7050-T7451铝合金搅拌摩擦焊接头组织和性能与疲劳断裂

白海青， 曹志峰， 王红莲， 王岳

(1.东营市特种设备检验研究院， 山东 东营 257092； 2.胜利油田兴通建设工程有限责任公司， 山东 东营257200)

0 前言

当前在有色金属材料中，铝和铝合金产量位居第二，仅次于钢铁，潜力巨大。铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用[1]。7050铝合金属高强度可热处理合金,具有极高的强度及抗剥落腐蚀和抗应力腐蚀断裂的性能,已经运用在飞机上多个重要部件。由于铝合金比较活泼，表面容易氧化，导热导电性好，线膨胀系数大，熔焊时容易产生气孔、裂纹、咬边等缺陷，对于大的结构件,钎焊、电阻焊、压力焊等方法更是难以实施，对于7050铝合金等热处理强化的高强度铝合金，熔焊时液化裂纹倾向较大，被认为是传统熔焊“不可焊”金属[2-6]。因此，高强铝合金的焊接技术成为该种合金在工业上推广应用的最大阻碍，用固态焊取代熔化焊,以实现高强铝合金的永久性连接成为一种可行的方法,也得到了研究者的共识。7050铝合金的焊接必将成为未来的前沿课题。针对7050铝合金FSW接头，利用拉伸、疲劳分析手段对接头性能进行试验分析，利用金相、硬度、SEM分析手段研究接头拉伸及疲劳断裂特征，分析接头断裂影响因素。

1 试验材料及方法

试验材料选用厚度为6.5 mm的7050-T7451高强铝合金试板，并对材料进行热处理。首先对铝合金试板进行477 ℃的固溶淬火处理后进行拉伸，消除冷加工过程中产生的应力，同时使合金发生再结晶，改善其塑韧性，而后进行人工过时效处理，使合金耐腐蚀性得到一定程度的提高，获得良好的综合性能，7050-T7451铝合金的化学成分见表1。

表1 7050-T7451铝合金化学成分(质量分数，%)

2 试验结果及分析

2.1 焊缝成形

图1所示为7050-T7451铝合金搅拌摩擦焊焊缝表面形貌，在转速为500 r/min，焊接速度为150 mm/min，轴间直径为15 mm，搅拌针长度为6.5 mm，下压量为0.1 mm的情况下，厚度为6.5 mm的7050-T7451铝合金试板可单面一次成形，截取横截面检查焊缝内部，并未发现气孔、裂纹等缺陷，通过抗拉强度试验发现，其抗拉强度可达到470 MPa,力学性能较好。同时，发现7050-T7451铝合金经过搅拌摩擦焊后，焊缝比较整洁，而且焊接后几乎没有变形。根据材料的流动性差异产生的不同区域，铝合金搅拌摩擦焊接头由4个区域组成，分别是母材区(Base metal, BM)、焊核区(Weld nugget zone，WNZ)、热力影响区(Thermal-mechanical affected zone，TMAZ)和热影响区(Heat affected zone，HAZ)。

2.2 焊缝表面金相组织分析

图2为7050-T7451铝合金搅拌摩擦焊焊缝表面金相组织结构，由于搅拌摩擦焊自身搅拌摩擦的特点以及不同区域材料流动性的差异，搅拌摩擦焊焊接接头分区特点明显，焊接接头中心部分是焊核区，焊核区比较宽，焊核区两侧是热力影响区，热力影响区两侧是热影响区，热力影响区和热影响区比较窄，最外侧是母材区。由图2a可以看出，焊核区组织与母材区相比，发生了巨大变化，母材区粗大的块状晶被焊核区均匀细小的等轴晶代替，晶粒间没有明显的位向关系，这是因为在焊接过程中焊核区发生了动态再结晶。焊接时，由于搅拌针与工件搅拌摩擦产生大量的热，同时工件发生明显塑性变形，位错密度急剧增加，当储能达到动态再结晶的条件时，焊核区发生动态再结晶，此时焊核区金属内不断形成大量的晶核，但是由于铝合金散热快以及搅拌针的搅拌打碎作用，形成晶核来不及长大被打碎，因此形成均匀细小等轴晶[7-9]。图2b为热力影响区，从图中可以看出，热力影响区组织大小不均匀，相比母材组织，出现变形，与焊核区相比，晶粒明显粗大，这是因为热力影响区虽然距离搅拌针相对较远，而且在热循环的作用下，晶粒长大，由于储能不够，不能达到动态再结晶的条件，故没有发生动态再结晶，力学性能不均匀。图2c为热影响区,该区域组织粗大，但是与热力影响区相比，组织较为均匀，晶粒没有被拉长，出现弯曲变形，在热循环的作用下，晶粒吸收来自热力影响区的热量，迅速长大，但是仍然保留了母材组织基本的特点，没有出现明显变形。图 2d为母材区，母材组织未发生明显变形，组织较为粗大，多呈块状，该区域远离搅拌针的位置，并未明显受到机械外力及热循环的影响，保持着材料本身的力学性能。

