2219铝合金搅拌摩擦焊接头组织和性能的不均匀性研究

徐世伟，李茂林，张体明，汤化伟，叶富强，唐建霖，曾宙，朱兴

2219铝合金搅拌摩擦焊接头组织和性能的不均匀性研究

徐世伟1，李茂林1，张体明1，汤化伟2，叶富强1，唐建霖1，曾宙1，朱兴1

（1. 南昌航空大学 航空制造工程学院，南昌 330063；2. 上海航天设备制造总厂有限公司，上海 200245）

针对2219铝合金搅拌摩擦焊接头受焊接热作用和机械搅拌作用的影响，极易产生组织和力学性能不均匀的情况，深入研究接头的局部力学性能，为焊接工艺优化提供理论指导。采用显微组织分析与数字图像相关（DIC）技术测试相结合的方法，对2219铝合金搅拌摩擦焊接头的组织和局部力学性能进行表征，并建立搅拌摩擦焊接头各区域的局部力学性能模型。2219铝合金搅拌摩擦焊接头的力学性能薄弱区为热机影响区。试样断裂前该区域局部应力达到345 MPa，局部应变为18.9%，而此时母材应变仅为1.91%。热机影响区的组织在焊接热作用和机械搅拌的双重作用下发生了粗化和软化，导致该区的力学性能降低，是整个焊接接头的薄弱区域。

2219铝合金；搅拌摩擦焊；焊接接头；数字图像相关（DIC）技术；力学性能

2219铝合金有着密度小、强度高、耐腐蚀性强等特点，属于硬铝合金的一种，运用在航空航天领域中可以使飞行器轻量化，从而提高飞行器的飞行效率，被广泛应用于航天火箭贮箱结构零件的制造。2219铝合金在使用传统的熔化焊手段进行焊接时，其焊接接头从熔化到凝固时易生成裂纹、夹渣等缺陷，焊接接头组织软化现象明显，影响使用性能[1]。

1992年，英国焊接研究所（TWI）首先在英国申请了一项主要用于轻金属焊接的发明专利，从此这一新型固相连接方法发明——搅拌摩擦焊（Friction stir welding，FSW）引起了广大研究人员的关注。FSW作为一种不需要材料熔化的新型塑性连接工艺，不但焊接时很少会产生熔焊焊接时导致的各种缺陷，而且有着工艺简单、无需保护气体，能保留金属在焊前的冶金性能，焊后可以不用进行化学清洗处理及焊后表面的精整加工处理等优势，在轻金属焊接的应用前景颇受重视[2—4]。同时由搅拌摩擦焊的原理可知，合金在FSW过程中局部材料会在应力场与焊接温度场共同作用（即热力耦合）下发生剧烈的塑性变形，导致焊接接头力学性能沿焊缝中心到试样一侧发生非线性连续变化，而这一短短距离即划分出4个区域，即焊核区、热机影响区、热影响区、母材区，因此对FSW接头组织在不同区域内的变化与区域之间的力学性能不均匀性的研究存在必要性[5—7]。

文中采用显微组织分析、力学性能测试、数字图像相关（DIC）技术相结合的方法，对2219铝合金FSW接头组织与力学性能的不均匀性进行研究。DIC技术有着非接触、全场数据测量、受环境干扰小等优点[8—9]。将焊接接头的力学性能测试与DIC技术相结合，通过DIC技术分析焊接接头各微小区域在拉伸载荷下全程应变历程，从而获得焊接接头各微小区域的拉伸性能曲线，再利用幂指数模型构建的力学性能函数对曲线数据进行拟合，进而建立焊接接头各微小区域的局部力学性能模型，确定焊接接头的薄弱区域，为焊接工艺优化提供理论指导[10]。

1 实验

文中采用固溶处理+时效处理的2219铝合金板材（2219-T6态），焊后板材静置不进行任何热处理操作。板材尺寸为300 mm×200 mm×10 mm。文中在改装后的X5032型立式铣床上进行FSW焊接，焊接速度为49.5 mm/s，搅拌针的旋转速度为650 r/min，轴肩直径为30 mm，下压量为0.3 mm，倾角为3°。

