2219铝合金搅拌摩擦焊缝补焊工艺研究

颜 旭 房冬青 杜 晗 钟国江 宋成文 马 轶

（首都航天机械有限公司，北京 100076）

1 引言

搅拌摩擦焊（FSW）是一种新型的固相焊接技术，自问世以来在全球各宇航机构得到了广泛的应用，特别是以运载火箭贮箱为代表的大型铝合金结构件的制造。双轴肩搅拌摩擦焊接技术作为搅拌摩擦焊接技术的衍生技术，相比于传统的单轴肩搅拌摩擦焊接技术，从根本上解决了根部弱结合问题；同时随着产品尺寸的不断加大，双轴肩搅拌摩擦焊接技术在工装方面所体现出的技术优势也更加明显[1，2]，目前该技术在新一代猎户座载人飞船、AresI 运载火箭、新一代重型运载火箭（SLS）等产品上均得到了应用。

双轴肩搅拌摩擦焊接技术虽然从根本上解决了根部缺陷问题，但随着产品厚度的增加，工艺窗口逐渐缩小，因此在焊接过程中容易产生缺陷，如焊核凸出[3]、界面残留、金属擦伤或剥离及孔洞型缺陷等。当前对于双轴肩搅拌摩擦焊接技术，关于工艺参数、工程影响因素及检测技术开展的研究相对较多，但对焊缝内部已知缺陷的修复技术研究相对较少[4]，仅姚君山[5]、刘会杰[6]、李博[7]、李伟坡[8]、朱援祥[9]等人开展了搅拌摩擦焊缝的修补技术和有限元模拟技术研究。

基于此，为进一步完善双轴肩搅拌摩擦焊接技术研究体系，本文以10mm 厚2219铝合金浮动式双轴肩搅拌摩擦焊接为基础，采用自主设计的浮动式双轴肩搅拌头开展补焊技术研究工作。试验研究中假设原始焊缝内部缺陷存在于焊缝中间部位，分别采用双轴肩搅拌摩擦焊和单轴肩搅拌摩擦焊技术进行单次和双次补焊，分析其对接头组织和性能的影响。

2 试验方案

本试验基于10mm厚2219铝合金浮动式双轴肩搅拌摩擦焊补焊展开，对补焊工艺方法和次数进行研究。双轴肩搅拌摩擦焊原始试片制备所用材料为600mm×150mm×10mm 规格的2219C10S 高强铝合金板材（抗拉强度为440MPa，断后伸长率为15%），焊接接头形式为I 型等厚对接接头，共计包含2 种工艺参数（此工艺参数条件下获得的焊缝经试验验证具有良好的性能）。补焊采用的工艺方法包含双轴肩搅拌摩擦焊和单轴肩搅拌摩擦焊2 种，补焊次数包含一次补焊和二次补焊，试验方案如表1所示。采用双轴肩搅拌摩擦焊工艺方法进行补焊试验时，工艺参数选择与原始焊缝焊接一致；采用单轴肩搅拌摩擦焊工艺方法进行补焊试验时，工艺参数选择为：焊接转速180r/min，焊接速度600mm/min。

表1 补焊试验方案

每组参数下制备1 块焊接试片，从每块试片上截取1 个金相试样，用混合酸（1ml HF+1.5ml HCl+2.5ml HNO3+95ml H2O）溶液对抛光后的试样进行腐蚀，进行金相组织分析和显微硬度测试。从每块试片上按GB/T 2651 分别取6 个拉伸子样，在MTS-810 电子拉伸试验机上进行拉伸试验，测试接头拉伸力学性能。对断裂后的子样进行金相观察，分析断裂位置的变化规律。

3 试验结果与分析

3.1 焊缝接头形貌及显微组织结果

不同补焊工艺方法、补焊次数条件下获得焊缝接头宏观形貌典型特征如图1所示。从结果可以看出：采用双轴肩搅拌摩擦焊接工艺方法进行补焊的接头，其宏观形貌特征依旧呈现典型的“哑铃型”，由母材区、热影响区、热力影响区及焊核区组成，补焊后未出现具有其它特征的组织区域。上述接头形貌特征情况与正常条件下焊接所获得的焊缝接头宏观形貌特征无明显差异[10]，但是观察发现采用单轴肩搅拌摩擦焊节工艺方法进行补焊后的接头可同时观察到两种焊接工艺方法所留下的接头形貌特征，即表现出在双轴肩搅拌摩擦焊焊核区域内部存在一个单轴肩搅拌摩擦焊后的焊核区域。

