分享：3003铝合金薄板超高转速搅拌摩擦焊接头的组织与性能
摘 要:采用超高转速搅拌摩擦焊设备对３００３铝合金薄板进行了焊接,研究了焊接接头的微观 组织和力学性能.结果表明:在旋转速度为１１０００r??min－１、焊接速度为１０００mm??min－１的工 艺参数下,可获得焊接变形小、热影响区窄、焊缝表面成型良好的焊接接头;焊核区的显微硬度达到 了３５HV,且焊接接头的抗拉强度达到了９４．７MPa,焊接接头的微观形貌显示其内部不存在隧道、 裂纹、孔洞等缺陷.
关键词:3003铝合金;薄板;超高转速搅拌摩擦焊;焊接接头;微观组织;抗拉强度
中图分类号:TG４０７ 文献标志码:A 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１８)０７Ｇ０４７９Ｇ０４
３００３铝合金是铝Ｇ锰系合金中最常用的一种防 锈铝合金,其强度较低,是不能热处理强化的铝合 金,通常采用冷作硬化[１]的强化方式提高其力学性 能.该铝合金密度低、耐腐蚀性好、导电和导热性能 优异,且具有很好的反射性、非磁性、焊接工艺性和 可加工性,被广泛应用于装饰、热交换、感光、包装等 低负荷场合.
采用传统的熔化极惰性气体保护焊(MIG)、非 熔化 极 惰 性 气 体 保 护 焊 (TIG)、冷 金 属 过 渡 焊 (CMT)和激光焊等方法焊接中厚板 的 ３００３ 铝 合 金,常出现热裂纹、气孔、表面成形差以及对工件清 理要求高等问题[２Ｇ５].对厚度小于３mm 的３００３铝 合金薄板仍采用这些焊接方法时,除以上问题外还 会出现变形严重、穿孔等问题[６Ｇ１１],这是因为在高温 下薄板相对于厚板抗变形能力差,所以不宜采用传 统的熔化焊方法焊接铝合金薄板.
选用搅拌摩擦焊的方法可以有效地避免熔焊方 法中经常出现的问题.搅拌摩擦焊接技术是一种固 相连接技术[１２Ｇ１３],其原理是一种特殊的搅拌头包含 轴肩和搅拌针,在快速旋转的状态下将其插入被焊 板材的接线处或者搭接处,随后利用搅拌头与工件之间接触部位产生的摩擦热,使周围的金属材料被 加热发生严重的塑化[１４],塑化软化层金属在搅拌头 旋转作用下填充搅拌头后方的空腔,并在搅拌头的 轴肩与搅拌针搅拌共同挤压的作用下,来实现材料 的连接[１５].因为铝合金具有熔点低、易变形、高温 下塑性好的特点,所以这种焊接方法能提高其焊接 效率和工艺稳定性,然而对于小于３mm 的铝合金 薄板焊接,由于其过大的轴向力和摩擦力易导致薄 板变形、减薄严重等问题.
采用超高转速搅拌摩擦焊方法可以有效地减少 甚至避免缺陷的产生[１６Ｇ１７],超高转速搅拌摩擦焊接 过程中,其搅拌头的旋转速度是传统的搅拌摩擦焊 搅拌头的１０倍左右,同时大幅度减小搅拌头轴肩和 搅拌针的直径,这种结构使得焊接对刚度的要求降 低并且相比于传统的搅拌摩擦焊,具有更高的焊接 效率.这是因为超高转速搅拌摩擦焊接对刚度要求 的降低,可以实现搅拌摩擦焊接设备的轻量化.除 此之外,使用轴肩和搅拌针直径更小的搅拌头有利 于减小焊缝金属的搅拌区域,大幅度减少焊接对母 材影响的区域,减少焊接变形[１８Ｇ１９].
目前鲜有关于３００３铝合金超高转速搅拌摩擦 焊接的报道,因此笔者对３００３铝合金薄板的超高转 速搅拌摩擦焊进行了深入研究,通过对焊接接头组 织与性能的分析,探讨了３００３铝合金薄板超高转速 搅拌摩擦焊的可行性,揭示了焊接接头的组织特征 和软化机理.
１ 试验材料与试验方法
１．１ 试验材料
试验材料为尺寸１００mm×８０mm×１mm 的 ３００３铝合金薄板.搅拌头轴肩直径为６mm,搅拌 针的端部直径为１．２mm、根部直径为１．５mm,搅拌 针长度为 ０．８ mm,搅拌头材 料 为 ３５Cr３Mo３W２V 钢,经过调质处理后强韧性良好可满足超高转速搅 拌摩擦焊的要求.
１．２ 试验方法
采用超高转速摩擦焊方法焊接３００３铝合金薄 板,取焊接接头试样,将其进行冷镶嵌、水磨、抛光 后,用５％(体积分数)的氟硼酸水溶液进行阳极覆 膜,阳极覆膜时间为９０s,然后采用偏光显微镜进行 显微组织观察.采用万能拉伸试验机测试试样的拉 伸性能,拉伸速率为０．５mm??min－１.采用显微硬 度计测试焊接接头的显微硬度,加载载荷为０．９８N(０．１kgf),加载时间为１５s,再根据不同位置硬度分 布的情况绘制出焊接接头显微硬度分布云图.
