鋁鋰合金攪拌摩擦搭接焊接頭組織與性能研究 總結：

摘要: 以厚度為1.5mm的5A90鋁鋰合金為研究對象，開展了鋁鋰合金攪拌摩擦搭接焊工藝研究，分析不同焊接速度對搭接接頭組織及硬度的影響。結果表明：當轉速為1200 r/min，焊接速度為100 mm/min時，焊接接頭組織致密，焊核區(qū)為細小均勻的等軸晶粒；熱機影響區(qū)出現(xiàn)彎曲或拉伸變形，熱影響區(qū)晶粒尺寸發(fā)生粗化。搭接接頭母材區(qū)的硬度最高，在熱機影響區(qū)和熱影響區(qū)硬度下降，在焊核區(qū)硬度上升。在焊核區(qū)與熱機影響區(qū)的交界處硬度會發(fā)生突變現(xiàn)象。

綱要：

1. 引言鋁鋰合金因具有低密度、高的比強度和比剛度、耐腐蝕以及良好的焊接性等優(yōu)異的綜合性能，已成為航空航天領域發(fā)展迅速的輕量化結構材料 [1] 。由于焊接過程溫度低，因此具有焊后變形小、焊件力學性能好等優(yōu)點，是鋁鋰合金結構件有效連接的先進方法之一 [4] 。在焊接之前，可以先使用專用的研磨砂紙拋光鋁鋰合金重疊表面以除去成分復雜的氧化膜以及其它雜質(zhì)；焊接轉速為1200 r/min逆時針旋轉插入待焊薄板的重疊位置，分別采用不同的焊接速度(100/200/300 mm/min)進行攪拌摩擦搭接焊。試驗后沿垂直焊縫方向截取試樣，對攪拌摩擦焊搭接接頭進行宏觀及微觀組織觀察。3. 結果與討論3.1. 搭接接頭微觀組織圖1所示為5A90鋁鋰合金在攪拌頭旋轉速度為1200 r/min時，分別在不同焊接速度下進行攪拌摩擦Table 1. Composition analysis of 5A90 aluminum-lithium alloy (mass fraction, %)表1. 5A90鋁鋰合金的化學成分含量(質(zhì)量%) Figure 1. Microstructure of 5A90 Al-Li alloy lap joint at different welding speeds: (a) 100 mm/min; (b) 200 m/min; (c) 300 mm/min圖1. 5A90鋁鋰合金在不同焊接速度下的搭接接頭組：(a) 100 mm/min；(b) 200 m/min；(c) 300 mm/min搭接焊接頭組織，5A90鋁鋰合金經(jīng)過焊接之后會在其搭接接頭處形成除母材之外的3個不同的顯微組織區(qū)域：在搭接接頭焊縫的中心區(qū)域稱為焊核區(qū)(weld nugget zone, WNZ)；靠近焊縫中心的區(qū)域稱為熱機影響區(qū)(thermal-mechanically affected zone, TMAZ)；在焊縫的邊緣區(qū)域是與母材組織相似的區(qū)域稱為熱影響區(qū)(heat affected zone, HAZ)。圖2為攪拌頭轉速1200 r/min、焊接速度100 mm/min情況下焊接接頭微觀組織，從圖2(a)中可以看出，在焊核區(qū)的組織會受到攪拌針劇烈的旋轉攪拌和軸肩擠壓變形的雙重作用，該區(qū)域會產(chǎn)生大量的熱量，使得周圍的金屬母材塑化并且充分流動，經(jīng)過較高溫度的焊接熱循環(huán)及攪拌力的作用下，焊核區(qū)的母材組織就會發(fā)生動態(tài)再結晶，并且不斷形成新的晶核，新的晶粒來不及長大就被劇烈旋轉的攪拌針攪碎，所以母材組織變?yōu)榧毿〉牡容S再結晶組織。在焊接過程中，搭接接頭熱影響區(qū)域內(nèi)的組織只受到焊接熱循環(huán)作用，而沒有受 Figure 2. Microstructure of lap joint: (a) WNZ; (b) AS; (c) RS圖2. 搭接接頭微觀組織：(a) 焊核區(qū)；(b) 前進側；(c) 后退側到攪拌針激烈旋轉攪拌作用，所以不會發(fā)生明顯變形現(xiàn)象，并且熱影響區(qū)受到的焊接熱循環(huán)作用比焊核區(qū)的熱循環(huán)作用小得多，不會發(fā)生動態(tài)再結晶，只發(fā)生回復反應。3.2. 搭接接頭顯微硬度圖3為5A90鋁鋰合金在旋轉速度為1200 r/min，焊接速度分別是100、200、300 mm/min時搭接接頭橫截面不同區(qū)域沿水平方向的硬度分布情況。母材區(qū)的維氏硬度在128 HV左右，焊核區(qū)的維氏硬度值在122 HV左右，母材區(qū)的維氏硬度最高，從母材區(qū)到熱影響區(qū)和熱機影響區(qū)內(nèi)的硬度下降明顯并在熱機影響區(qū)出現(xiàn)最低維氏硬度，在焊核區(qū)與熱機影響區(qū)域的交界處會出現(xiàn)硬度突變現(xiàn)象，這是由于兩種不同區(qū)域交界處微觀組織差異造成的。4. 結論1) 焊接速度對5A90鋁鋰合金搭接接頭組織存在影響，在轉速為1200 r/min、焊接速度為100 mm/min條件下，接頭組織致密、無明顯缺陷。