1.1 金相试样制备

金相试样是以焊核区为中心，用线切割切取试样尺寸为80 mm×40 mm×10 mm，并以冷镶的方法制备，静置阴凉处待树脂完全凝结之后，依次使用不同规格的砂纸对表面进行研磨至消除明显划痕，研磨后用抛光机进行抛光，随后采用Keller试剂（10 mL HF+5 mL HCl+5 mL HNO3+380 mL H2O）对试样进行浸蚀，时间约为30 s，清洗吹干后用4XB-TV型金相显微镜对焊接接头整体的金相进行观察，如图1所示，并记录各区域的典型微观形貌。

图1 接头整体金相

1.2 局部力学性能测试

采用电火花线切割的方法对试样的力学性能进行分析。以焊核为中心，垂直于焊接方向切取板厚中心处2 mm厚度的板材制备试样，通过接头显微组织形貌与硬度分布确定各区域尺寸，如图2所示。使用耐水砂纸对试样的表面进行逐级打磨至2000#，打磨方向平行于试样长度方向，最后量得试样厚度为1.18 mm。然后在试样表面均匀地喷涂一层哑光白底漆，试样晾干后观察底漆是否完全覆盖了金属原本色彩且反光程度是否一致，若底漆未完全覆盖金属原本色彩或存在不同程度的反光现象，则用丙酮擦去喷漆失败的底漆，重新喷涂底漆直至喷漆合格。随后在合格试样白色油漆上无规则随机喷涂黑漆散斑点，并将接头4个区域按图2所示的位置做好标记。把喷涂的试样晾干后装夹在WDW-50H型拉伸机上，配合采用XT-DIC数字图像关联技术设备对拉伸过程中的试样位移信息进行记录。测试前，调整CCD摄像机位置，使试样位于摄影图像中心，设置CCD摄像机焦距为75 mm，光圈范围选择为最大，像元尺寸为5.86 µm；图像采集帧频为1000 f/s。启动拉伸机进行力学性能测试，并同步启动DIC设备，拉伸速率为1 mm/min。利用DIC设备测量焊接接头4个区域内的黑色斑点在拉伸前后位移变化情况，并收集图像信息，以便分析接头4个区域在受载荷作用时的应变变化情况，同时记录试样拉伸过程中的载荷变化情况。

图2 试样形状及尺寸

2 结果与分析

2.1 焊接接头微观组织分析

焊接接头各区域，即焊核区（NZ）、热机影响区（TMAZ）、热影响区（HAZ）和分布在试样两侧的母材区（BM）的微观组织形貌如图3所示。其中焊核区（NZ）的组织为等轴晶，晶粒细小，这主要是因为该区金属在焊接时受到了强烈的机械搅拌作用，晶粒发生了严重的塑性变形，并摩擦产生了大量的热，使该区的温度高于沉淀强化相的溶解温度[11]，但机械搅拌作用与焊接热作用共同造成的温度升高却达不到该区域晶粒的熔化温度，进而造成晶粒发生动态再结晶，同时又由于焊接时搅拌针旋转产生了搅拌摩擦作用，从而造成晶粒均匀分布（见图3a）；热机影响区（TMAZ）与搅拌针之间存在一定的距离，机械搅拌作用在该区与焊核区相比较弱，只剩下焊接热作用对已发生塑性变形的晶粒存在着影响，晶粒发生了一定程度的粗化，尺寸略大于母材区晶粒，同时由于机械搅拌作用，晶粒表现为因热剪切变形而被拉长，并呈明显弯曲状，其中前进侧热机影响区（见图3b）的弯曲程度比后退侧热机影响区（见图3c）更严重；热影响区（HAZ）组织相比TMAZ进一步远离高速旋转的搅拌针带来的搅拌作用范围，于是在该区域发生明显作用的仅为焊接热作用，造成该区域的组织晶粒仅发生粗化（见图3d）；由于母材区（BM）超出焊接的热力耦合作用范围，所以母材区组织既不受机械搅拌作用又不受焊接热作用，组织晶粒依旧呈焊接前的板条状，且板条状晶粒分布方向为板材轧制方向（见图3e）。