２ 试验结果与讨论
２．１ 焊接工艺评定
表１为３００３铝合金薄板在不同工艺下焊接后 的表面成形情况.由表１可知,最佳的焊接工艺参 数 为 焊 接 速 度 １ ０００ mm ?? min－１、旋 转 速 度 １１０００r??min－１.当旋转速度为１００００r??min－１ 时,搅拌头轴肩边缘搅拌的速度为３．１４ m??s－１,搅 拌针边缘搅拌的速度为０．６３m??s－１;当旋转速度为 １１０００r??min－１时,搅拌头轴肩边缘搅拌的速度为 ３．４５m??s－１,搅拌针边缘搅拌的速度为０．６９m??s－１, 由此可见焊接过程中搅拌头轴肩边缘的搅拌速度约 是搅拌针边缘搅拌速度的５倍,这导致焊缝成型时 形成一 条 一 条 细 致 的 条 纹,条 纹 之 间 的 间 距 为 ０．０９mm,而常规搅拌摩擦焊焊缝中条纹之间的距 离约为０．２５mm,所以超高转速搅拌摩擦焊焊缝形 貌更加细腻.
２．２ 接头力学性能
表２为不同焊接工艺下３００３铝合金超高转速搅 拌摩擦焊接头的抗拉强度测试结果.由表２可知,旋 转速度１１０００r??min－１、焊接速度１０００mm??min－１ 时接头的抗拉强度最高,这与表１的结果相吻合;另 外,旋转速度在１００００~１１０００r??min－１、焊接速度 ８００~１２００mm??min－１的条件下焊接,接头的抗拉 强度只达到母材的６０％左右.
拉伸试样断裂位置如图１所示,拉伸断口形貌 如图２所示,可见焊接接头的断裂处位于焊缝的搅 拌区域,并且断裂处会出现一定程度的颈缩,断裂形 式为剪 切 断 裂.根 据 焊 接 接 头 的 断 裂 位 置、断 口 形 式以及断裂强度可以初步认定,焊接接头拉伸断裂的主导因素为焊接过程中焊接接头出现软化现 象,导致抗拉强度降低.
为了进一步证实３００３铝合金超高转速搅拌摩擦 焊接接头出现软化,同时测量其软化区域,采用显微 维氏硬度计分区测试.其中测试区域为焊接接头截 面的上、中、下三排,每一排的长度须确保经过焊接搅 拌区、热机影响区、热影响区以及母材.上层距离薄 板上表面０．３mm,下层距离薄板下表面０．３mm,相 邻测试点之间的距离为０．２mm,如图３所示.
根据每一个测试点测得的显微硬度以及每个点 所处的位置,画出焊接接头截面上的显微硬度云图, 如图４所示.可见焊接接头软化区域的硬度在３０~ ３５HV,而母材的硬度约为５０HV,可见软化区域的硬度为母材的６０％左右,这与拉伸试验结果相吻 合;另外,软化区域的形状及大小与搅拌区域的相当 接近.由此可知采用超高转速搅拌摩擦焊方法焊接 ３００３铝合金薄板并不是因为产生焊接缺陷造成焊 接接头抗拉强度的下降,而是因为焊接接头金属软 化导致抗拉强度的降低.软化区域上表面宽度为 ４．３mm,下表面宽度为２．８mm,该区域是由于搅拌 引起的软化还是由于温度引起的软化,需通过金相 显微镜观察其微观组织来进一步确认.
２．３ 焊缝显微组织
３００３铝合金薄板焊缝宏观形貌如图５所示,为 最佳焊接工艺参数条件下焊缝表面宏观形貌,可见 超高转速搅拌摩擦焊的焊接过程平稳,焊缝表面成 型很好,没有飞边、裂纹等缺陷.３００３铝合金焊缝 横断面微观形貌如图６所示,可见焊缝不存在根部 缺陷和减薄现象,且焊缝内部有清晰的流向线,流线 致密,无疏松、孔洞等缺陷.
３００３铝合金薄板焊缝的显微组织形貌如图 ７ 所示.由图７a)可知,３００３铝合金薄板母材的显微 组织呈现带状变形结构,这是３００３铝合金未焊接前 在其冲压过程中形成的组织结构;由图７b)可知,焊核区的晶粒变化明显,为细小的等轴晶,这是由于搅 拌头对材料产生了强烈的搅拌作用,并且在较高温 度的热循环作用下发生了强烈的塑性变形,导致母 材带状轧制变形结构和拉长的再结晶晶粒转变为细 小 的等轴再结晶晶粒.由图７c)和图７d)可知,前进侧热影响区和焊缝区的分界线比较明显,说明前进 侧热影响区范围较大,而后退侧分界线比较�：�,热 影响区范围相对较小.出现这种情况是因为焊接过 程中热影响区两侧金属的塑性流动有较大差异,在 前进侧,塑性体之间的速度梯度比较大,搅拌头靠近 外侧的塑性体变形程度及流动性远远小于焊核区塑 性金属的,造成它们之间形成比较明显的分界线. 由此,焊缝中心区域的金属在剧烈的热及搅拌的作 用下晶粒的排布发生了巨大的转变,冲压过程产生 的晶粒位错关系完全丧失或者部分丧失,所以搅拌 摩擦焊接过程中消除了焊缝中心区域金属的冷作强 化,导致接头的硬度及抗拉强度不及母材的.
３ 结论
(１)采用超高转速搅拌摩擦焊方法焊接 ３００３ 铝合金薄板,在焊接参数合理的条件下可以保证焊 接接头无缺陷、工件无减薄、变形量小,但接头软化 现象不可避免.
(２)在旋转速度为１１０００r??min－１、焊接速度 为１０００mm??min－１的工艺参数下,可获得表面质 量最好 的 焊 接 接 头,焊 核 区 的 显 微 硬 度 达 到 了 ３５HV,且焊接接头的抗拉强度达到９４．７MPa.
(３)３００３铝合金薄板焊接接头热影响区软化 的主要原因是在热及搅拌的作用下,焊接接头经过 了类似退火的过程,从而使得局部区域的冷作硬化 出现了不同程度的削弱,距离焊缝中心越近的热影 响区金属软化得越严重.
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文章来源——材料与测试网
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