2.3 焊缝截面金相组织分析

与7050-T7451搅拌摩擦焊焊接接头表面金相组织相似，焊接接头截面金相组织各区有显著的特点[10]，图3为焊缝截面金相组织。如图3a所示，焊核区经历高温热循环，并且受到强烈的搅拌作用，发生了显著的动态再结晶，7050-T7451铝合金原始的较为粗大的块状晶组织被均匀细小的晶体代替，组织均匀化，晶粒间未出现明显的位向关系。从图3b中可以看出，热力影响区的组织大小不均匀，与母材组织相比，出现变形，与焊核区相比，晶粒明显粗大，但是与热影响区相比，组织还是相对细小，有一定的细晶强化效果。而图3焊缝截面组织的形状反映出了搅拌摩擦焊过程中金属随搅拌针的旋转而流动的特征。从图3c和图3d可以看出，热影响区组织相比母材较为粗大，但未发生明显的变形，没有受到机械外力的作用，仅受到了热循环的影响，所以没有出现塑性变形[11]。而由这种焊接热循环导致的组织粗大一定程度上影响了焊接接头的性能，并会在材料表面的硬度上有所体现[12]。

2.4 硬度分布规律

试验所用的仪器是DHV-1000型数字显微硬度计，分别测试7050-T7451铝合金的表面及侧面不同区域的硬度,如图4和图5所示。由图4和图5可知，焊缝截面的硬度分布是有一定的规律的，即热影响区的硬度比较低，热力影响区的硬度比母材区的低20～25 HV,比热影响区的高20～30 HV，整体呈“高-低-高-低-高” 对称型规律分布，而在搅拌摩擦焊的焊接过程中，焊核区组织发生了动态再结晶，组织结构均匀，晶粒细化，起到了细晶强化的作用，故焊核区的硬度最高。

2.5 搅拌摩擦焊的疲劳断裂分析

采用搅拌摩擦焊方式进行焊接时，焊后的力学性能有很大变化，这是因为热输入不均匀、热量散发不均匀所造成的，故只取中间部分作为试验取材范围[13]。经搅拌摩擦焊后，试样上表面会有“起皮”和“飞边”现象产生，可能成为潜在的裂纹源，因为它会导致微观上的表面缺陷与宏观上的应力集中，进而观察不到微观裂纹的形成机制[14]。因此要对试件表面进行打磨、抛光，保证试样表面的粗糙度及纹理。

疲劳试验前先进行抗拉试验，分别进行3组拉伸试验，获取7050-T7451铝合金搅拌摩擦焊接头的屈服强度、抗拉强度及断后伸长率，4号试样为母材。具体数据如图6和图7所示。

由抗拉试验结果可选取疲劳加载应力为300 MPa，250 MPa，200 MPa，采用10 kN高频疲劳试验机进行疲劳试验，疲劳试验使用正弦波形，应力比R=0.1，疲劳试验后得到的试样如图8所示。该次疲劳试验对相同焊接参数的3组试样进行了分析测试，施加3组不同方向的应力是试验的变量，在该前提下，3组试样全部断裂，第1组和第3组试样有相同的断裂位置，都在焊核区断裂，综合分析试验结果与数据，充分表明疲劳裂纹大多起于焊缝位置，然后扩散到焊缝表面断裂，这是因为搅拌摩擦焊缝金属厚度比母材的厚度略小的原因，同时，当焊接参数不合适时，可能在根部产生缺陷，这将会极大的影响焊接接头的疲劳力学性能，另外焊缝表面留下的凸台和表面划伤造成应力集中也是导致焊缝中心发生断裂的因素。