2.2 焊接接头局部力学性能分析与力学模型的建立

试样在单向拉伸过程中的应变变化如图4所示。根据DIC技术分析得到的焊接接头各区域的全程应变历程，结合拉伸时载荷随时间的变化情况，得到接头各区域的拉伸工程应力-应变如图5所示，同时假设焊接接头是符合理想均质弹塑性金属材料，即任意时刻的某横截面的面积都符合计算公式：

式中：0为初始时刻试样横截面积；i为局部应变。

结合式（1）计算出的横截面积对应力进行修正，得到焊接接头各区域的真实应力，最后对接头各区域的真实应力-应变进行一一配对，得到焊接接头各区域的真实应力-应变曲线，如图6所示。由图4可知，在拉伸初期，试样接头可视为一个整体在发生弹性变形；随着拉伸载荷的增大，当作用在试样上的应力达到170 MPa时，接头4个区域的应变程度逐渐出现差异，焊核区、前进侧热机影响区所受应力已经超过了其屈服强度，开始进入到塑性变形阶段。从图4可知，这两个区域的屈服强度分别为165 MPa和152 MPa。此时图4中应变呈现出母材区向焊核区应变逐渐增大的情况，而对照图4中母材区拉伸性能曲线，发现此时母材区应变约为0.21%；随着拉伸载荷的增大，前进侧热机影响区、后退侧热机影响区与热影响区的交界处附近都开始出现应变局部化，当拉伸应力为250 MPa时，各区域的应变程度差异已十分明显，并且可以发现前进侧热机影响区与热影响区的界限附近出现应变集中现象，对比图5中前进侧热机影响区与母材区应力-应变曲线可知，此时该区域的应变约为母材区应变的12倍；当拉伸应力达到300 MPa时，前进侧热机影响区出现颈缩趋势；最后当试样断裂时，拉伸应力为345 MPa，宏观断裂口发生在前进侧热机影响区域，结合图5曲线可知该区域局部应变更是大幅度地增加到了18.9%，而母材区此时应变仅为1.91%，是因为在拉伸过程中，首先进入塑性变形阶段的低强度的焊核区和热机影响区分担了绝大部分的变形量，高强度的母材区仅需要分担小部分的变形量。故焊接接头强度最低的区域为前进侧热机影响区，这是因为热机影响区在FSW焊接过程中，在机械搅拌作用与焊接热作用的联合作用下，晶粒被拉长且呈明显弯曲状，晶粒严重软化，冷却后形成形态不均匀的组织，在外力的作用下容易产生应变集中。同时在拉伸时低强度的热机影响区受到了收边上强度更高的母材区的“约束效应”[12]，也会导致热机影响区发生应变集中，最后发生断裂。同时前进侧热机影响区金属变形方向与搅拌针旋转方向相反，金属被迫挤压到焊核后方，晶粒弯曲程度更明显，并且前进侧受力作用更严重，导致晶粒受热粗化程度更高。综上可知焊接接头力学性能的薄弱区为前进侧热机影响区。

图3 焊接接头各微小区域的微观组织

图4 试样在单向拉伸载荷过程中的应变变化

图5 焊接接头各区域的拉伸性能曲线

图6 焊接接头各区域真实应力-应变曲线

为计算出2219铝合金FSW接头各区域的拉伸应变硬化指数和强化系数值，假设在本次实验中接头的是一种理想均质弹塑性金属材料，将Hollomon幂指数函数套入FSW焊接接头各区域的真实应力-应变曲线模型[13]，即应变与真实应力满足式（2），计算结果如表1所示。

