7055-T6鋁合金攪拌摩擦焊組織與性能分析

葉樹茂 齊芃芃 金文福 唐 強 田春雨 周金旭

遼寧忠旺集團有限公司 遼寧遼陽 111003

1 7055-T6鋁合金概述

7055-T6鋁合金是以鋁鋅鎂銅合金為主的可熱處理強化鋁合金,具備極高的強度、較好的韌性、良好的抗應力腐蝕性,被廣泛應用于航天航空及民用領域,是輕型合金中的杰出代表。在整個制造業中,7055-T6鋁合金有著不可或缺的地位。7055-T6鋁合金采用傳統的熔化焊技術進行連接時,容易產生熱裂紋等焊接缺陷。攪拌摩擦焊是一種固相連接技術,與傳統熔化焊相比,具有優勢。在攪拌摩擦焊過程中,沒有達到材料的熔點,不會產生氣孔和裂紋等缺陷;不產生煙塵、飛濺和輻射,不會危害焊工的人身健康;不需要添加焊絲,節約成本。筆者對3.2 mm厚7055-T6鋁合金攪拌摩擦焊工藝參數進行優化,測試分析焊縫的力學性能和顯微組織,為7055-T6鋁合金焊接提供新的高效焊接方案。

2 試驗材料

試驗選用7055-T6鋁合金板材進行焊接,尺寸為200 mm×100 mm×3.2 mm。焊前采用機械清理方法,清理表面氧化膜及油污。

7055-T6鋁合金化學成分見表1,通過測試得到平均拉伸極限為548.5 MPa。采用HT-JM16×30/2二維靜龍門攪拌摩擦焊機,攪拌頭為針長3 mm的錐狀帶螺紋攪拌頭,軸肩形貌為同心圓內凹,軸肩直徑為12 mm。

表1 7055-T6鋁合金化學成分

3 試驗方法

試驗采用不同焊接參數進行7055-T6鋁合金板材攪拌摩擦焊,工藝參數見表2。焊后制備拉伸試樣和金相試樣,測試分析焊縫的力學性能和顯微組織。

表2 攪拌摩擦焊工藝參數

4 表面成型分析

攪拌摩擦焊表面成型如圖1所示。1號試驗采用常用工藝參數進行焊接,焊后表面產生較為嚴重的起皮缺陷,主軸轉速1 400 r/min和焊接速度600 mm/min參數組合焊接,熱輸入較低,焊接速度較快,7055-T6鋁合金中含有銅與鎂成分,焊縫表面與軸肩易發生粘連,焊接速度較快導致起皮缺陷產生。2號試驗降低焊接速度與主軸轉速,起皮缺陷明顯減少。3號試驗繼續降低焊接速度與主軸轉速,主軸轉速750 r/min和焊接速度300 mm/min參數組合焊接,焊縫表面成型良好,起皮缺陷消失,無孔洞犁溝等缺陷。因為焊接速度降低,使焊縫中塑性金屬流動時間增加,能夠使塑性金屬充分熔合,形成致密無缺陷焊縫。4號～6號試驗保持焊接速度不變,提高主軸轉速,熱輸入提高,焊縫表面成型光亮,且魚鱗紋均勻,無缺陷。

圖1 攪拌摩擦焊表面成型

5 焊縫內部成型分析

攪拌摩擦焊焊縫截面區域一般分為焊核區、熱機影響區、熱影響區、母材,區域分布如圖2所示?？梢钥闯?由焊縫中心向兩側為不對稱焊縫,焊縫前進側邊界較為明顯。在焊縫前進側,攪拌頭旋轉產生摩擦,帶動塑性金屬,主要起剪切力作用,相對母材發生較大變形。因此,前進側熱機影響區與母材分界線相對明顯。后退側焊縫受到攪拌頭旋轉產生的摩擦力,與塑性金屬流動產生擠壓力,共同作用。由此,后退側金屬在焊接過程中變形較小,母材與后退側焊縫的分界線較為模糊。

