分享：3003铝合金薄板超高转速搅拌摩擦焊接头的组织与性能

夏晶宇１,张洪伟２,王鹏浩１,张家齐１,汪 棣１

(１．江苏科技大学 材料科学与工程学院,镇江 ２１２０００;２．二重集团(镇江)重型装备厂有限责任公司,镇江 ２１２０００)

摘 要:采用超高转速搅拌摩擦焊设备对３００３铝合金薄板进行了焊接,研究了焊接接头的微观组织和力学性能.结果表明:在旋转速度为１１０００r??min－１、焊接速度为１０００mm??min－１的工艺参数下,可获得焊接变形小、热影响区窄、焊缝表面成型良好的焊接接头;焊核区的显微硬度达到了３５HV,且焊接接头的抗拉强度达到了９４．７MPa,焊接接头的微观形貌显示其内部不存在隧道、裂纹、孔洞等缺陷.

关键词:３００３铝合金;薄板;超高转速搅拌摩擦焊;焊接接头;微观组织;抗拉强度

３００３铝合金是铝Ｇ锰系合金中最常用的一种防锈铝合金,其强度较低,是不能热处理强化的铝合金,通常采用冷作硬化[１]的强化方式提高其力学性能.该铝合金密度低、耐腐蚀性好、导电和导热性能优异,且具有很好的反射性、非磁性、焊接工艺性和可加工性,被广泛应用于装饰、热交换、感光、包装等低负荷场合.采用传统的熔化极惰性气体保护焊(MIG)、非熔化 极 惰 性 气 体 保 护 焊 (TIG)、冷 金 属 过 渡 焊之间接触部位产生的摩擦热,使周围的金属材料被加热发生严重的塑化[１４],塑化软化层金属在搅拌头旋转作用下填充搅拌头后方的空腔,并在搅拌头的轴肩与搅拌针搅拌共同挤压的作用下,来实现材料的连接[１５].因为铝合金具有熔点低、易变形、高温下塑性好的特点,所以这种焊接方法能提高其焊接效率和工艺稳定性,然而对于小于３mm 的铝合金薄板焊接,由于其过大的轴向力和摩擦力易导致薄板变形、减薄严重等问题.采用超高转速搅拌摩擦焊方法可以有效地减少甚至避免缺陷的产生[１６Ｇ１７],超高转速搅拌摩擦焊接过程中,其搅拌头的旋转速度是传统的搅拌摩擦焊搅拌头的１０倍左右,同时大幅度减小搅拌头轴肩和搅拌针的直径,这种结构使得焊接对刚度的要求降低并且相比于传统的搅拌摩擦焊,具有更高的焊接效率.这是因为超高转速搅拌摩擦焊接对刚度要求的降低,可以实现搅拌摩擦焊接设备的轻量化.除此之外,使用轴肩和搅拌针直径更小的搅拌头有利于减小焊缝金属的搅拌区域,大幅度减少焊接对母材影响的区域,减少焊接变形[１８Ｇ１９].目前鲜有关于３００３铝合金超高转速搅拌摩擦焊接的报道,因此笔者对３００３铝合金薄板的超高转速搅拌摩擦焊进行了深入研究,通过对焊接接头组织与性能的分析,探讨了３００３铝合金薄板超高转速搅拌摩擦焊的可行性,揭示了焊接接头的组织特征和软化机理.

１ 试验材料与试验方法

１．１ 试验材料

试验材料为尺寸１００mm×８０mm×１mm 的３００３铝合金薄板.搅拌头轴肩直径为６mm,搅拌针的端部直径为１．２mm、根部直径为１．５mm,搅拌针长度为 ０．８ mm,搅拌头材 料 为 ３５Cr３Mo３W２V钢,经过调质处理后强韧性良好可满足超高转速搅拌摩擦焊的要求.

１．２ 试验方法

采用超高转速摩擦焊方法焊接３００３铝合金薄板,取焊接接头试样,将其进行冷镶嵌、水磨、抛光后,用５％(体积分数)的氟硼酸水溶液进行阳极覆膜,阳极覆膜时间为９０s,然后采用偏光显微镜进行显微组织观察.采用万能拉伸试验机测试试样的拉伸性能,拉伸速率为０．５mm??min－１.采用显微硬度计测试焊接接头的显微硬度,加载载荷为０．９８N(０．１kgf),加载时间为１５s,再根据不同位置硬度分布的情况绘制出焊接接头显微硬度分布云图.

２ 试验结果与讨论

２．１ 焊接工艺评定

    表１为３００３铝合金薄板在不同工艺下焊接后的表面成形情况.由表１可知,最佳的焊接工艺参数 为 焊 接 速 度 １ ０００ mm ?? min－１、旋 转 速 度１１０００r??min－１.当旋转速度为１００００r??min－１时,搅拌头轴肩边缘搅拌的速度为３．１４ m??s－１,搅拌针边缘搅拌的速度为０．６３m??s－１;当旋转速度为１１０００r??min－１时,搅拌头轴肩边缘搅拌的速度为３．４５m??s－１,搅拌针边缘搅拌的速度为０．６９m??s－１,由此可见焊接过程中搅拌头轴肩边缘的搅拌速度约是搅拌针边缘搅拌速度的５倍,这导致焊缝成型时形成一 条 一 条 细 致 的 条 纹,条 纹 之 间 的 间 距 为０．０９mm,而常规搅拌摩擦焊焊缝中条纹之间的距离约为０．２５mm,所以超高转速搅拌摩擦焊焊缝形貌更加细腻.

