不同形状搅拌头异种铝合金搅拌摩擦焊接头的性能

刘守法，蔡 云，吴松林

（1.西京学院机电工程系，西安710123；2.永城职业学院机电工程系，永城476600）

0 引 言

2024与7075 铝合金皆为可热处理强化铝合金，具有优良的耐蚀性与较高的比强度，目前已广泛应用于航空航天工业。采用传统熔焊对这两种铝合金进行焊接时，易使熔融区形成树状晶组织并产生气孔与凝固裂纹，从而导致焊接接头质量降低［1-2］。搅拌摩擦焊接（FSW）有别于传统熔焊，它是一种具有低变形、高焊接质量的固态焊接工艺，可有效提高铝合金焊接的质量与效率。

目前有关2024-T3与7075-T6铝合金FSW的相关研究中，大多数着重于接头显微组织、硬度、拉伸与疲劳性能等方面的研究［3-4］，而关于搅拌针形状对焊缝内材料流动与力学性能影响的研究较少［5-6］。为了提高此类合金接头的性能，作者选用两种形状的搅拌头，在不同搅拌头转速、焊接速度和材料搭配方式下对异种铝合金（2024-T3与7075-T6）进行搅拌摩擦焊接，研究了不同条件下接头的焊缝形貌和力学性能。

1 试样制备与试验方法

对3mm厚的2024-T3与7075-T6铝合金板进行焊接，焊接前先将它们切割成表面尺寸为120mm×60mm的长方形，待焊接面用铣床加工平整。搅拌头材料为钼系高速钢SKH55，形状为圆柱螺纹和三棱柱螺纹，搅拌头的尺寸及形状如图1所示。搅拌头的转速为1 100r·min-1，焊接速度分别为80，120mm·min-1。铝合金的搭配方式：前进侧（AS）和后退侧（RS）分别放置2024-T3和7075-T6铝合金记为 AS（2024）-RS（7075），反之记为AS（7075）-RS（2024）。焊接后铝合金板的表面尺寸为120mm×120mm。

焊接完成后在焊缝处取样，利用HXS-1000A型显微硬度仪测显微硬度，加载载荷为1.96N，保持时间为5s；分别观察母材（BM）、热影响区（HAZ）、热机影响区（TMAZ）和搅拌区（STZ）的宏观形貌。

根据GB/T 2651-2008，用线切割机从接头上沿垂直于焊缝方向截取标准拉伸试样，在RG2000-20型万能试验机上进行拉伸试验，拉伸速度为2mm·s-1，每组测试3个试样取平均值，每组数据中选取抗拉强度最大的试样，采用JSM-5600型扫描电子显微镜进行断口形貌观察。

图1 不同形状搅拌头的尺寸Fig.1 Dimension of threaded cylindrical（a）and threaded triangular prism stir head（b）

2 试验结果与讨论

2.1 焊缝的宏观形貌

由表1可以看出，在搅拌头转速和焊接速度分别为1 100r·min-1和80mm·min-1的情况下，两种形状搅拌头形成的焊缝均无隧道类缺陷，圆柱螺纹搅拌头对应焊缝的搅拌区中可明显分辨出两种材料，说明两种材料并未完全均匀地搅拌在一起，而三棱柱螺纹搅拌头可以使材料的塑性流动更剧烈，所以它对应的焊缝搅拌区中两种材料混合得较均匀［7］。在搅拌头转速和焊接速度分别为1 100r·min-1和120mm·min-1的情况下，圆柱螺纹搅拌头对应的焊缝有明显的隧道类缺陷形成，这主要是由单位长度上焊缝输入热量不足，导致材料不易形成塑性流动而造成的，其中2024-T3合金位于前进侧时的隧道类缺陷较为严重，而三棱柱螺纹搅拌头对应焊缝中的隧道类缺陷较轻。由此可见，三棱柱螺纹搅拌头较圆柱螺纹搅拌头更易使材料产生塑性流动，而由于7075-T6铝合金的塑性流动能力较差，故应将其放置在搅拌针边缘与材料相对速度较大的前进侧。

表1 不同焊接条件下焊缝的宏观形貌Tab.1 Macro morphology of weld seam under different welding conditions

2.2 焊缝的硬度

由图2可见，两种搅拌头对应焊缝硬度的变化趋势相似，其中母材的硬度最高，HAZ的硬度最低。由于7075-T6合金母材比2024-T3合金母材的硬度高，而在焊缝两侧材料同时受热影响时，会导致析出物粗化［8］，造成硬度下降；且在相同的条件下，7075-T6合金的析出强化效果高于2024-T3的，所以7075-T6合金侧的硬度高于2024-T3侧的。另外，由于TMAZ区材料受热以及塑性变形的影响而产生位错及部分再结晶，而HAZ区的材料受热影响出现晶粒长大，故而导致TMAZ区的硬度比HAZ区的高［9］。