表1 焊机接头各区域拉伸力学性能

Tab.1 Tensile properties of each area of welding joints

结合图6与表1可知母材区的拉伸力学性能最好，热影响区拉伸性能仅次于母材区，热机影响区的后退侧拉伸性能高于前进侧，且前进侧热机影响区的拉伸性能最弱，同时焊核区拉伸性能仅略高于前进侧热机影响区。这是因为母材区晶粒基本保持焊接前的形态，强度不变，拉伸力学性能保持；热影响区晶粒由于只受到焊接热作用，晶粒只是发生粗化现象，造成强度略低于母材区，拉伸力学性能位于第二；热机影响区的晶粒在受焊接热作用下发生粗化的基础上又受到机械搅拌作用而被明显拉长且弯曲，造成了组织软化，其强度进一步降低，拉伸力学性能差，同时，由于前进侧热机影响区受热作用更严重，其晶粒与焊核区晶粒在大小上有着最明显的分界情况，导致前进侧热机影响区的拉伸性能低于后退侧热机影响区，受到拉伸时，该界面会发生应力集中现象，裂纹就容易从此处形成；而焊核区的拉伸力学性能仅略高于热机影响区，这是因为焊核区原始晶粒在一开始受到机械搅拌摩擦作用，晶粒发生剧烈塑变，晶粒内部位错密度增加，虽然这使焊核区的强度得到了一定的提升，但大量细小晶粒通过再结晶形式产生，晶粒内部的位错大量消失，强度下降，并发现再结晶晶粒有一定程度的软化[14]，同时由于本次实验所使用的搅拌针转速/焊接速度比值约为13.1，焊接过程中线能量大，焊核区再结晶晶粒受到的热量大，组织得到了生长，晶粒尺寸变大，导致焊核区强度进一步下降[15—18]，最终导致焊核区强度明显低于母材。

3 结论

1）铝合金FSW焊接的4个亚区当中，焊核区晶粒细化，但在焊接过程中发生再结晶软化与受到大量焊接热作用，造成其强度只是略高于热机影响区，在只受焊接热作用的热影响区内晶粒粗大，而热机影响区晶粒被拉长并弯曲，且存在软化现象。

2）基于DIC辅助力学性能测试技术，得到了FSW接头各区域的拉伸力学性能曲线，分析发现焊接接头在弹性变形阶段时4个区域的应变分布情况相对均匀；前进侧热机影响区最早进入到塑性变形阶段，其屈服强度最低，最后进入塑性变形的是母材区，且断裂时母材区应变值仅为1.91%。

3）根据焊接接头各区域在拉伸过程中的真实应力-应变曲线，并结合Hollomon幂指数模型对曲线的拟合情况，获得了2219铝合金FSW接头各区域拉伸力学性能模型，研究发现前进侧热机影响区的拉伸性能最差，是焊接接头的薄弱区域。

[1] 林钢, 林慧国, 赵玉涛. 铝合金运用手册[M]. 北京: 机械工业出版社, 2006: 20—23.

LIN Gang, LIN Hui-guo, ZHAO Yu-tao. Aluminium Alloy Operation Manual[M]. Beijing: China Machine Press, 2006: 20—23.

[2] 王远良, 周有龙, 胡久富, 等. 解决运载工具铝合金焊接难题的新途径—搅拌摩擦焊[J]. 电焊机, 2004(1): 34—38.

WANG Yuan-liang, ZHOU You-long, HU Jiu-fu, et al. Troubleshooting for Welding Aluminum Alloy Used in Automobile——FSW[J]. Electric Welding Machine, 2004(1): 34—38.

[3] 栾国红, 柴鹏, 孙成彬, 等. 飞机制造的前景技术——搅拌摩擦焊[J]. 航空制造技术, 2004(11): 44—47.

LUAN Guo-hong, CHAI Peng, SUN Cheng-bin, et al. Foreground Technology for Aircraft Manufacturing—Friction Stir Welding[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2004(11): 44—47.

[4] 张田仓, 郭德伦, 栾国红, 等. 固相连接新技术——搅拌摩擦焊技术[J]. 航空制造技术, 1999(2): 35—39.