图1 不同工艺方法补焊后接头宏观形貌特征

进行补焊研究时焊缝内部缺陷均为假想存在，在完成原始焊缝焊接后立即进行一次补焊和二次补焊过程的焊接；由于焊接起始位置、终止位置及焊接路径均有设备程序控制，因此每次焊接过程所形成的焊缝位置基本一致，从而导致了采用双轴肩搅拌摩擦焊工艺方法进行补焊研究时其接头宏观形貌特征与原始焊缝焊接无差异的特征。

而在采用单轴肩搅拌摩擦焊接方法进行补焊时，由于所使用的搅拌头轴肩直径和搅拌针直径略小于原始焊缝宽度，因此可以清晰地看到在双轴肩焊缝内部存在单轴肩搅拌摩擦焊所形成的焊缝区域。

对补焊后的接头显微组织进行观察，发现采用双轴肩搅拌摩擦焊进行补焊后接头各区域组织特征与原始焊缝无差异，焊缝不同补焊次数接头前进侧和后退侧分界面处的组织进行观察也未发现明显特殊特征（见图2）。

图2 双轴肩搅拌摩擦焊补焊后接头显微组织特征

采用单轴肩搅拌摩擦焊工艺方法进行补焊后的接头显微组织特征如图3所示。如接头宏观形貌观察到的结果所示，在焊核区能够清楚地观察到两次焊接所形成焊缝区的分界面。对界面处组织进行观察，在进行单轴肩搅拌摩擦焊补焊时，由于焊核区晶粒的分布方向与原始焊核区组织产生一定差异，所以重新形成了界面，但晶粒尺寸基本相同。

图3 单轴肩搅拌摩擦焊补焊后接头显微组织特征

3.2 焊接接头显微硬度结果

对不同条件下的接头显微硬度进行测量，测量位置为沿焊缝厚度方向的中心位置，从前进侧母材横跨焊缝中心至后退侧母材，间隔为0.5mm。其中横坐标0 位置为焊缝中心位置，负半轴为原始焊缝前进侧，正半轴为原始焊缝后退侧。

图4 和图5 分别为ω=200r/min、v=200mm/min 和ω=200r/min、v=300mm/min 条件下采用双轴肩搅拌摩擦焊工艺方法进行补焊后接头的显微硬度变化趋势。图6 和图7 分别为ω=200r/min、v=200mm/min 和ω=200r/min、v=300mm/min 条件下采用单轴肩搅拌摩擦焊工艺方法进行补焊后接头的显微硬度变化趋势。

图4 ω=200r/min、v=200mm/min 条件下双轴肩补焊硬度对比

图5 ω=200r/min、v=300mm/min 条件下双轴肩补焊硬度对比

图6 ω=200r/min、v=200mm/min 条件下单轴肩搅拌摩擦焊补焊硬度对比

图7 ω=200r/min、v=300mm/min 条件下单轴肩搅拌摩擦焊补焊硬度对比

从显微硬度的分布趋势结果可以发现：

一方面，采用双轴肩搅拌摩擦焊工艺方法进行补焊的接头，不同补焊次数条件下的接头显微硬度分布趋势依然呈“W”形分布，显微硬度的最低值依旧在后退侧焊核区与热机影响区的界面位置处，且不同条件下显微硬度数值大小无明显变化；

另一方面，采用单轴肩搅拌摩擦焊工艺方法进行补焊接头，随着补焊次数的增加，接头显微硬度分布趋势和数值大小呈现出一定的变化特征，主要表现为：

a.在分布趋势上，二次补焊和原始焊缝的接头显微硬度变化趋势基本一致且呈现“W”形；而一次补焊的接头显微硬度趋势呈现出“U”形，无明显的显微硬度最低点。

b.在数值大小上，焊核区区域内原始焊缝＞二次补焊＞一次补焊。

3.3 接头力学性能变化结果

对不同补焊条件下试片进行拉伸性能测试，每块试片上取6 个子样。将力学性能数据进行统计（取平均值），对接头抗拉强度、延伸率随焊接速度的变化规律进行分析，同时观察不同条件下接头的断裂位置及断裂模式的变化。

图8所示为ω=200r/min、v=200mm/min 条件下接头补焊后与原始焊缝接头性能对比结果。从结果来看，相比于原始焊缝两种不同工艺方法进行单次和两次补焊的接头性能基本相当，且接头性能均超过300MPa（强度系数＞0.6），满足相关技术要求。图9所示为ω=200r/min、v=300mm/min 条件下的结果，相比ω=200r/min、v=200mm/min 条件下接头性能下降幅度变大，但是接头性能也均超过300MPa（强度系数＞0.6）。对补焊后的接头性能下降幅度进行计算，结果如表2所示。