內(nèi)容：

1. 引言

鋁鋰合金因具有低密度、高的比強度和比剛度、耐腐蝕以及良好的焊接性等優(yōu)異的綜合性能，已成為航空航天領域發(fā)展迅速的輕量化結構材料 [1]

許多航空航天結構件制造過程中，采用焊接工藝可以減輕重量，提高結構件連接強度，從而提高經(jīng)濟效益 [2]

而采用傳統(tǒng)焊接技術連接鋁鋰合金結構件時，由于鋰元素比較活潑，較高的焊接溫度易造成孔洞、裂紋等缺陷，限制了其應用

攪拌摩擦焊接是一種新型的固態(tài)連接技術 [3] ，在焊接過程中，攪拌針高速旋轉并插入被焊工件，通過摩擦產(chǎn)熱使材料發(fā)生劇烈的塑性變形，隨著攪拌針與工件之間的相對移動形成焊縫

由于焊接過程溫度低，因此具有焊后變形小、焊件力學性能好等優(yōu)點，是鋁鋰合金結構件有效連接的先進方法之一 [4]

另外在航空結構件制造中，存在許多搭接結構 [5] ，目前對鋁鋰合金攪拌摩擦搭接焊的研究較少，因此本文以5A90鋁鋰合金為研究對象，開展工藝參數(shù)對其搭接接頭微觀組織及力學性能影響的研究工作

2. 試驗方法試驗材料使用的5A90鋁鋰合金是一種新型的國產(chǎn)化鋁鋰合金，其化學成分如表1

Mg	Li	Zr	Fe	Si	Cu	Al
5.2	2.1	0.11	0.07	0.03	0.03	余量

所示，厚度為1.5 mm

本次試驗使用的錐形攪拌頭是由H13模具鋼制成，內(nèi)凹軸肩直徑為12 mm，攪拌針的直徑為4 mm，長度為2.5 mm

試驗切取50 mm × 90 mm規(guī)格大小的板材試樣重疊放置，重疊寬度為60 mm

在焊接之前，可以先使用專用的研磨砂紙拋光鋁鋰合金重疊表面以除去成分復雜的氧化膜以及其它雜質(zhì)；焊接轉速為1200 r/min逆時針旋轉插入待焊薄板的重疊位置，分別采用不同的焊接速度(100/200/300 mm/min)進行攪拌摩擦搭接焊