圖2 攪拌摩擦焊焊縫截面區域

沿焊縫截面截取金相試樣,拋光后進行腐蝕,在金相顯微鏡下觀察微觀組織,如圖3所示。3號～6號試驗焊縫內部成型均良好,沒有發現孔洞、未焊透現象,說明在焊接速度為300 mm/min,主軸轉速為750～900 r/min時,攪拌摩擦焊7055-T6鋁合金均可以得到內部質量良好的焊縫,符合要求。

圖3 攪拌摩擦焊焊縫微觀組織

焊縫金相組織如圖4所示。焊核區由于受到攪拌頭的機械攪拌作用及摩擦產生的局部高溫作用,金屬發生動態再結晶,形成細小等軸晶粒。熱機影響區受到攪拌頭機械攪拌和焊接熱循環雙重作用,在金屬流動過程中,產生較大的機械變形,晶粒被拉長,并具有一定的方向性。同時由于熱循環作用,晶粒發生長大,并且大于母材晶粒。熱影響區只受到焊接熱循環作用,使晶粒發生長大,相對于母材,晶粒更粗大。由此可見,熱機影響區和熱影響區為焊縫薄弱區域。

圖4 攪拌摩擦焊焊縫金相組織

6 接頭力學性能分析

攪拌摩擦焊接頭力學性能見表3。試驗結果顯示,隨著主軸轉速的提高,焊接熱輸入增加,接頭力學性能提高。當主軸轉速提高到850 r/min時,拉伸強度達到最大值471.6 MPa。再持續提高主軸轉速,接頭熱輸入過大,接頭過度軟化,使接頭力學性能降低。最優參數為主軸轉速850 r/min、焊接速度300 mm/min,過低與過高的主軸轉速均會影響接頭力學性能。

表3 攪拌摩擦焊接頭力學性能

7 接頭顯微硬度分析

沿攪拌摩擦焊焊縫接頭橫截面,由焊縫中心向兩側水平方向進行顯微硬度測量,測量點的間距為0.5 mm。攪拌摩擦焊接頭顯微硬度如圖5所示。攪拌摩擦焊接頭顯微硬度呈W字形分布,母材顯微硬度較高,維氏硬度(HV)接近180。焊縫中心位置為焊核區,維氏硬度(HV)達到160,硬度較周圍熱影響區大。熱機影響區和熱影響區受機械攪動與焊接熱輸入影響,顯微硬度明顯下降,硬度較低,最低為維氏硬度(HV)107,出現在前進側熱機影響區與熱影響區過渡位置。

圖5 攪拌摩擦焊接頭顯微硬度

8 結束語

攪拌摩擦焊是一種新型固相連接技術,質量高,成本低,綠色環保。通過進行高強度7055-T6鋁合金攪拌摩擦焊組織與性能分析,得出三方面結論。

(1) 對于7055-T6鋁合金,為了保證焊縫表面成型良好,應采用低主軸轉速低焊接速度進行焊接。7055-T6鋁合金中含有較多的銅與鎂成分,較高的主軸轉速會產生較大的熱輸入,焊接速度過快,會使焊縫內部塑性金屬流動不充分,使表面金屬與軸肩發生粘連,產生起皮缺陷。

(2) 7055-T6鋁合金攪拌摩擦焊焊縫焊核區發生動態再結晶,形成細小的等軸晶粒。熱機影響區和熱影響區受到焊接熱輸入與機械攪動的影響,相對于母材晶粒發生長大,屬于焊縫薄弱區域。

(3) 3.2 mm厚7055-T6鋁合金攪拌摩擦焊的最優工藝參數為主軸轉速850 r/min、焊接速度300 mm/min、下壓量0.1 mm,接頭平均抗拉強度可達471.6 MPa,強度因數可達0.85。接頭顯微硬度呈W字形分布,母材顯微硬度最高,維氏硬度(HV)接近180。前進側熱機影響區與熱影響區過渡位置顯微硬度最低,維氏硬度(HV)僅為160左右。