7075铝合金不同冷却介质条件下搅拌摩擦焊接头的组织与性能

汪虎　韦叶　王巍　黄廷尊　周礼龙

摘要：针对3 mm厚的7075铝合金板材，采用相同的焊接参数分别在空气和水中进行搅拌摩擦焊接（FSW），研究不同冷却介质对接头的热循环曲线、宏观形貌、微观组织、硬度以及力学性能的影响。结果表明，水下焊接的热循环曲线更趋于平缓，高温停留时间短，焊缝表面成形更好，焊核区（NZ）和热影响区（HAZ）显微组织的晶粒更细小，接头热影响区更窄，并且接头的塑性流形更清晰，而空气中焊接的接头热影响区软化严重，硬度仅为113 HV。水下FSW接头断裂形式为脆性断裂，而空气中FSW接头断裂形式为韧性断裂。

关键词：7075铝合金;搅拌摩擦焊;热循环;微观组织;力学性能

中图分类号：TG457.14 文献标志码：A 文章编号：1001-2303（2020）01-0092-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.01.17

0 前言

7×××铝合金是Al-Zn-Mg-Cu系超高强铝合金，具有高强、高韧、低密度、耐腐蚀性好、轻质等特点，抗拉强度可达500 MPa以上[1]。由于铝合金表面存在高熔点的致密氧化膜，使用传统的TIG熔化焊容易产生气孔，严重阻碍熔化焊在鋁合金焊接上的应用。搅拌摩擦焊（Friction stir welding，FSW）是一种固相连接的新型焊接技术[2]，具有焊接温度低、能耗低、焊接过程无烟尘飞溅、无须保护气体和焊后残余应力低等特点[3]。

7075铝合金FSW接头的力学性能优良，但其焊接过程对热输入十分敏感。国内外一些研究者主要对搅拌摩擦焊焊接不同铝合金的焊接热循环规律进行了研究，结果表明搅拌头行走的位置瞬时温度达到最大，随着搅拌头的远离，温度逐渐下降。搅拌头的峰值温度不超过母材的固相线，焊缝前进侧与后退侧的热循环作用不同，前进侧温度略高于后退侧温度[4-7]。还有一些研究者将板材置于不同介质中进行焊接[8]，采用外部冷却的方式来解决焊接接头的软化问题，改善接头性能。Fratiniet[9]等人认为接头的软化是影响性能的主要原因，而冷却水可以起到强制冷却的作用，降低软化强度，提高抗拉伸性能。

目前对空气和水下焊接的温度场分布对比和组织性能研究相对较少。本文研究了空气与水下搅拌摩擦焊中温度场的分布，重点研究焊接热输入对焊缝组织及其力学性能的影响，为该种合金搅拌摩擦焊的发展及实际生产应用奠定基础。

1 试验材料及方法

试验材料为AA7075-T76（Al-Zn-Mg-Cu系）铝合金，焊接试板的尺寸为200 mm×150 mm×3 mm。其化学成分如表1所示。

搅拌摩擦焊机为SW-3LM-002型龙门式数控搅拌摩擦焊机。搅拌头材料为工具钢，轴肩直径为10 mm，搅拌针直径3.5 mm，针长2.9 mm，下压量控制在3.2 mm左右，旋转方向为顺时针。接头形式为对接，焊接过程中保持搅拌头倾斜角为3°。FSW旋转速度为 1 000 r/min，焊接速度100 mm/min。

测量焊缝的焊接热循环曲线，预留焊缝宽度为10 mm，在距焊缝3 mm和6 mm处布置热电偶，沿垂直于焊缝方向分别在前进侧和后退侧板上等距布置两个测试点。垂直于焊缝截取金相试样，采用Keller浸蚀剂进行腐蚀，在MSD-VHX1000超景深三维（3D）显微镜下观察宏观形貌，采用ZEISS金相显微镜观察接头微观组织。采用MH-5D自动转塔式显微维氏硬度计在试样厚度中线上测量接头的显微硬度，试验载荷100 g，保持加载时间5 s。每个焊接参数的接头垂直焊接方向用线切割加工三个平行拉伸试样，在CMT5205型微机控制电子式万能材料实验机上进行拉伸试验。本次试验使用日立JSM-6480 型扫描电镜分析焊缝和断口。利用扫描电镜分析焊接接头各区域的形貌，以及各区域中相的形貌和分布变化，同时观察断口组织形貌，判断断裂方式及其原因。

2 试验结果及分析

2.1 焊接热循环结果与分析

针对空气与水下（1 000 r/min、100 mm/min）距离焊缝中心3 mm处的特征点前进侧、后退侧温度曲线进行比较，并将二者特征点的峰值进行比较，如图1a、1b所示。观察发现，距离焊缝边缘3 mm处空气与水下温度曲线差别很大，空气比水下高出约100 ℃，而水下温度基本不超过100 ℃;水下曲线更趋于平缓，高温停留时间短。图1c为距离焊缝3 mm和6 mm处的峰值温度对比。可以看出，特征点峰值温度沿垂直于焊缝平面呈对称分布，靠近焊缝中心峰值温度高，远离焊缝中心峰值温度低。

由于空气与水下散热和热传导的介质不同，空气中主要依靠被焊工件、金属垫板以及夹持装置进行散热，铝合金传热速度快，其他散热介质吸热速率慢，导致焊接过程中热输入增加，温度很高。水下焊接时，由于冷水的快速冷却作用，使散热速度加快，热输入降低，温度很低，导致空气与水下温差较大。焊接过程中热输入主要来自于搅拌针、轴肩摩擦热和金属塑性变形热，热源集中在焊缝中心，距离较远的特征点温度较低，导致特征点的峰值温度沿垂直于焊缝的平面对称分布。

