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 材料科學與工程學院,鎮江 ２１２０００;２．二重集團(鎮江)重型裝備廠有限責任公司,鎮江 ２１２０００)

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

關鍵詞:３００３鋁合金;薄板;超高轉速攪拌摩擦焊;焊接接頭;微觀組織;抗拉強度

３００３鋁合金是鋁Ｇ錳系合金中最常用的一種防銹鋁合金,其強度較低,是不能熱處理強化的鋁合金,通常采用冷作硬化[１]的強化方式提高其力學性能.該鋁合金密度低、耐腐蝕性好、導電和導熱性能優異,且具有很好的反射性、非磁性、焊接工藝性和可加工性,被廣泛應用于裝飾、熱交換、感光、包裝等低負荷場合.采用傳統的熔化極惰性氣體保護焊(MIG)、非熔化 極 惰 性 氣 體 保 護 焊 (TIG)、冷 金 屬 過 渡 焊之間接觸部位產生的摩擦熱,使周圍的金屬材料被加熱發生嚴重的塑化[１４],塑化軟化層金屬在攪拌頭旋轉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,來實現材料的連接[１５].因為鋁合金具有熔點低、易變形、高溫下塑性好的特點,所以這種焊接方法能提高其焊接效率和工藝穩定性,然而對于小于３mm 的鋁合金薄板焊接,由于其過大的軸向力和摩擦力易導致薄板變形、減薄嚴重等問題.采用超高轉速攪拌摩擦焊方法可以有效地減少甚至避免缺陷的產生[１６Ｇ１７],超高轉速攪拌摩擦焊接過程中,其攪拌頭的旋轉速度是傳統的攪拌摩擦焊攪拌頭的１０倍左右,同時大幅度減小攪拌頭軸肩和攪拌針的直徑,這種結構使得焊接對剛度的要求降低并且相比于傳統的攪拌摩擦焊,具有更高的焊接效率.這是因為超高轉速攪拌摩擦焊接對剛度要求的降低,可以實現攪拌摩擦焊接設備的輕量化.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域,大幅度減少焊接對母材影響的區域,減少焊接變形[１８Ｇ１９].目前鮮有關于３００３鋁合金超高轉速攪拌摩擦焊接的報道,因此筆者對３００３鋁合金薄板的超高轉速攪拌摩擦焊進行了深入研究,通過對焊接接頭組織與性能的分析,探討了３００３鋁合金薄板超高轉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理.

１ 試驗材料與試驗方法

１．１ 試驗材料

試驗材料為尺寸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,攪拌針長度為 ０．８ mm,攪拌頭材 料 為 ３５Cr３Mo３W２V鋼,經過調質處理后強韌性良好可滿足超高轉速攪拌摩擦焊的要求.

１．２ 試驗方法

采用超高轉速摩擦焊方法焊接３００３鋁合金薄板,取焊接接頭試樣,將其進行冷鑲嵌、水磨、拋光后,用５％(體積分數)的氟硼酸水溶液進行陽極覆膜,陽極覆膜時間為９０s,然后采用偏光顯微鏡進行顯微組織觀察.采用萬能拉伸試驗機測試試樣的拉伸性能,拉伸速率為０．５mm??min－１.采用顯微硬度計測試焊接接頭的顯微硬度,加載載荷為０．９８N(０．１kgf),加載時間為１５s,再根據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 試驗結果與討論

２．１ 焊接工藝評定

    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 為 焊 接 速 度 １ ０００ mm ?? min－１、旋 轉 速 度１１０００r??min－１.當旋轉速度為１００００r??min－１時,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;當旋轉速度為１１０００r??min－１時,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,這導致焊縫成型時形成一 條 一 條 細 致 的 條 紋,條 紋 之 間 的 間 距 為０．０９mm,而常規攪拌摩擦焊焊縫中條紋之間的距離約為０．２５mm,所以超高轉速攪拌摩擦焊焊縫形貌更加細膩.