試驗后沿垂直焊縫方向截取試樣，對攪拌摩擦焊搭接接頭進行宏觀及微觀組織觀察

并使用數(shù)顯維氏硬度計來測量接頭不同位置的硬度

3. 結果與討論3.1. 搭接接頭微觀組織

圖1所示為5A90鋁鋰合金在攪拌頭旋轉速度為1200 r/min時，分別在不同焊接速度下進行攪拌摩擦

Table 1. Composition analysis of 5A90 aluminum-lithium alloy (mass fraction, %)表1

Mg	Li	Zr	Fe	Si	Cu	Al
5.2	2.1	0.11	0.07	0.03	0.03	余量

. 5A90鋁鋰合金的化學成分含量(質(zhì)量%)







Figure 1. Microstructure of 5A90 Al-Li alloy lap joint at different welding speeds: (a) 100 mm/min; (b) 200 m/min; (c) 300 mm/min

圖1. 5A90鋁鋰合金在不同焊接速度下的搭接接頭組：(a) 100 mm/min；(b) 200 m/min；(c) 300 mm/min搭接焊接頭組織，5A90鋁鋰合金經(jīng)過焊接之后會在其搭接接頭處形成除母材之外的3個不同的顯微組織區(qū)域：在搭接接頭焊縫的中心區(qū)域稱為焊核區(qū)(weld nugget zone, WNZ)；靠近焊縫中心的區(qū)域稱為熱機影響區(qū)(thermal-mechanically affected zone, TMAZ)；在焊縫的邊緣區(qū)域是與母材組織相似的區(qū)域稱為熱影響區(qū)(heat affected zone, HAZ)

由圖1(a)可以看出，焊接速度為100 mm/min時的接頭組織更為致密，焊接的結果較好

圖1(b)中的焊核區(qū)域組織形貌與其它區(qū)域相比有較大區(qū)別，區(qū)域內(nèi)可以看到明顯的氧化物沉積帶，表現(xiàn)為一條細黑線，且焊核區(qū)與熱機影響區(qū)的分界面比較明顯；它的焊接結果比較不理想

從圖1(c)中可以看出，由于焊接速度過大使得金屬塑性流動性不足，所以在搭接接頭內(nèi)出現(xiàn)了孔洞焊接缺陷

圖2為攪拌頭轉速1200 r/min、焊接速度100 mm/min情況下焊接接頭微觀組織，從

圖2(a)中可以看出，在焊核區(qū)的組織會受到攪拌針劇烈的旋轉攪拌和軸肩擠壓變形的雙重作用，該區(qū)域會產(chǎn)生大量的熱量，使得周圍的金屬母材塑化并且充分流動，經(jīng)過較高溫度的焊接熱循環(huán)及攪拌力的作用下，焊核區(qū)的母材組織就會發(fā)生動態(tài)再結晶，并且不斷形成新的晶核，新的晶粒來不及長大就被劇烈旋轉的攪拌針攪碎，所以母材組織變?yōu)榧毿〉牡容S再結晶組織

熱機械影響區(qū)緊靠焊核區(qū)，焊接過程中會同時受到攪拌針的機械攪拌和焊接熱循環(huán)的共同作用，母材被拉長或者彎曲，部分組織會在熱循環(huán)的作用下發(fā)生再結晶反應，在彎曲變形組織內(nèi)形成再結晶組織

從圖2(b)、圖2(c)中能夠看出，在前進側(advancing side, AS)與后退側(retreating side, RS)的分界線是不完全相同的

前進側的分界面更為清晰明顯，即前進側的熱機械影響區(qū)面積較大

前進側和后退側分界不同的原因與接頭兩側金屬的塑性流動不同有關

前進側與后退側的金屬組織塑性流動的速度有差異，所以會在兩側形成不同的組織形貌

由于焊核區(qū)與熱機械影響區(qū)的晶粒組織形貌明顯不同，并且區(qū)域之間缺乏平穩(wěn)光滑的過渡，所以在焊核區(qū)與熱機影響區(qū)的連接處通常是焊接缺陷集中出現(xiàn)的區(qū)域，同時也是力學性能的薄弱區(qū)域