在搅拌头转速与焊接速度相同的情况下，AS侧热机影响区的范围比RS侧的大。这是由于AS侧搅拌针边缘上的点与待焊材料（铝合金）的相对速度比RS侧的大，从而导致AS侧材料塑性变形大而引起的。

三棱柱螺纹搅拌头焊缝的硬度比圆柱螺纹搅拌头的略高，这主要是由于前者对被焊材料的脉冲作用产生了较大的摩擦与塑性变形，使得位错及部分再结晶程度较大所致。

搅拌头转速不变，将焊接速度提高至120mm·min-1，其硬度曲线如图2（b）所示。可见，硬度曲线的变化不大，2024-T3铝合金置于不同侧时HAZ区的硬度差异有所增大，其中材料搭配方式为AS（2024）-RS（7075）的焊接接头 HAZ区的硬度仅为107HV，在所有焊接接头中最小。

2.3 接头的拉伸性能

2024-T3和7075-T6铝合金母材的抗拉强度分别为270，340MPa。由表2可见，在相同的焊接参数下，圆柱螺纹搅拌头对应接头的抗拉强度低于三棱柱螺纹搅拌头的。这是因为三棱柱螺纹搅拌头有三个平面，会对材料产生脉冲式搅拌，增加了材料的塑性流动，使两种材料容易均匀地混合在一起，从而提高了抗拉强度［10］。

对于在AS侧放置7075-T6铝合金的焊接接头，其断裂位置均位于RS侧2024-T3铝合金的STZ区，而在RS侧放置7075-T6铝合金的焊接接头，其断裂位置均位于AS侧2024-T3铝合金的TAMZ区或BM区。因搅拌区大多由RS侧的材料组成，故其力学性能接近于RS侧的材料，RS侧材料对焊缝力学性能与显微组织的影响较大，而AS侧材料的影响较小［8］。由此可见，RS侧2024-T3材料因进入搅拌区较多而引起该区强度下降。

图2 不同焊接条件下接头焊缝的硬度分布曲线Fig.2 Micro hardness curves of weld seam under different welding conditions

表2 不同焊接条件下焊接接头的抗拉强度Tab.2 Tensile strength of welded joint under different welding conditions

当焊接速度提高至120mm·min-1时，两种搅拌头对应接头的抗拉强度均有所下降。由于焊接速度过高，单位长度上的热输入不足，从而使材料的塑性流动差，形成材料混合不均或者存在隧道类缺陷［9］。因此在制取拉伸试样前，应进行无损探伤，以确保拉伸试样没有不容许的宏观缺陷。

另由表2可见，当搅拌头转速与焊接速度分别为1 100r·min-1和80mm·min-1时，三棱柱螺纹搅拌头对应的 AS（2024）-RS（7075）搭配方式的接头抗拉强度最大，为260MPa。

2.4 断口形貌

由图3可见，各试样的断口均由韧窝和延性撕裂棱组成，为延性破坏的典型特征。焊接速度为80mm·min-1时，圆柱螺纹搅拌头对应拉伸断口中的韧窝与延性撕裂棱比三棱柱螺纹搅拌头的大，这与三棱柱螺纹搅拌头对应的抗拉强度较高相吻合。焊接速度为120mm·min-1时，圆柱螺纹搅拌头对应拉伸断口中韧窝的数量和深度比三棱柱螺纹搅拌头的少且浅，其中 AS（7075）-RS（2024）搭配方式下试样6中的韧窝数量最少、深度最浅，这使得其抗拉强度最低。

图3 不同焊接试样的拉伸断口形貌Fig.3 Tensile fracture morphology of different welded samples：（a）sample 1；（b）sample 2；（c）sample 3；（d）sample 4；（e）sample 5；（f）sample 6；（g）sample 7and（h）sample 8

3 结 论

（1）对2024-T3与7075-T6的铝合金进行了不同形状搅拌头搅拌摩擦焊接，搅拌头转速与焊接速度分别为1 100r·min-1和80mm·min-1时，焊缝无隧道类缺陷，且三棱柱螺纹搅拌头使两种材料融合得更好。

（2）当搅拌头转速与焊接速度分别为1 100r·min-1和120mm·min-1、材料搭配方式为 AS（2024）-RS（7075）、搅拌头形状为圆柱螺纹时，焊缝的硬度最小，仅为107HV。

（3）搅拌头转速与焊接速度分别为1 100r·min-1和80mm·min-1、材料搭配方式为 AS（2024）-RS（7075）、搅拌头形状为三棱柱螺纹时，接头的抗拉强度达到了260MPa，断裂位置为2024-T3铝合金的TMAZ区。

（4）当搅拌头转速与焊接速度分别为1 100r·min-1和120mm·min-1、材料搭配方式 AS（7075）-RS（2024）时，圆柱螺纹搅拌头对应拉伸断口上的韧窝数量最少且深度最浅，这使得其抗拉强度最低，为78MPa。

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