5052铝合金FSW接头组织和力学性能

汤化伟，崔 凡，黄 征，李 丹，徐 勇

（上海航天设备制造总厂，上海 200245）

5052铝合金FSW接头组织和力学性能

汤化伟，崔 凡，黄 征，李 丹，徐 勇

（上海航天设备制造总厂，上海 200245）

采用搅拌摩擦焊焊接8 mm厚5052-O铝合金，并对焊接接头进行了显微组织观察和力学性能测试。结果表明：接头组织左右不对称，前进侧与母材分界线较明显，后退侧与母材分界线较模糊；焊接接头抗拉强度平均值为193.5 MPa，接头强度可达母材的99%，伸长率可达母材的84%；焊接接头正弯角和背弯角均可达到180°，弯曲性能良好；焊核区显微硬度约为72 HV，略高于母材，硬度最低点出现在前进侧熔合过渡区。

搅拌摩擦焊；5052-O铝合金；显微组织；力学性能

0 前言

5052铝合金以Al、Mg为主要合金元素，属于不可热处理强化铝合金，具有良好的加工性能、抗蚀性、可焊性等优点，广泛应用于航空、轨道交通、船舶等领域[1-2]。

搅拌摩擦焊（FSW）作为一种固相连接技术，具有接头性能优良、变形小等优点，可实现全系列铝合金的焊接[3]。本研究对8 mm厚5052铝合金板材进行FSW试验，并测试分析焊缝的组织和力学性能，为其工业化应用提供参考。

1 试验材料及方法

试验用5052-O铝合金的板材厚度8 mm，尺寸400 mm×200 mm，化学成分及力学性能如表1所示。采用龙门式搅拌摩擦焊设备（FSW-LM2-1012）进行焊接试验。试验采用的搅拌针为圆锥螺纹型，端部直径5.0 mm，轴肩直径18 mm。焊接参数为：旋转速度500r/min，焊接速度100mm/min，压入量0.2 mm。

2 试验结果及分析

2.1 接头组织

腐蚀后接头宏观形貌如图1所示。搅拌摩擦焊接头一般分为母材（BMZ）、热影响区（HAZ）、热机影响区（TMAZ）及焊核区（WNZ）。由图1可知，接头组织左右不对称，前进侧（AS）与母材分界线较明显，后退侧（RS）与母材分界线较模糊。前进侧和后退侧熔合过渡区如图2所示。搅拌摩擦焊过程中，搅拌针位于前进侧位置会形成一个瞬时空腔，后退侧金属受挤压后填充空腔。因此，前进侧主要受到剪切作用，材料相对母材发生了较大的变形量，而后退侧主要受挤压作用，材料变形量小于前进侧。

表1 5052-O铝合金化学成分及力学性能Table 1 Chemical composition and mechanical properties of 5052-O aluminum alloy

图1 接头宏观形貌Fig.1 Image of FSW weld joint

图2 接头微观组织形貌Fig.2 Microstructures of FSW welded joint

2.2 接头力学性能

2.2.1 接头抗拉强度

将焊后试板按GB/T 2651加工成标准拉伸试样后进行测试，拉伸性能测试结果如表2所示。

表2 接头拉伸性能Table 2 Tensile strength of the welded joint

其中，试件1、2均取自同一条焊缝。由表2可知，焊缝接头平均抗拉强度（193.5 MPa）可达到母材强度（195 MPa）的99%；断后平均伸长率（21%）为母材（25%）的84%。由图3可知，拉伸试样断裂位置均位于母材处，说明焊缝拉伸性能良好。

图3 接头拉伸试样断裂位置Fig.3 Fracture location of tensile samples

2.2.2 接头显微硬度

沿焊缝接头横截面左右各8 mm区域进行显微硬度测试，测试点间隔0.5mm，测试结果如图4所示。

焊核区最大显微硬度约为72 HV，略高于母材（70 HV），这是由于在搅拌针的作用下，焊核区发生了动态再结晶，形成了细小的等轴晶。硬度最低值出现在前进侧熔合过渡区约为62 HV。相对于前进侧，后退侧硬度变化较平缓，范围较大，这与后退侧熔合过渡区范围较大有关。

2.2.3 接头弯曲性能

将焊后试板按GB/T 2653加工成标准弯曲试样进行正弯和背弯测试。正弯时，焊缝正面受到拉应力，背面受到压应力；背弯时则正好相反。弯曲试验结果如图5所示。

图4 接头显微硬度分布Fig.4 Hardness distribution of welded joint

由图5可知，接头弯曲性能良好，正弯角和背弯角均达到180°，且均未出现开裂。

3 结论

（1）5052-O铝合金接头组织左右不对称，前进侧与母材分界线较明显，后退侧与母材分界线较模糊。

（2）旋转速度500 r/min、焊接速度100 mm/min、压入量0.2mm时，接头抗拉强度平均值为193.5MPa，接头强度达母材的99%，伸长率达母材的84%。

（3）5052-O铝合金FSW接头正弯角和背弯角均可达到180°，弯曲性能良好。

（4）5052-O铝合金接头焊核区显微硬度约为72 HV，略高于母材，硬度最低点出现在前进侧熔合过渡区。

图5 接头弯曲试件Fig.5 Bend samples of welded joint

[1]王祝堂，田荣璋.铝合金及其加工手册（第3版）[M].长沙：中南大学出版社，2005：310.

[2]徐军.5052铝薄板制作球形件的实践应用[J].金属加工，2011（24）：60-61.

[3]栾国红，关桥.固相连接新技术——搅拌摩擦焊技术[J].新工艺新技术设备，2005，35（9）：1-6.

Microstructure and mechanical properties of 5052 aluminum alloy FSW joint

TANG Huawei，CUI Fan，HUANG Zheng，LI Dan，XU Yong
（Shanghai Aerospace Equipments Manufacturer，Shanghai 200245，China）

8 mm thick 5052-O aluminum alloy was welded by friction stir welding(FSW)，and the microstructure of the welded joint was observed，meanwhile，the mechanical properties were tested.The results show that the microstructure of the welded joint is leftright asymmetry.The boundary of advancing side and base metal is obvious，but the boundary of retreating side and base metal is fuzzy.The average tensile strength of the welded joint can reach 193.5 MPa，the joint coefficient of strength can reach 99%of base metal，and the elongation can reach 84%of base metal.No cracking is found in the welded joint at the 180°face bending test and 180°back bending test.The microhardness of weld nugget zone is 72 HV，which is slightly higher than base metal.The minimum of the microhardness is in the advancing side fusion zone of transition.

FSW；5052-O aluminum alloy；microstructure；mechanical properties

TG453+.9

A

1001-2303（2017）10-0109-03

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.10.23

本文参考文献引用格式：汤化伟，崔凡，黄征，等.5052铝合金FSW接头组织和力学性能[J].电焊机，2017，47（10）：109-111.

2017-06-21

上海市优秀技术带头人计划项目（14XD1421600）

汤化伟（1985—），男，工程师，硕士，主要从事铝合金搅拌摩擦焊技术的研究。E-mail：lajiao9@163.com。