7N01铝合金双面搅拌摩擦焊接头的组织与性能

林 松，贺晓龙

(1.广西交通职业技术学院汽车工程系，南宁 530023；2.山东大学材料科学与工程学院，济南 250061)

0 引 言

7N01铝合金属于时效强化Al-Zn-Mg系合金，具有良好的挤压和焊接性能，因时效时组织中析出强化相而使得其强度明显高于6系铝合金的[1]。该铝合金是一种理想的中等强度焊接结构材料，在汽车车体轻量化设计中得到广泛应用[2]。搅拌摩擦焊接(FSW)是一种新型的固相连接技术，常用于铝合金材料的连接。与熔焊接头相比，铝合金FSW接头不易产生裂纹、气孔、偏析等缺陷。FSW技术可分为单面焊接和双面焊接两种。对于超大尺寸的铝合金薄板(厚度小于10 mm)结构件，采用单面FSW技术会产生严重的焊接变形[3]，而采用双面FSW技术可以有效地减小焊接残余应力[4]，改善焊接变形。此外，双面FSW还可以降低焊接热输入，减少析出强化相的溶解，提高接头强度。

目前，有关厚板铝合金双面FSW接头组织演变和力学性能的报道较多，研究内容主要包括材料的流动行为、晶粒形态演变、析出相分布、硬度和抗拉强度变化等[5-6]，而关于薄板双面FSW接头的组织性能研究较少。此外，7N01铝合金具有一定的应力腐蚀敏感性[7]，在FSW过程中其组织和第二相分布的变化会改变其应力腐蚀行为。因此，作者对6 mm厚7N01铝合金板进行双面搅拌摩擦焊接，研究了接头的显微组织演变、硬度分布、拉伸性能及应力腐蚀敏感性，拟为薄板双面搅拌摩擦焊工艺的应用提供一定的理论依据。

1 试样制备与试验方法

试验材料为7N01铝合金轧制板，尺寸为300 mm×75 mm×6 mm，热处理工艺为固溶+自然时效，采用电火花光谱法所测化学成分如表1所示。

表1 7N01铝合金的化学成分(质量分数)Table 1 Chemical composition of 7N01 aluminum alloy (mass) %

采用FSW-3LM-4012型龙门式搅拌摩擦焊接设备进行双面焊接，焊接方向垂直于轧制方向，反面焊接后将工件翻转、组对并打磨后进行正面焊接，正面焊接方向与反面焊接方向一致。使用圆锥螺纹同心圆环轴肩型搅拌针，轴肩直径为10 mm，搅拌针长3 mm。经过前期试验，选择优化后的FSW工艺参数：搅拌头转速840 r·min-1，焊接速度120 mm·min-1，轴肩压入深度0.15 mm。

在焊接接头截面不同位置取样，电解抛光至镜面，用Keller试剂(2.5%HNO3+1.5%HCl+1%HF+95%H2O，体积分数)腐蚀后，采用VHX-500F型光学显微镜观察显微组织。在焊核中心纵轴线不同位置处取样，电解抛光处理后，采用JSM-7800F型扫描电镜(SEM)的电子背散射衍射(EBSD)模式观察晶粒形貌，分析晶粒再结晶行为。采用DHV-1000型显微硬度计测试接头的维氏硬度，载荷为9.8 N，保载时间为15 s。EBSD观察位置和硬度测试位置如图1所示：线1为正面焊横向硬度测试方向；线2为反面焊横向硬度测试方向；线3为焊核中心纵向硬度测试方向，各测点的间距为0.5 mm。

图1 EBSD观察位置和硬度测试位置示意Fig.1 Diagram of locations for EBSD observation and hardness measurement

按照GB/T 15970.7-2017和GB/T 228.1-2010制备慢应变速率拉伸板状试样，试样尺寸如图2所示，采用NKK-4050型慢应变速率拉伸试验机进行拉伸试验，拉伸应变速率为10-6s-1，试验介质为空气和质量分数3.5%的NaCl溶液，试验环境为常温常压。采用JSM-7800F型扫描电子显微镜(SEM)观察断口形貌。引入应力腐蚀敏感性指数Iscc表征母材和焊接接头的应力腐蚀敏感性，计算公式为

图2 慢应变速率拉伸试样尺寸Fig.2 Sample size for slow strain rate tensile test

(1)

式中：δe为试样在质量分数3.5%NaCl溶液中的断后伸长率；δa为试样在空气中的断后伸长率。

2 试验结果与讨论

2.1 显微组织

由图3可以看出，双面FSW接头焊核区截面呈对立的双驼峰形，正反面焊核连接良好。在搅拌针的搅拌和摩擦热作用下，铝合金发生塑性变形并出现层与层的相对流动，导致焊核中形成洋葱环形貌[8]。双面FSW接头正面焊核中的洋葱环形貌明显，反面焊核中的洋葱环因受正面FSW的影响而变得不完整，不易观察。整体上看接头成形良好，无明显焊接缺陷。

图3 FSW接头截面整体形貌Fig.3 Overall morphology of the FSW joint section

由图4可以看出，FSW接头热力影响区(TMAZ)在搅拌过程中发生剪切变形，形成典型的条弧状纹理，前进侧热力影响区与焊核区(WNZ)界线明显，后退侧的界线模糊，这是各区域材料塑性流动速度存在差异导致的[9]。在FSW过程中，前进侧材料塑性流动的速度梯度较大，焊核区材料流动性强，而近焊核区的母材流动性不足，二者之间形成清晰的界线；后退侧母材则随着焊核区材料发生缓慢塑性流动，二者之间发生平滑过渡，界线不明显。热影响区(HAZ)组织在FSW过程中仅受到热循环作用，未发生塑性变形，其晶粒形态与母材(BM)的相似，呈板条状。