ZHANG Tian-cang, GUO De-lun, LUAN Guo-hong, et al. New Technology of Solidoid Jointing—Stir Friction Welding[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 1999(2): 35—39.

[5] 史耀武, 唐伟. 搅拌摩擦焊的原理与应用[J]. 电焊机, 2000, 30(1): 6—9.

SHI Yao-wu, TANG Wei. The Principle and Application of the Friction Stir Welding[J]. Electric Welding Machine, 2000, 30(1): 6—9.

[6] 赵华夏, 董继红, 孟强. 7050高强铝合金搅拌摩擦焊典型宏观缺陷试验研究[J]. 精密成形工程, 2019, 11(6): 141—148.

ZHAO Hua-xia, DONG Ji-hong, MENG Qiang. Experimental Study on Typical Macroscopic Defects of 7050 High Strength Aluminum Alloy Friction Stir Welding[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2019, 11(6): 141—148.

[7] 李兵, 谢里阳, 张君一, 等. 2A12铝合金搅拌摩擦焊工艺与焊缝组织特征分析[J]. 制造技术与机床, 2008(1): 69—73.

LI Bing, XIE Li-yang, ZHANG Jun-yi, et al. Research on the Welding Process and Microstructure Characteristic of the Firction Stir Welding Line[J]. Manufacturing Technology & Machine Tool, 2008(1): 69—73.

[8] 刘润棋. 基于DIC的面内位移高精度测量方法研究[D]. 广州: 广州大学, 2019: 8—15.

LIU Run-qi. Study on High Precision Measurement Method of In-Plane Displacement Based on DIC[D]. Guangzhou: Guangzhou University, 2019: 8—15.

[9] 曹广龙, 陈亮, 任明法, 等. 基于DIC方法的铝合金焊接接头拉伸性能研究[J]. 机械强度, 2019(3): 588—593.

CAO Guang-long, CHEN Liang, REN Ming-fa, et al. Study on Tensile Properties of Aluminum Alloy Welding Joint Using DIC Method[J]. Journal of Mechanical Strength, 2019(3): 588—593.

[10] 徐永超, 周斌军, 聂辉. 2219铝合金板材搅拌摩擦焊焊接接头局部力学性能研究[J]. 塑性工程学报, 2019, 26(2): 50—54.

XU Yong-chao, ZHOU Bin-jun, NIE Hui. Investigation on Local Mechanical Properties of Welding Joint of FSW 2219 Aluminum Alloy Sheets[J]. Journal of Plastic Engineering, 2019, 26(2): 50—54.

[11] 朱加祥. 5052与6061异种铝合金搅拌摩擦焊焊接接头组织性能研究[D]. 成都: 西南石油大学, 2014: 37—38.

ZHU Jia-xiang. Study on Microstructure and Properties of 5052 and 6061 Dissimilar Aluminum Alloy Friction Stir Welding Welded Joint[D]. Chengdu: Southwest Petroleum University, 2014.

[12] DU Dong-xu, FU Rui-dong, LI YI-jun, et al. Gradient Characteristics and Strength Matching in Friction Stir Welded Joints of Fe-18Cr-16Mn-2Mo-0.85N Austenitic Stainless Steel[J]. Materials Science and Engineering: A, 2014, 616: 246—251.

[13] HOLLOMON J H. The Effect Heat Treatment and Carbon Content on the Work Hardening Characteristics of Several Steels[J]. Transactions of ASM, 1994, 32: 123—133.

[14] 白景彬, 杜岩峰, 田志杰, 等. 2219铝合金搅拌摩擦焊接头组织与力学性能的不均匀性[C]// 第十六次全国焊接学术会议论文摘要集, 2011: 290—293.

BAI Jing-bin, DU Yan-feng, TIAN Zhi-jie, et al. Inhomogeneity of Microstructure and Mechanical Properties of 2219 Aluminum Alloy Friction Stir Welding Joints[C]// Abstracts of Proceedings of the 16th National Welding Conference, 2011: 290—293.

