搅拌摩擦连接7075铝合金接头组织及力学性能分析

蒲家飞，汪洪峰，刘胜荣，葛小乐，董 旗

（黄山学院 机电工程学院，安徽 黄山245041）

铝合金具有良好机械性能、比强度高、耐腐蚀等优点[1]，作为结构件被广泛应用于航天、船舶等领域，高效环保焊接技术是工程应用的保障。7075铝合金作为结构件连接方式主要为焊接，传统熔化焊接头区易产生热裂纹、气孔等缺陷[2-3]。

搅拌摩擦连接（Friction Stir Joining，FSJ），属于固相连接技术[4]，能有效地连接铝合金，避免接头热裂纹、气孔等缺陷[5]。刘刚等[6]采用搅拌摩擦焊连接12mm厚7075铝合金，表面出现飞边，随着主轴转速增加，飞边、鱼鳞纹、毛刺较为明显，接头减薄0.2mm，获得接头最大抗拉强度为382.7MPa。RAO[7]研究搅拌摩擦连接厚度为10mm和16mm的AA7075，获得晶粒细化表面无缺陷的接头，16mm比10mm厚板焊接接头热影响区硬度下降较为明显，并伴随无沉淀析出带变宽，晶粒回溶部分第二相，拉伸实验断裂处为热影响区。目前研究人员多采用主轴倾角2°以上进行铝合金搅拌摩擦连接试验，导致接头产生明显的减薄和飞边，从而降低了接头强度和表面质量[8]。本文以0.5°主轴倾角对10mm厚7075铝合金板材进行FSJ试验，小倾角下搅拌头轴肩下压量减少，从而获得表面成形质量高减薄量小的接头。通过观察接头各区域微观特性，分析接头拉伸失效机理，优化工艺参数获得力学性能优良的接头。

1 实 验

1.1 试样制备

板材选用100×100×10mm的热轧制7075-T6铝合金板材，连接面进行砂纸打磨去除氧化层，并用丙酮和酒精清洗，封存备用。采用北京赛福斯特技术有限公司研发的FSW-LM-A10型搅拌摩擦连接设备，搅拌针轴肩直径为24mm，下压量为0.1mm，主轴倾角为0.5°，具体工艺参数见表1。

表1 7075-T6铝合金FSJ工艺参数

续表1

1.2 显微组织

借助线切割以接头焊核区为中心，制备30×10×10mm金相试样，先用320#-1400#砂纸依次打磨，再用W0.05抛光液和抛光膏抛光，然后用超声波酒精清洗吹干，在未腐蚀前先通过SEM能谱点面扫描方式检测组织成分，再用Keller试剂晶界侵蚀，腐蚀时间约25s，在MDS400光学显微镜下观察接头各区域晶粒特征。

1.3 拉伸实验

以接头焊核区为中心，依据ASTME8/E8M-13a标准制备拉伸试样。借助WAW-1000型万能试验机通过控制位移1mm/min进行拉伸实验，通过日立S-3400N型扫描电镜（SEM）分析断口形貌。拉伸试样尺寸如图1所示。

图1 拉伸试样

2 实验结果及分析

接头连接区成形表面如图2所示，在不同工艺参数下，获得表面成形质量良好，无明显飞边，减薄量较小的FSJ连接区。图3(a)为7075母材金相组织，因轧制工艺晶粒沿轧制方向呈扁平带状，晶粒尺寸不均匀。T6态7075铝合金在固溶时效后，铝基体弥散分布着棒状或板片状的Mg2Si析出增强相。接头焊核区金相组织如图3(b)所示，晶粒明显细化呈等轴晶体。主要原因是轴肩作用下，较高的热输入使得搅拌区晶粒动态再结晶，同时搅拌头前进速度较高降低了焊核区材料打碎循环重组周期，使得晶粒细化较为显著。热机影响过渡区如图3(c)所示，由图3(c)中标示的焊核边缘区W、热影响区H和热机影响区T组成，图3(c)中标示1区域和标示2区域为热机影响区，两区域晶粒发生明显的拉长变形，且具有不一致性。标示2区域比标示1区域晶粒尺寸及弯曲弧度有所增大，主要原因是靠近焊核区的标示1区域晶粒主要受到搅拌针机械作用破碎变形，而远离焊核区的标示2区域晶粒主要受到组织内部晶粒间晶界牵引力的影响，发生明显的弯曲，同图3（d）热影响区晶粒在高温作用下发生了明显的长大。