图9为图8试样1-1的疲劳断口SEM图，其疲劳断裂位置在前进侧热影响区，疲劳加载应力为200 MPa，由于其疲劳加载应力较低，疲劳循环次数较长。从图9a中可以看到疲劳源，疲劳断口比较粗糙并且观察不到疲劳辉纹，断口非常粗糙的原因可能是由于疲劳加载应力较低，疲劳裂纹的扩展速度慢，率先断裂的位置不断开合发生摩擦所致，而疲劳辉纹通常是在疲劳加载应力水平大于材料的疲劳强度极限的情况下出现，此疲劳加载应力为200 MPa，没有达到铝合金的疲劳极限，因此观察不到明显的疲劳辉纹。从图9b、图9c、图9d中可以看到断裂形式为韧性断裂的韧窝，韧窝有大有小，且分布非常密集。

图10为图8试样1-3的疲劳断口SEM图，其疲劳断裂位置在焊核区，疲劳加载应力为250 MPa，与铝合金的疲劳强度大致相当。从图10a中可以看到焊核区的疲劳断口较为平整，从图10b和图10c中可以观察到焊核区经过搅拌摩擦焊后的晶粒非常细小，其接头的断裂形式为沿晶断裂。从图10c中能够看到疲劳辉纹，但是不够明显，从图10d中看到体积较大的第二相颗粒，第二相颗粒的存在能够阻碍位错的运动，提高焊接接头的强度。同时也能看到许多小而浅、排列密集的韧窝，但看不到明显的纤维区，断裂方式为韧性断裂。

图11为试样1-2的疲劳断口SEM图，其断裂位置在母材区，疲劳加载应力为300 MPa。从图11a中可以看到断口表面非常平整，疲劳源区氧化严重呈现深灰色，图11b中看到明显的疲劳辉纹，疲劳辉纹垂直于裂纹扩展方向，图11c中可以观察到大量的疲劳台阶和轮胎花样，表现为一种准解理的断裂形态。轮胎花样是疲劳循环过程中率先断裂的断口表面上的颗粒之相匹配的断裂面进行撞击形成的，由于应力水平较大，图中也没有观察到任何韧性断裂的特征，更多的表现为一种瞬断的状态，因此断裂形式为脆性断裂。

3 结论

(1)通过研究发现，7050-T7451铝合金搅拌摩擦焊焊接接头成形良好，截面不存在明显的焊接缺陷。通过抗拉强度试验发现，7050-T7451高强铝合金搅拌摩擦焊焊接接头的抗拉强度可达470 MPa左右，力学性能较好。同时，母材区、焊核区、热力影响区和热影响区显著分区是由于搅拌摩擦焊的特点和材料的流动性差异造成的。

(2)通过硬度分析测试，发现热影响区的硬度比较低，热力影响区的硬度比母材区的低20～25 HV,比热影响区的高20～30 HV，整体呈“高-低-高-低-高”型规律分布，焊核区硬度最高是因为在搅拌摩擦焊的焊接过程中，发生了动态再结晶，组织结构均匀，晶粒细化，起到了细晶强化的作用。

(3)通过疲劳试验分析，7050-T7451铝合金FSW接头的疲劳类型为低周疲劳，应力水平为200 MPa时，试样在前进侧热影响区发生断裂，断口的表面较为粗糙，观察不到疲劳辉纹，但可以看到密集分布着许多直径较大，较深的韧窝，其断裂方式为韧性断裂。应力水平为250 MPa时，试样在焊核区发生断裂，断口的表面较为平整，焊核区的晶粒十分细小并且能够看到直径较大的第二相粒子，韧窝分布密集，直径较小，深度较浅，断裂方式为韧性断裂。应力水平为300 MPa时，试样在母材处发生断裂，断口表面十分平整，疲劳源区由于保护不好发生了氧化呈深灰色，能够观察到数量较多的疲劳辉纹以及疲劳台阶和轮胎花样，表现为一种准解理的断裂形式，断裂方式为脆性断裂。