[15] 刘鸽平, 杨成刚, 柯黎明. LY12铝合金搅拌摩擦焊接头组织和性能研究[J]. 热加工工艺, 2010, 39(15): 139—140.

LIU Ge-ping, YANG Cheng-gang, KE Li-ming. Study on Microstructure and Mechanical Properties of Friction Stir Welded Joint of LY12 Aluminum Alloy[J]. Hot Working Technology, 2010, 39(15): 139—140.

[16] 谢吉林, 尹立孟, 张体明, 等. 工艺参数对Al-Mg异种金属搅拌摩擦焊-钎焊复合焊接接头力学性能的影响[J]. 精密成形工程, 2019, 11(4): 147—152.

XIE Ji-lin, YIN Li-meng, ZHANG Ti-ming, et al. Effect of Welding Parameters on the Mechanical Properties of Friction Stir Welding-Brazing Hybrid Joints Between Al and Mg Dissimilar Alloys[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2019, 11(4): 147—152.

[17] 张超, 万子刚. 旋转速度与焊接速度对铝铜异种材料搅拌摩擦焊接头成形的影响[J]. 精密成形工程, 2020, 12(3): 154—159.

ZHANG Chao, WAN Zi-gang. Effects of Rotating Speed and Welding Speed on Forming of Friction Stir Welding Joint of Aluminum and Copper Dissimilar[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2020, 12(3): 154—159.

[18] 计鹏飞, 张津, 郑林, 等. 转速对7075-T651铝合金搅拌摩擦焊接件内部残余应力分布的影响[J]. 精密成形工程, 2016, 7(4): 8—15.

JI Peng-fei, ZHANG Jin, ZHENG Lin, et al. Effect of Rotation Speed on the Residual Stress Distribution of Friction Stir Welded AA7075-T651 Plates[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2016, 7(4): 8—15.

Non-Uniformity of Microstructure and Mechanical Properties of Friction Stir Welding Joints of 2219 Aluminum Alloy

XU Shi-wei1, LI Mao-lin1, ZHANG Ti-ming1, TANG Hua-wei2, YE Fu-qiang1, TANG Jian-lin1,ZENG Zhou1, ZHU Xing1

(1. School of Aeronautical Engineering, Nanchang Hangkong University, Nanchang 330063, China; 2. Shanghai Aerospace Equipments Manufacturer, Co., Ltd., Shanghai 200245, China)

The work aims to study the local mechanical properties of joints to provide theoretical guidance for the optimization of welding process in view of that the microstructure and mechanical properties of friction stir welding joints of 2219 aluminum alloy are generally not uniform due to the effects of welding heat and mechanical stirring. The microstructure and local mechanical properties of friction stir welding joints of 2219 aluminum alloy were characterized by means of microstructure analysis and digital image correlation (DIC) technique, and the model of local mechanical properties for each area of friction stir welding joints was established. The weak area of mechanical properties of 2219 aluminum alloy friction stir welding joint was thermal mechanical affected zone (TMAZ). Before the fracture of the sample, the local stress in TMAZ reached 345 MPa and the local strain was 18.9%, while the tensile strain in base metal was only 1.91%. The microstructure of the TMAZ is coarsened and softened under the effect of welding heat and mechanical stirring, resulting in the reduction of the mechanical properties, so TMAZ is the weak area of the welding joint.

2219 aluminum alloy; friction stir welding; welding joint; digital image correlation (DIC) technology; mechanical properties

10.3969/j.issn.1674-6457.2021.06.020

TG407

A

1674-6457(2021)06-0145-06

2021-03-30

上海航天基金（SAST2019-062）；江西省自然科学基金（20202BABL214031）；航空科学基金（2020Z048056002）；国家自然科学基金（52165049）

徐世伟（1999—），男，焊接技术与工程专业本科生。

张体明（1987—），男，博士，副教授，主要研究方向为材料连接及腐蚀防护。