛度的要求降低并且相比于傳統(tǒng)的攪拌摩擦焊,具有更高的焊接效率.這是因?yàn)槌咿D(zhuǎn)速攪拌摩擦焊接對(duì)剛度要求的降低,可以實(shí)現(xiàn)攪拌摩擦焊接設(shè)備的輕量化.除此之外,使用軸肩和攪拌針直徑更小的攪拌頭有利于減小焊縫金屬的攪拌區(qū)域,大幅度減少焊接對(duì)母材影響的區(qū)域,減少焊接變形[１８Ｇ１９].目前鮮有關(guān)于３００３鋁合金超高轉(zhuǎn)速攪拌摩擦焊接的報(bào)道,因此筆者對(duì)３００３鋁合金薄板的超高轉(zhuǎn)速攪拌摩擦焊進(jìn)行了深入研究,通過對(duì)焊接接頭組織與性能的分析,探討了３００３鋁合金薄板超高轉(zhuǎn)速攪拌摩擦焊的可行性,揭示了焊接接頭的組織特征和軟化機(jī)理.

１ 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

１．１ 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為尺寸１００mm×８０mm×１mm 的３００３鋁合金薄板.攪拌頭軸肩直徑為６mm,攪拌針的端部直徑為１．２mm、根部直徑為１．５mm,攪拌針長(zhǎng)度為 ０．８ mm,攪拌頭材 料 為 ３５Cr３Mo３W２V鋼,經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后強(qiáng)韌性良好可滿足超高轉(zhuǎn)速攪拌摩擦焊的要求.

１．２ 試驗(yàn)方法

采用超高轉(zhuǎn)速摩擦焊方法焊接３００３鋁合金薄板,取焊接接頭試樣,將其進(jìn)行冷鑲嵌、水磨、拋光后,用５％(體積分?jǐn)?shù))的氟硼酸水溶液進(jìn)行陽極覆膜,陽極覆膜時(shí)間為９０s,然后采用偏光顯微鏡進(jìn)行顯微組織觀察.采用萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)測(cè)試試樣的拉伸性能,拉伸速率為０．５mm??min－１.采用顯微硬度計(jì)測(cè)試焊接接頭的顯微硬度,加載載荷為０．９８N(０．１kgf),加載時(shí)間為１５s,再根據(jù)不同位置硬度分布的情況繪制出焊接接頭顯微硬度分布云圖.

２ 試驗(yàn)結(jié)果與討論

２．１ 焊接工藝評(píng)定

    表１為３００３鋁合金薄板在不同工藝下焊接后的表面成形情況.由表１可知,最佳的焊接工藝參數(shù) 為 焊 接 速 度 １ ０００ mm ?? min－１、旋 轉(zhuǎn) 速 度１１０００r??min－１.當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度為１００００r??min－１時(shí),攪拌頭軸肩邊緣攪拌的速度為３．１４ m??s－１,攪拌針邊緣攪拌的速度為０．６３m??s－１;當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度為１１０００r??min－１時(shí),攪拌頭軸肩邊緣攪拌的速度為３．４５m??s－１,攪拌針邊緣攪拌的速度為０．６９m??s－１,由此可見焊接過程中攪拌頭軸肩邊緣的攪拌速度約是攪拌針邊緣攪拌速度的５倍,這導(dǎo)致焊縫成型時(shí)形成一 條 一 條 細(xì) 致 的 條 紋,條 紋 之 間 的 間 距 為０．０９mm,而常規(guī)攪拌摩擦焊焊縫中條紋之間的距離約為０．２５mm,所以超高轉(zhuǎn)速攪拌摩擦焊焊縫形貌更加細(xì)膩.

２．２ 接頭力學(xué)性能

    表２為不同焊接工藝下３００３鋁合金超高轉(zhuǎn)速攪拌摩擦焊接頭的抗拉強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果.由表２可知,旋轉(zhuǎn)速度１１０００r??min－１、焊接速度１０００mm??min－１時(shí)接頭的抗拉強(qiáng)度最高,這與表１的結(jié)果相吻合;另外,旋轉(zhuǎn)速度在１００００~１１０００r??min－１、焊接速度８００~１２００mm??min－１的條件下焊接,接頭的抗拉強(qiáng)度只達(dá)到母材的６０％左右.拉伸試樣斷裂位置如圖１所示,拉伸斷口形貌如圖２所示,可見焊接接頭的斷裂處位于焊縫的攪拌區(qū)域,并且斷裂處會(huì)出現(xiàn)一定程度的頸縮,斷裂形式為剪 切 斷 裂.根 據(jù) 焊 接 接 頭 的 斷 裂 位 置、斷 口形 式以及斷裂強(qiáng)度可以初步認(rèn)定,焊接接頭拉伸斷裂的主導(dǎo)因素為焊接過程中焊接接頭出現(xiàn)軟化現(xiàn)象,導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度降低.

為了進(jìn)一步證實(shí)３００３鋁合金超高轉(zhuǎn)速攪拌摩擦焊接接頭出現(xiàn)軟化,同時(shí)測(cè)量其軟化區(qū)域,采用顯微維氏硬度計(jì)分區(qū)測(cè)試.其中測(cè)試區(qū)域?yàn)楹附咏宇^截面的上、中、下三排,每一排的長(zhǎng)度須確保經(jīng)過焊接攪拌區(qū)、熱機(jī)影響區(qū)、熱影響區(qū)以及母材.上層距離薄板上表面０．３mm,下層距離薄板下表面０．３mm,相鄰測(cè)試點(diǎn)之間的距離為０．２mm,如圖３所示.