图2 接头连接区成形表面

图3 7075铝合金母材及接头金相组织

通过扫描电镜（SEM）观察，分析接头焊核区组成成分及其分布，发现接头焊核区铝基周边弥散着细小颗粒AL2O3、MgO、Fe等化合物。如图4所示，圈内片状物主要为铁氧化物最大尺寸约3um，铁元素所占质量比为1.51wt%。主要原因焊核区高温下，搅拌针发生退火现象，剧烈搅拌导致搅拌针螺纹边缘材料发生磨损、剥落，随着材料循环迁移弥散分布，剥落部分呈片状。

图4 接头组织能谱扫描

FSJ工艺参数下接头内部无缺陷试样进行拉伸实验，获得各参数下接头抗拉强度和伸长率如图5(a)所示。结果表明，不同参数下获得接头抗拉强度差值较小，整体抗拉性能较好，当前进速度为120mm/min时，随着主轴转速增加，接头抗拉强度随之降低，当主轴转速为300rpm时抗拉强度最大为367.4MPa。当主轴转速为400rpm时，随着前进速度的增加抗拉强度随之明显降低伸长率随之升高，当前进速度为140mm/min时，抗拉强度最低为338.5MPa，伸长率最高为10%。如图5(b)所示为接头试样拉伸断裂侧视图，虚线为接头中心位置，左侧为后退侧右侧为前进侧，母材断裂在试样的中心位置，断口呈“S”形，接头试样断裂普遍在连接前进侧热影响区，2#、4#试样为双重斜面断裂，且抗拉强度最大，其它参数下试样都是简单斜面断裂，6#试样在后退侧热影响区断裂且抗拉强度明显降低，主要原因是6#接头后退侧出现缺陷。整体结果表明接头前进侧整体抗拉强度低于后退侧，接头各区域中热影响区抗拉强度最低，主要原因是热影响区受到连接高温影响，发生退火现象，连接过程中材料在搅拌针逆时针旋转作用下，材料从前进侧迁移到后退侧，后退侧再回填到前进侧实现材料循环往复运动，当循环过程中迁移到后退侧的材料未随搅拌针回填前进侧以飞边形式溢出，降低前进侧致密性，易出现孔洞隧道等缺陷。

图5 不同工艺参数下接头的拉伸实验

如图6(a)所示为母材试样低倍镜下拉伸断口形貌，断口表面呈明显的凹凸状，高倍镜下观察母材试样断口形貌如图6(c)所示，存在较大的解理台面断裂形式为脆性断裂，试样在拉伸力的作用下，解理裂纹之间发生明显的塑性变形，形成解理台阶。接头试样的断口形貌在低倍镜下如图6(b)所示，呈均匀的等轴韧窝，在高倍镜下如图6(d)所示，接头断口表面呈深而大的韧窝状，大韧窝周围分布着密集的小韧窝，对于部分浅而小的韧窝受搅拌头脱落的铁杂质影响，降低了接头的性能，接头断裂主要为韧性断裂。

图6 接头试样拉伸断口形貌

3 结论

（1）在主轴倾角为0.5°下，接头表面成形良好无明显飞边，减薄量为0.1mm，接头晶粒细化明显，受搅拌针机械作用发生明显拉长变形，热影响区晶粒受热长大。焊核区弥散着铁元素化合物，部分呈片状最大尺寸约3um。

（2）接头在FSJ过程中受热发生退火现象，抗拉强度性能降低，当主轴转速为300rpm，前进速度为120mm/min时，获得最大抗拉强度为367.4MPa，伸长率为7.2%。当主轴转速为400rpm，随着前进速度的升高抗拉强度降低，伸长率升高最大为10%。前进速度较主轴转速对接头抗拉强度影响较大。

（3）接头断裂位置为前进侧热影响区，高强度接头以双重斜面形式断裂。断口形貌呈深大韧窝周围伴随小韧窝，接头断裂形式主要为韧性断裂。