２．２ 接头力学性能

    表２为不同焊接工艺下３００３铝合金超高转速搅拌摩擦焊接头的抗拉强度测试结果.由表２可知,旋转速度１１０００r??min－１、焊接速度１０００mm??min－１时接头的抗拉强度最高,这与表１的结果相吻合;另外,旋转速度在１００００~１１０００r??min－１、焊接速度８００~１２００mm??min－１的条件下焊接,接头的抗拉强度只达到母材的６０％左右.拉伸试样断裂位置如图１所示,拉伸断口形貌如图２所示,可见焊接接头的断裂处位于焊缝的搅拌区域,并且断裂处会出现一定程度的颈缩,断裂形式为剪 切 断 裂.根 据 焊 接 接 头 的 断 裂 位 置、断 口形 式以及断裂强度可以初步认定,焊接接头拉伸断裂的主导因素为焊接过程中焊接接头出现软化现象,导致抗拉强度降低.

为了进一步证实３００３铝合金超高转速搅拌摩擦焊接接头出现软化,同时测量其软化区域,采用显微维氏硬度计分区测试.其中测试区域为焊接接头截面的上、中、下三排,每一排的长度须确保经过焊接搅拌区、热机影响区、热影响区以及母材.上层距离薄板上表面０．３mm,下层距离薄板下表面０．３mm,相邻测试点之间的距离为０．２mm,如图３所示.

    根据每一个测试点测得的显微硬度以及每个点所处的位置,画出焊接接头截面上的显微硬度云图,如图４所示.可见焊接接头软化区域的硬度在３０~３５HV,而母材的硬度约为５０HV,可见软化区域的硬度为母材的６０％左右,这与拉伸试验结果相吻合;另外,软化区域的形状及大小与搅拌区域的相当接近.由此可知采用超高转速搅拌摩擦焊方法焊接３００３铝合金薄板并不是因为产生焊接缺陷造成焊接接头抗拉强度的下降,而是因为焊接接头金属软化导致抗拉强度的降低.软化区域上表面宽度为４．３mm,下表面宽度为２．８mm,该区域是由于搅拌引起的软化还是由于温度引起的软化,需通过金相显微镜观察其微观组织来进一步确认.

２．３ 焊缝显微组织

３００３铝合金薄板焊缝宏观形貌如图５所示,为最佳焊接工艺参数条件下焊缝表面宏观形貌,可见超高转速搅拌摩擦焊的焊接过程平稳,焊缝表面成型很好,没有飞边、裂纹等缺陷.３００３铝合金焊缝横断面微观形貌如图６所示,可见焊缝不存在根部缺陷和减薄现象,且焊缝内部有清晰的流向线,流线致密,无疏松、孔洞等缺陷.

３００３铝合金薄板焊缝的显微组织形貌如图 ７所示.由图７a)可知,３００３铝合金薄板母材的显微组织呈现带状变形结构,这是３００３铝合金未焊接前在其冲压过程中形成的组织结构;由图７b)可知,焊核区的晶粒变化明显,为细小的等轴晶,这是由于搅拌头对材料产生了强烈的搅拌作用,并且在较高温度的热循环作用下发生了强烈的塑性变形,导致母材带状轧制变形结构和拉长的再结晶晶粒转变为细小 的等轴再结晶晶粒.由图７c)和图７d)可知,前进侧热影响区和焊缝区的分界线比较明显,说明前进侧热影响区范围较大,而后退侧分界线比较模糊,热影响区范围相对较小.出现这种情况是因为焊接过程中热影响区两侧金属的塑性流动有较大差异,在前进侧,塑性体之间的速度梯度比较大,搅拌头靠近外侧的塑性体变形程度及流动性远远小于焊核区塑性金属的,造成它们之间形成比较明显的分界线.

由此,焊缝中心区域的金属在剧烈的热及搅拌的作用下晶粒的排布发生了巨大的转变,冲压过程产生的晶粒位错关系完全丧失或者部分丧失,所以搅拌摩擦焊接过程中消除了焊缝中心区域金属的冷作强化,导致接头的硬度及抗拉强度不及母材的.

３ 结论

(１)采用超高转速搅拌摩擦焊方法焊接 ３００３铝合金薄板,在焊接参数合理的条件下可以保证焊接接头无缺陷、工件无减薄、变形量小,但接头软化现象不可避免.

(２)在旋转速度为１１０００r??min－１、焊接速度为１０００mm??min－１的工艺参数下,可获得表面质量最好 的 焊 接 接 头,焊 核 区 的 显 微 硬 度 达 到 了３５HV,且焊接接头的抗拉强度达到９４．７MPa.

(３)３００３铝合金薄板焊接接头热影响区软化的主要原因是在热及搅拌的作用下,焊接接头经过了类似退火的过程,从而使得局部区域的冷作硬化出现了不同程度的削弱,距离焊缝中心越近的热影响区金属软化得越严重.变化的检测方面独具优势

4 结论

(１)EPMA 可直观地显示合金表面渗层元素的含量及分布情况、腐蚀后各元素对应的分布特征、不同热处理工艺下铝合金中锌元素的面分布特征及碲元素在镍基合金中的渗透过程.

(２)EPMA 的分析结果具有很强的直观性,其原 位分析特征使之在金属材料领域中,不管是在产品检测、失效分析、工艺优化还是基础研究等方面都能发挥效用.

（文章来源：材料与测试网-理化检验－物理分册 > 2018年 > 7期 > pp.479）