２．２ 接頭力學性能

    表２為不同焊接工藝下３００３鋁合金超高轉速攪拌摩擦焊接頭的抗拉強度測試結果.由表２可知,旋轉速度１１０００r??min－１、焊接速度１０００mm??min－１時接頭的抗拉強度最高,這與表１的結果相吻合;另外,旋轉速度在１００００~１１０００r??min－１、焊接速度８００~１２００mm??min－１的條件下焊接,接頭的抗拉強度只達到母材的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域,并且斷裂處會出現一定程度的頸縮,斷裂形式為剪 切 斷 裂.根 據 焊 接 接 頭 的 斷 裂 位 置、斷 口形 式以及斷裂強度可以初步認定,焊接接頭拉伸斷裂的主導因素為焊接過程中焊接接頭出現軟化現象,導致抗拉強度降低.

為了進一步證實３００３鋁合金超高轉速攪拌摩擦焊接接頭出現軟化,同時測量其軟化區域,采用顯微維氏硬度計分區測試.其中測試區域為焊接接頭截面的上、中、下三排,每一排的長度須確保經過焊接攪拌區、熱機影響區、熱影響區以及母材.上層距離薄板上表面０．３mm,下層距離薄板下表面０．３mm,相鄰測試點之間的距離為０．２mm,如圖３所示.

    根據每一個測試點測得的顯微硬度以及每個點所處的位置,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域的硬度在３０~３５HV,而母材的硬度約為５０HV,可見軟化區域的硬度為母材的６０％左右,這與拉伸試驗結果相吻合;另外,軟化區域的形狀及大小與攪拌區域的相當接近.由此可知采用超高轉速攪拌摩擦焊方法焊接３００３鋁合金薄板并不是因為產生焊接缺陷造成焊接接頭抗拉強度的下降,而是因為焊接接頭金屬軟化導致抗拉強度的降低.軟化區域上表面寬度為４．３mm,下表面寬度為２．８mm,該區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一步確認.

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條件下焊縫表面宏觀形貌,可見超高轉速攪拌摩擦焊的焊接過程平穩,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象,且焊縫內部有清晰的流向線,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帶狀變形結構,這是３００３鋁合金未焊接前在其沖壓過程中形成的組織結構;由圖７b)可知,焊核區的晶粒變化明顯,為細小的等軸晶,這是由于攪拌頭對材料產生了強烈的攪拌作用,并且在較高溫度的熱循環作用下發生了強烈的塑性變形,導致母材帶狀軋制變形結構和拉長的再結晶晶粒轉變為細小 的等軸再結晶晶粒.由圖７c)和圖７d)可知,前進側熱影響區和焊縫區的分界線比較明顯,說明前進側熱影響區范圍較大,而后退側分界線比較模糊,熱影響區范圍相對較小.出現這種情況是因為焊接過程中熱影響區兩側金屬的塑性流動有較大差異,在前進側,塑性體之間的速度梯度比較大,攪拌頭靠近外側的塑性體變形程度及流動性遠遠小于焊核區塑性金屬的,造成它們之間形成比較明顯的分界線.

由此,焊縫中心區域的金屬在劇烈的熱及攪拌的作用下晶粒的排布發生了巨大的轉變,沖壓過程產生的晶粒位錯關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域金屬的冷作強化,導致接頭的硬度及抗拉強度不及母材的.

３ 結論

(１)采用超高轉速攪拌摩擦焊方法焊接 ３００３鋁合金薄板,在焊接參數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,但接頭軟化現象不可避免.

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

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

4 結論

(１)EPMA 可直觀地顯示合金表面滲層元素的含量及分布情況、腐蝕后各元素對應的分布特征、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 的分析結果具有很強的直觀性,其原 位分析特征使之在金屬材料領域中,不管是在產品檢測、失效分析、工藝優化還是基礎研究等方面都能發揮效用.

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