    根據(jù)每一個(gè)測(cè)試點(diǎn)測(cè)得的顯微硬度以及每個(gè)點(diǎn)所處的位置,畫出焊接接頭截面上的顯微硬度云圖,如圖４所示.可見焊接接頭軟化區(qū)域的硬度在３０~３５HV,而母材的硬度約為５０HV,可見軟化區(qū)域的硬度為母材的６０％左右,這與拉伸試驗(yàn)結(jié)果相吻合;另外,軟化區(qū)域的形狀及大小與攪拌區(qū)域的相當(dāng)接近.由此可知采用超高轉(zhuǎn)速攪拌摩擦焊方法焊接３００３鋁合金薄板并不是因?yàn)楫a(chǎn)生焊接缺陷造成焊接接頭抗拉強(qiáng)度的下降,而是因?yàn)楹附咏宇^金屬軟化導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度的降低.軟化區(qū)域上表面寬度為４．３mm,下表面寬度為２．８mm,該區(qū)域是由于攪拌引起的軟化還是由于溫度引起的軟化,需通過金相顯微鏡觀察其微觀組織來進(jìn)一步確認(rèn).

２．３ 焊縫顯微組織

３００３鋁合金薄板焊縫宏觀形貌如圖５所示,為最佳焊接工藝參數(shù)條件下焊縫表面宏觀形貌,可見超高轉(zhuǎn)速攪拌摩擦焊的焊接過程平穩(wěn),焊縫表面成型很好,沒有飛邊、裂紋等缺陷.３００３鋁合金焊縫橫斷面微觀形貌如圖６所示,可見焊縫不存在根部缺陷和減薄現(xiàn)象,且焊縫內(nèi)部有清晰的流向線,流線致密,無疏松、孔洞等缺陷.

３００３鋁合金薄板焊縫的顯微組織形貌如圖 ７所示.由圖７a)可知,３００３鋁合金薄板母材的顯微組織呈現(xiàn)帶狀變形結(jié)構(gòu),這是３００３鋁合金未焊接前在其沖壓過程中形成的組織結(jié)構(gòu);由圖７b)可知,焊核區(qū)的晶粒變化明顯,為細(xì)小的等軸晶,這是由于攪拌頭對(duì)材料產(chǎn)生了強(qiáng)烈的攪拌作用,并且在較高溫度的熱循環(huán)作用下發(fā)生了強(qiáng)烈的塑性變形,導(dǎo)致母材帶狀軋制變形結(jié)構(gòu)和拉長(zhǎng)的再結(jié)晶晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小 的等軸再結(jié)晶晶粒.由圖７c)和圖７d)可知,前進(jìn)側(cè)熱影響區(qū)和焊縫區(qū)的分界線比較明顯,說明前進(jìn)側(cè)熱影響區(qū)范圍較大,而后退側(cè)分界線比較模糊,熱影響區(qū)范圍相對(duì)較小.出現(xiàn)這種情況是因?yàn)楹附舆^程中熱影響區(qū)兩側(cè)金屬的塑性流動(dòng)有較大差異,在前進(jìn)側(cè),塑性體之間的速度梯度比較大,攪拌頭靠近外側(cè)的塑性體變形程度及流動(dòng)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于焊核區(qū)塑性金屬的,造成它們之間形成比較明顯的分界線.

由此,焊縫中心區(qū)域的金屬在劇烈的熱及攪拌的作用下晶粒的排布發(fā)生了巨大的轉(zhuǎn)變,沖壓過程產(chǎn)生的晶粒位錯(cuò)關(guān)系完全喪失或者部分喪失,所以攪拌摩擦焊接過程中消除了焊縫中心區(qū)域金屬的冷作強(qiáng)化,導(dǎo)致接頭的硬度及抗拉強(qiáng)度不及母材的.

３ 結(jié)論

(１)采用超高轉(zhuǎn)速攪拌摩擦焊方法焊接 ３００３鋁合金薄板,在焊接參數(shù)合理的條件下可以保證焊接接頭無缺陷、工件無減薄、變形量小,但接頭軟化現(xiàn)象不可避免.

(２)在旋轉(zhuǎn)速度為１１０００r??min－１、焊接速度為１０００mm??min－１的工藝參數(shù)下,可獲得表面質(zhì)量最好 的 焊 接 接 頭,焊 核 區(qū) 的 顯 微 硬 度 達(dá) 到 了３５HV,且焊接接頭的抗拉強(qiáng)度達(dá)到９４．７MPa.

(３)３００３鋁合金薄板焊接接頭熱影響區(qū)軟化的主要原因是在熱及攪拌的作用下,焊接接頭經(jīng)過了類似退火的過程,從而使得局部區(qū)域的冷作硬化出現(xiàn)了不同程度的削弱,距離焊縫中心越近的熱影響區(qū)金屬軟化得越嚴(yán)重.變化的檢測(cè)方面獨(dú)具優(yōu)勢(shì)

4 結(jié)論

(１)EPMA 可直觀地顯示合金表面滲層元素的含量及分布情況、腐蝕后各元素對(duì)應(yīng)的分布特征、不同熱處理工藝下鋁合金中鋅元素的面分布特征及碲元素在鎳基合金中的滲透過程.

(２)EPMA 的分析結(jié)果具有很強(qiáng)的直觀性,其原 位分析特征使之在金屬材料領(lǐng)域中,不管是在產(chǎn)品檢測(cè)、失效分析、工藝優(yōu)化還是基礎(chǔ)研究等方面都能發(fā)揮效用.

（文章來源：材料與測(cè)試網(wǎng)-理化檢驗(yàn)－物理分冊(cè) > 2018年 > 7期 > pp.479）