在焊接過程中，搭接接頭熱影響區(qū)域內(nèi)的組織只受到焊接熱循環(huán)作用，而沒有受







Figure 2. Microstructure of lap joint: (a) WNZ; (b) AS; (c) RS

圖2. 搭接接頭微觀組織：(a) 焊核區(qū)；(b) 前進側；(c) 后退側到攪拌針激烈旋轉攪拌作用，所以不會發(fā)生明顯變形現(xiàn)象，并且熱影響區(qū)受到的焊接熱循環(huán)作用比焊核區(qū)的熱循環(huán)作用小得多，不會發(fā)生動態(tài)再結晶，只發(fā)生回復反應

3.2. 搭接接頭顯微硬度

圖3為5A90鋁鋰合金在旋轉速度為1200 r/min，焊接速度分別是100、200、300 mm/min時搭接接頭橫截面不同區(qū)域沿水平方向的硬度分布情況

從圖中可以看出，在接頭的各個區(qū)域表現(xiàn)出不同的維氏硬度母材區(qū)的維氏硬度在128 HV左右，焊核區(qū)的維氏硬度值在122 HV左右，母材區(qū)的維氏硬度最高，從母材區(qū)到熱影響區(qū)和熱機影響區(qū)內(nèi)的硬度下降明顯并在熱機影響區(qū)出現(xiàn)最低維氏硬度，在焊核區(qū)與熱機影響區(qū)域的交界處會出現(xiàn)硬度突變現(xiàn)象，這是由于兩種不同區(qū)域交界處微觀組織差異造成的不同焊接速度時搭接接頭的最低維氏硬度變化不大，焊接速度為100 mm/min時，最低硬度約為103 HV；焊接速度為200 mm/min時，最低硬度約為101 HV；焊接速度為300 mm/min時，最低硬度約為101 HV，由此可以看出不同焊接速度對熱影響區(qū)最低硬度影響不是很多

焊核區(qū)在焊接速度為100 mm/min時顯微硬度約為124 HV，稍高于焊接速度為200 mm/min時的122 HZ和焊接速度300 mm/min時的120 HV，因為焊接速度過大時容易在搭接接頭焊核區(qū)內(nèi)出現(xiàn)孔洞缺陷，孔洞會降低搭接接頭顯微硬度，在一定范圍速度內(nèi)焊接速度較低時的焊核區(qū)維氏硬度高一點，在不同焊接速度時的各個搭接接頭硬度在相同的組織區(qū)域內(nèi)區(qū)別不是特別大

4. 結論

1) 焊接速度對5A90鋁鋰合金搭接接頭組織存在影響，在轉速為1200 r/min、焊接速度為100 mm/min條件下，接頭組織致密、無明顯缺陷

2) 5A90鋁鋰合金搭接接頭組織特點：焊核區(qū)組織晶粒為均勻細小的再結晶等軸晶粒，熱機影響區(qū)組織晶粒表現(xiàn)為扭曲或拉伸變形后的組織形態(tài)，在熱影響區(qū)的組織發(fā)生粗化現(xiàn)象

Figure 3. Hardness distribution of lap joint

圖3. 搭接接頭的硬度分布3) 5A90鋁鋰合金的攪拌摩擦焊搭接接頭在母材區(qū)的硬度最高，在熱影響區(qū)和熱機影響區(qū)的硬度下降，在熱機影響區(qū)會出現(xiàn)最低硬度值，在焊縫中心區(qū)域的焊核區(qū)硬度上升，在焊核區(qū)與熱機影響區(qū)的交界位置會發(fā)生硬度突變現(xiàn)象，不同焊接速度對搭接接頭的硬度變化影響不大

資助信息國家自然科學基金：51405310；沈陽航空航天大學大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目：X1611102

參考文獻

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[3]	Mishra, R.S. and Ma, Z.Y. (2005) Friction Stir Welding and Processing. Materials Science and Engineering R, 50, 1-78.
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