7N01铝合金搅拌摩擦焊接头组织与性能分析

7N01铝合金搅拌摩擦焊接头组织与性能分析

7N01铝合金搅拌摩擦焊接头组织与性能分析 王振苏1, 黄凌骄1, 柴 鹏1, 孟立春2 (1. 北京航空制造工程研究所 检测中心，北京 100024; 2. 中车青岛四方机车车辆股份有限公司,青岛 266111) 摘 要： 通过7N01铝合金板材上下板等厚全平面三层搭接搅拌摩擦焊焊接，试验不同长度的搅拌头对接头的影响. 结果表明,搅拌头的形状与长度直接影响力学性能的稳定性，结构为“锥形”右旋螺旋槽、搅拌头长度为16 mm时焊接接头的力学性能性对比较稳定而且较优. 通过对接头断面形貌及硬度进行分析，得出焊核和热力影响区的分界线在前进侧和后退侧明显不同，焊核区是受到热循环和机械作用影响最严重的区域，组织变化程度最大，是合金元素过度饱和区域，晶粒得以细化，材料力学性能得到进一步提高，形成“峰值”硬度. 关键词： 7N01铝合金;搅拌摩擦焊接;搅拌头;剪切性能;断面形貌 0 序 言 搅拌摩擦焊作为一种经济、高效、高质量的“绿色焊接工艺”受到全世界的广泛关注，与传统的焊接工艺相比具有无可比拟的优势，其生产成本低，接头性能好，安全性好[1]，已广泛应用于宇航制造工业、船舶制造工业、汽车、高速列车等制造业领域. 目前应用搅拌摩擦焊成功连接的材料有铝合金、镁合金、不锈钢、低碳钢等同种或异种材料[2] . 由此可知，随着焊接设备

的发展, 搅拌摩擦焊将应用于更多材料的连接. FSW焊接不需要焊前处理,可以焊接厚度1.2～50 mm,铝合金常用对接最优厚度达1.6～10 mm，特殊搭接厚度为1.2～6.4 mm，如果厚度达100 mm，则可以进行双面焊接[3]. 针对搅拌摩擦焊技术，众多研究者主要对有关铝合金搅拌摩擦焊的工艺、组织及力学性能进行了研究. 研究表明, 除焊接速度、搅拌头旋转速度和搅拌头轴肩压力影响搅拌摩擦焊焊缝质量外,搅拌头形状对于搅拌摩擦焊焊缝的形成起着非常重要的作用，搅拌针形状影响焊缝塑化金属流动的行为, 导致焊缝截面形貌发生变化[4]，而且搅拌针的长度对Al-Li合金搭接接头力学性能存在明显影响，当搅拌针长度从2.8 mm变为2.5 mm时，所有接头强度和塑性都有了大幅度提高[5]. Mahoney通过拉伸试验、断口分析及微观组织分析

7075-T651搅拌摩擦焊接接头的性能, 纵向和横向拉伸表明, 接头最脆弱的区域是离焊缝7～8 mm的HAZ，屈服强度降低45%,抗拉强度降低25%. 焊缝区的塑性和强度都会降低, 焊后热处理对铝合金不适用, 虽然可能提高强度，但会大大降低塑性, 这种现象与微观组织结构变化有关. 细小硬相夹杂物的减少和焊缝区的位错均可以导致低的接头强度[6]. 在轨道交通行业，随着列车速度的越来越高，对接头的强度要求会更高，文中针对《动车组枕梁中心板搅拌摩擦焊搭接形式工艺技术研究》项目，用几种不同长度搅拌针的搅拌头, 对

7N01铝合金进行了搅拌摩擦焊试验, 通过研究、分析试验结果, 确定动车组枕梁中心板搅拌摩擦焊搭接工艺, 旨在通过焊接接头的力学性能的稳定性选择合适的搅拌头长度，并且对接头的微观组织和显微硬度进行分析，研究其变化机理. 1 试验方法 试验材料为7N01铝合金，7N01铝合金属Al-Zn-Mg系列中等强度铝合金，具有优良的挤压性、焊接性、耐蚀性. 主要用于轨道列车车体的端面梁、车端缓冲器、底座、门槛、侧面构件骨架、车架枕梁等重要部分. 采用的板材规格为400 mm×150 mm×15 mm，热处理状态为固溶处理后自然时效. 母材的力学性能参数为抗拉强度400 MPa,规定塑性延伸强度RP0.2为260 MPa，表1为7N01铝合金主要合金元素的成分. 表1 7N01铝合金组成元素的化学成分(质量分数,%)