图8 ω=200r/min、v=200mm/min 条件下接头性能对比结果

图9 ω=200r/min、v=300mm/min 条件下接头性能对比结果

表2 补焊后接头性能下降幅度结果

图10 和图11所示为同种补焊工艺方法条件下随补焊次数增加接头性能的变化趋势。从结果可以看出，相比于原始焊缝接头抗拉强度，随着补焊次数的增加，接头性能呈现出下降的变化趋势；但接头延伸率变化情况较小。对接头拉伸后断裂位置进行统计发现，原始焊缝和采用单轴肩搅拌摩擦焊工艺方法进行补焊的接头均断裂于原始焊缝的后退侧，断裂模式均为斜45°韧性断裂模式（如图12a、图13a所示）；采用双轴肩搅拌摩擦焊进行补焊的接头均断裂于原始焊缝的前进侧，断裂模式也均为斜45°韧性断裂模式（如图12b、图13b所示），此条件下相比原始焊缝，断裂位置发生了转移（由后退侧转移至前进侧）。

图10 不同工艺参数条件下双轴肩工艺方法补焊接头性能变化趋势

图11 不同工艺参数条件下单轴肩搅拌摩擦焊工艺方法补焊接头性能变化趋势

图12 断裂位置及断裂模式示意图

图13 接头断裂位置及断裂模式情况

3.4 试验结果分析

焊接接头性能宏观上表现接头抗拉强度、延伸率及断裂位置的变化情况，但其本质上是由焊缝内部微观组织特征所决定的。

首先对于接头显微硬度，随着补焊过程进行，焊接热输入进一步增大，可以发现采用不用工艺方法进行补焊的接头后退侧低硬度区逐渐变宽，这主要是由于该区域组织内部强化相进一步熔解从而导致接头发生软化；但对于单轴肩搅拌摩擦焊接来说，相比双轴肩搅拌摩擦焊接方法其热输入较小，因此采用单轴肩搅拌摩擦焊进行单次和两次补焊时接头显微硬度的区别主要集中在焊核区，在二次热输入的影响下接头发生软化，但随着补焊次数的增加，焊核区晶粒进一步细化，因此硬度值又出现变大的情况，最终表现为“焊核区区域内原始焊缝＞二次补焊＞一次补焊”的现象。

无论是单轴肩搅拌摩擦焊接技术还是双轴肩搅拌摩擦焊接技术，在焊缝前进侧都会形成明显的界面特征，这主要是由于焊接过程中前进侧区域母材与焊核区材料流场变形差更大。对于原始双轴肩搅拌摩擦焊缝，由于接头后退侧发生软化，拉伸过程中更易发生塑性变形从而产生应力集中情况，因此通过接头断于后退侧；在焊缝补焊过程中，同样随着补焊热输入的增加，接头后退侧进一步发生软化，因此在拉伸过程中容易发生断裂；但当采用双轴肩搅拌摩擦焊进行补焊时，随接头后退侧发生软化，但前进侧由于多次焊接导致的晶粒组织差异性变得愈加明显，微观上更容易产生应力集中，因此断裂位置发生了转移。

虽然补焊过程中对接头宏观形貌、显微硬度分布和断裂位置均产生了一定影响，但从补焊后接头抗拉强度和延伸率结果来看，均符合要求，因此可以说明两种补焊工艺方法均适合焊缝的补焊。

4 结束语

本文以10mm厚2219铝合金浮动式双轴肩搅拌摩擦焊接头补焊后性能变化为研究对象，通过对焊后接头宏观形貌、显微组织、显微硬度及力学性能的变化进行分析，主要结论如下：

a.经过试验验证，10mm 厚2219铝合金浮动式双轴肩搅拌摩擦焊缝可以采用双轴肩搅拌摩擦焊和单轴肩搅拌摩擦焊两种工艺方法进行缺陷修复，修复后接头性能能够满足使用要求。

b.补焊过程中会对接头产生更大的热输入，接头后退侧会进一步发生接头软化现象，从而导致接头性能的下降，因此为保证原始焊缝质量，应尽可能减少补焊次数。

c.在实际焊缝补焊工程中，对于开敞类焊缝优先选用单轴肩搅拌摩擦焊工艺方法进行补焊；而对于封闭环焊缝则优先选用双轴肩搅拌摩擦焊工艺方法进行补焊。