2.2 焊缝表面成形及宏观形貌

空气中和水下的焊缝表面成形情况如图2所示。可以看出，两种介质中焊缝表面均成形良好。空气条件下焊缝表面有一些起皮，前进侧的飞边较多。而水下焊接时焊缝表面较光滑，无毛刺，鱼鳞纹较细腻，成形良好。

空气中和水下的焊接接头宏观金相形貌对比如图3所示。水下的形貌很清晰、饱满、均匀，而空气中的形貌较模糊，且焊核区存在分布不均匀的黑色阴影。前进侧与后退侧的塑性流线具有差异，这是因为在搅拌摩擦焊接过程中，前进侧的金属塑性流动方向与搅拌针旋转方向和前进方向相同，受到搅拌针和轴肩的挤压与带动，具有清晰的流线。而后退侧的塑性金属流动方向和搅拌针的移动方向相反，软化的塑性金属一部分被带到前进侧，另一部分堆积在后退侧，未受到搅拌针的强制带动作用，所以后退侧具有较宽的模糊流线。接头两侧母材受热影响的范围区域大小可能表现为两侧塑性流线的模糊区域大小，该区域会影响母材的组织结构。空气中FSW接头前进侧和后退侧均具有较大范围模糊不均匀的组织结构，影响接头性能。水下FSW接头的前进侧未出现塑性流线模糊区域，后退侧的模糊区域十分狭窄，表明周围的母材组织受热量影响较小，未出现组织不均匀和粗大的现象。

2.3 接头微观组织分析

空气中与水下FSW接头焊核区（NZ）和热影响区（HAZ）的微观组织如图4所示。可以看出，空气中的焊接接头晶粒组织较水下的粗大很多，且第二相粒子从晶界脱溶析出较为严重，降低固溶强化作用，其尺寸粗大且分布集中，容易产生应力集中，导致接头性能下降。水下FSW接头晶粒尺寸细小，这是由于冷却水的快速冷却作用及时带走热量，阻止了动态再结晶后晶粒的长大行为，而焊核区的第二相粒子具有不同程度的析出长大行为，导致接头强度和塑性下降。

2.4 接头显微硬度分析

空气和水下接头的显微硬度如图5所示。可以看出，空气与水下焊核区的硬度较低，约为135 HV。这是因为焊核区发生金属动态再结晶，晶粒被细化，但受温度影响，大部分强化相固溶到基体中，少部分强化相沉淀析出长大，导致硬度降低。空气中接头后退侧距焊缝4 mm处热影响区硬度最低，约为113 HV，说明热影响区发生软化，第二相粒子发生沉淀析出行为，导致硬度过低，且空气的低硬度范围较宽，因此空气中的FSW接头热影响区较大。水下热机影响区和热影响区的硬度高于空气中焊接接头，约为155 HV，这与焊接过程中接头组织变化有关。对于7075铝合金，高的热输入意味着强化相的析出长大，造成接头性能改变。空气中FSW的热输入大于水下FSW，则热影响区和热机影响区晶粒粗化和强化相的析出长大现象较为严重，而水下的热影响区和热机影响区由于冷却水的快速冷却作用，受热输入的影响较小，所以沉淀相析出长大行为不严重，硬度较高。

2.5 接头力学性能及断口分析

空气中和水下焊接的接头力学性能如表2所示。可以看出，两种接头的抗拉强度接头相差不大，但水下焊接接头的延伸率明显高于空气中焊接接头的延伸率。

水下与空气中FSW接头断口形貌如图6所示。空气中焊接接头的拉伸试样断口具有“台阶”形貌且边缘发亮，因此为解理型断裂。解理断裂是金属原子间结合键在拉应力作用下被破坏而造成的穿晶断裂，这与空气中焊接的试样断口形貌相符。水下焊接接头断裂形式为韧性断裂。断口表面具有一定的韧窝，但整体较浅，为较平坦的准解离面，具有一定的河流状花样。第二相粒子与微坑几乎一一对应，说明一个夹杂物或第二相粒子就是一个微坑的形核位置。

3 结论

本文使用相同参数对比研究了不同冷却介质（空气和水下）条件下7075铝合金搅拌摩擦焊过程的热循环曲线和接头力学性能，得出以下结论：

（1）通过对比空气中和水下焊接的热循环曲线发现，水下曲线更趋于平缓，高温停留时间短。特征点的峰值温度沿垂直于焊缝的平面上呈对称分布，靠近焊缝中心峰值温度高，远离焊缝中心峰值温度低。

（2）水下焊接的焊缝表面成形比空气中焊接的更好。水下焊接的接头热影响区更窄一些，并且接头的塑性流线更清晰。空气中焊接的接头显微组织晶粒较粗大，且第二相粒子从晶界脱溶析出较严重。

（3）空气中和水下FSW接头焊核区硬度较低，均在135 HV左右。而水下热机影响区和热影响区的硬度较高，约为155 HV，空气中仅为114 HV。

（4）空气中焊接接头拉伸试样断口具有“台阶”形貌，边缘较亮，属于脆性断裂;水下焊接接头的拉伸试样断口具有细小韧窝和准解离平面，且存在河流状样貌，为韧性断裂。

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