Table 1 Chemical compositions of alloy

7N01ZnMgFeCuMnCrSiTiZrAl3.6400.9100.1500.1200.4000.1500.0480.0300.110余量 所用设备分别为二维定梁龙门式搅拌摩擦焊接设备(型号：FSW-LM2-1020)、MG226型恒电位X射线探伤机、 71型显微硬度计，OLYMPUSBX41金相显微镜、WDW3100电子式万能材料试验机. 剪切试验部分参考国家标准GB/T2651-2008《焊接接头拉伸试验方法》和GB/T 228-2010《金属材料室温拉伸试验方法》. 2 试验结果 2.1 焊接接头剪切试验结果 焊接接头为15 mm与15

mm铝合金搭接接头，预选搅拌针长度分别为16，17，18 mm的外凸(偏角2.5°)“锥型”(锥角18°)螺旋槽+三平面搅拌头，采用上下板等厚全平面三层搭接焊接，搅拌头转速600,450 r/min，焊接速度分别为120,60 mm/min，焊接过程中压入量恒定为0.5 mm. 焊缝在铝板上分布如图1所示，试样加工尺寸如图2所示. 图1 焊缝位置分布及尺寸(mm)Fig.1 Position and size of weld zone 图2 剪切试样示意图(mm)Fig.2 Diagram of shear specimens 由于接头在实际状态下承受剪切应力，确定加工六组剪切试样检测剪切应力，第1,3,5组试样对应工艺参数为焊接速度120 r/min，搅拌头转速60 mm/min，第2,4,6组试样对应工艺参数为焊接速度60 r/min，搅拌头转速为450 mm/min，剪切试验结果如表2所示. 表2 剪切应力对比

Table 2 Contrast of shearing stress编号最大剪切应力τ/MPa平均剪切应力τ/MPa搅拌头长度

L/mm1-1253.151-2241.35265.14161-3300.002-1255.902-2303.62293.25162-3320.243-1334.173-2358.38334.31173-3310.384-1150.124-2151.43153.91174-3160.195-1124.815-2118.06125.02185-3132.196-1309.906-2367.96335.39186-3328.31 由表2可以看出，搅拌头长度为17和18 mm时，针对两种工艺参数，相同搅拌头长度所获得的焊缝抗剪切性能有较大差异，长度为17 mm时，焊接速度120 r/min，

搅拌头转速60 mm/min条件下焊接接头获得较高的剪切应力，而另一种工艺下得出的接头剪切应力较差，长度为18 mm时情况刚好相反；两种搅拌头的对应最高和最低平均值都相近，该两种尺寸搅拌头在给出的工艺参数组条件下进行焊接所获得焊缝性能不稳定，后续试验中相对较难寻找其最优工艺窗口；相对而言，搅拌头长度为16 mm时，两组工艺参数下的焊缝抗剪切应力相近，且明显优于另外两种搅拌头的最差数据组，说明在同样条件下，针对15 mm厚7N01铝合金搭接接头，16 mm长度搅拌头表现较为稳定，焊缝抗剪切性能相对较优. 2.2 焊接接头微观金相 对第2组试样的焊接接头微观组织进行研究，得到图3焊接接头微观金相图,从图中可以明显地看到，焊核和热力影响区的分界线在前进侧和后退侧是明显不同. 如图3b,c所示,在前进侧，焊核和热力影响区有明显分界线，并且热力影响区中的塑性流动痕迹也很清晰；而后退侧两个区域的分界线要模糊一些，有一个较宽的过渡区域. 出现这种情况的原因是在焊接过程中,随着搅拌头的不断前进，后退侧附近的材料会不断地随着搅拌头的外表面逆时针地流向搅拌头的后方；前进侧由于存在明显的楔形挤压和空腔作用，使得焊缝材料塑性流动方向与母材金属塑性流动方向相同或者相反,并且后退侧的材料与前进侧的材料在温度上也有差异，从而在前进侧热力影响区与焊核区之间存在很大的相对变形差和组织上的差异，进而在