图4 FSW接头正面不同区域的显微组织Fig.4 Microstructures of different areas on the front of FSW joint: (a) interface between TMAZ and WNZ at advancing side;(b) interface between TMAZ and WNZ at retreating side; (c) heat affected zone and (d) base metal

由图5可以看出：母材为纤维状轧制组织，焊核区因受到搅拌针强烈的搅拌作用及较高温度的热循环作用，其组织发生动态再结晶，形成均匀细小的等轴晶组织，晶粒尺寸远小于母材的；正面焊核区(图3中位置1)的平均晶粒尺寸最大(约6.1 μm)，反面焊核区(图3中位置3)的次之(约4.5 μm)，焊道交界处(图3中位置2)的最小(约3.5 μm)；焊道交界处晶粒因受到两次热-力耦合作用而发生破碎，因此晶粒尺寸最小。

图5 FSW接头不同区域的晶粒取向分布Fig.5 Grain orientation distribution in different regions of FSW joint: (a) base metal; (b) weld nugget zone on front side (location 1 in Fig.3); (c) weld nugget zone atjunction of weld beads (location 2 in Fig.3) and (d) weld nugget zone on back side (location 3 in Fig.3)

将取向差角在3°15°的晶界定义为小角度晶界(LAGB)，取向差角大于15°的晶界定义为大角度晶界(HAGB)。由图6可以看出，与母材相比，焊核区的小角度晶界占比较小，大角度晶界占比较大。这是由于在搅拌针强烈的搅拌摩擦作用下，焊核区金属充分变形并贮存了较高的塑性应变能。在塑性应变能和高温热循环作用下，该区域组织发生连续动态再结晶[10-11]，形成细小的等轴晶组织。随着再结晶过程的进行，取向差角较小的相邻亚晶界上的位错在搅拌摩擦作用下发生攀移和滑移，使亚晶界合并形成大角度晶界。在双面FSW过程中，焊道交界处经历了两次热-力耦合作用，因此该区域的再结晶程度最大，大角度晶界占比最大；正面焊时的热循环作用促进了反面焊核二次再结晶，因此反面焊核区的大角度晶界占比大于正面焊核区的。

图6 FSW接头不同区域的晶界取向差角分布Fig.6 Distribution map of grain boundary orientation difference angle in different zones of FSW joint：(a) base metal; (b) weld nugget zone on front side; (c) weld nugget zone at junction of weld beads and (d) weld nugget zone on back side

2.2 硬 度

由图7(a)可以看出，双面FSW接头焊核区平均硬度最高，热力影响区次之，热影响区最低。由图4和图5可知，焊核区以细晶粒为主，细晶强化效果明显，因此硬度最高。热力影响区由于经历了热-力耦合作用，晶粒发生剪切变形[12]，变形晶粒增多且晶粒粗化，导致硬度降低。热影响区的第二相在焊接热输入的作用下发生溶解[13]，第二相的析出强化作用减弱，因此硬度最低。由图7(b)可以看出，焊道交界处焊核区的硬度较其他位置焊核区的略高，这是由于焊道交界处经历了两次热-力耦合作用，晶粒最细小。

图7 FSW接头横向和焊核中心纵向硬度分布Fig.7 Hardness distribution in transverse direction (a) and vertical direction on center of weld nugget zone (b) of FSW joint

2.3 慢应变速率拉伸性能

由表2可以看出：在质量分数3.5%NaCl溶液中，母材和FSW接头的拉伸性能均比在空气介质中的差；在两种介质中拉伸时，接头均在热影响区断裂，说明热影响区为薄弱区。母材和FSW接头在NaCl溶液中均具有应力腐蚀敏感性，应力腐蚀敏感性指数分别为88.89和86.06，这表明FSW接头的应力腐蚀敏感性更高。

表2 不同介质中母材和FSW接头的慢应变速率拉伸试验结果Table 2 Results of slow strain rate tensile test of base metal and FSW joint in different media

由图8可以看出：在空气介质中母材和FSW接头的慢应变速率拉伸断口形貌相似，断口上均出现大量蜂窝状韧窝，呈典型的韧性断裂特征，但FSW接头的韧窝大而浅，说明其塑性变形能力较母材的差；FSW接头在NaCl溶液中的断口存在浅而细小的韧窝，沿晶界出现了连续性孔洞(如箭头所示)。在NaCl溶液中，FSW接头热影响区活泼的晶界强化第二相作为阳极与基体形成腐蚀微电池，第二相不断溶解产生点蚀[13]。在拉应力作用下，这些点蚀源不断扩大连接，最终形成沿晶界分布的连续性孔洞，诱发裂纹快速扩展。

图8 母材和FSW接头在不同介质中慢应变速率拉伸断口形貌Fig.8 Fracture morphology of slow strain rate tensile of base metal and FSW joint in different media: (a) base metal in air; (b) FSW joint in air and (c) FSW joint in NaCl solution

3 结 论

(1) 7N01铝合金双面FSW接头成形良好，无明显焊接缺陷；焊核区为均匀细小的等轴晶组织，正反焊道交界处焊核区晶粒由于受到两次热-力耦合作用，晶粒尺寸较其他焊核区的细小；热力影响区晶粒发生剪切变形，呈条弧状；热影响区晶粒形态与母材相似，呈板条状。

(2) 焊核区的硬度最高，从焊核区到母材，硬度逐渐降低；正反焊道交界处的焊核区硬度高于其他位置焊核区的。

(3) 在空气和NaCl溶液中，FSW接头均在热影响区拉伸断裂，热影响区为薄弱区；FSW接头拉伸性能低于母材的，并且表现出更高的应力腐蚀敏感性。