2A12铝合金摩擦焊接头组织及冲击韧性

2A12铝合金摩擦焊接头组织及冲击韧性
杨峰;夏晓雷;陆兴华
【摘要】通过摩擦焊技术实现2A12铝合金棒材的连接,采用热电偶法测试焊接界面温度,分析了摩擦压力对接头组织和冲击韧性的影响.结果表明:焊接过程中,焊核区温度达到496℃,发生了动态再结晶,形成细小的等轴晶.随摩擦压力升高,焊核区宽度由726 μm减小到418μm,而冲击韧性值由39.04 kJ/m2逐渐增大到
158.18kJ/m2.当摩擦压力高于70 MPa时,断裂方式转变为韧性断裂.
【期刊名称】《轻合金加工技术》
【年(卷),期】2019(047)008
【总页数】5页(P40-43,47)
【关键词】2A12铝合金;摩擦焊接;冲击韧性;摩擦压力
【作者】杨峰;夏晓雷;陆兴华
【作者单位】徐州工程学院机电工程学院,江苏徐州221018;中国矿业大学机电学院,江苏徐州221116;徐州工程学院机电工程学院,江苏徐州221018;徐州工程学院机电工程学院,江苏徐州221018
【正文语种】中文
【中图分类】TG146.21
摩擦焊接技术是利用材料接触面相对运动产生摩擦热及塑性变形，通过界面再结晶的冶金反应，实现了难焊接金属或焊接性相差很大的异种材质之间的连接[1-3]。

摩擦压力是摩擦焊接过程中重要工艺参数，直接影响焊接过程中的界面温度及其焊接质量，但目前关于摩擦压力对铝合金焊接界面温度及焊后性能评价文献报道相对较少[4-5]。

本项目以2A12铝合金为研究对象，研究了摩擦压力变化对焊合区界面温度及接头冲击韧性的影响，并深入分析了摩擦压力与界面温度之间的联系，探讨了接头焊合区组织对对其韧性的影响。

1 试验过程
试验材料为直径Φ20 mm的2A12-T6铝合金棒材，其化学成分如表1所示。

焊接过程在C20连续驱动型摩擦焊机上进行。

本试验选用工艺参数为：摩擦转速1 800 r/min，摩擦压力20 MPa～85 MPa，顶锻压力100 MPa。

采用K型热电偶配合温度记录仪进行界面温度测量，热电偶直径为Φ1 mm，在距离摩擦焊合端面5 mm位置处开设Φ1.5 mm小孔，孔深10 mm，温度测试过程如图1所示。

表1 2A12 铝合金棒材的化学成分(质量分数/%)Table 1 Chemical composition of 2A12 aluminum alloy bar
(wt/%)CuMgMnTiFeSiZnAl3.921.480.520.040.240.160.04余量
焊后接头采用线切割方式沿轴向剖切，其截面经砂纸打磨、抛光处理后用Keller 试剂(2 mL硝酸+4 mL盐酸+4 mL氢氟酸+100 mL水)进行腐蚀，采用Olympus GX51光学显微镜对横截面组织进行分析；采用MTS-ZBC2000型冲击试验机测试焊后接头冲击韧性，坡口开设在焊合区界面位置，测试过程参照国际GB/T 229-2007，相同条件下进行3组试验，测试平均值作为测试结果。

采用FEI S50型扫描电镜观察冲击断口形貌，利用Rigaku Smartlab 型X射线衍射仪对其焊合区物相结构进行分析。

图1 摩擦焊接过程中界面温度测量示意图Fig.1 Schematic diagram of interface temperature measurement during friction welding
2 试验结果及讨论
2.1 接头显微组织及界面温度
不同摩擦压力条件下铝合金摩擦焊接头组织如图2所示。

接头由焊合区
WZ(Welded Zone)、热机影响区TMAZ(Thermal Mechanical Affected Zone)
和热影响区HAZ(Heat Affected Zone)组成。

焊合区界面平直、清晰，形成了良
好的冶金结合，在25 MPa压力条件下界面处出现氧化铝膜夹层结构，其他摩擦
压力条件下均未出现未焊合等焊接缺陷。

焊合区在强烈地摩擦、剪切作用下，晶粒严重的塑性变形使得动态再结晶驱动力和晶格畸变能增大，而再结晶晶粒的单位体积自由能则随之降低，因而产生大量的再结晶晶核，组织转变为细小等轴晶，平均粒径10 μm左右。

再结晶区宽度随着摩擦压力增大逐渐地减小，由40 MPa压力条件下的726 μm减小到85 MPa条件下的418 μm，如图3和图4所示。

而热
机影响区的金属则发生不同程度的塑性变形，靠近焊合区的晶粒发生了较大的变形，导致该区域组织中晶粒大小不均匀，且呈流线形分布。

图2 摩擦焊接界面微观组织Fig.2 Microstructure of friction welding interface 图3 2A12铝合金在不同摩擦压力下焊接头焊合区宽度变化Fig.3 Width changes of weld zones of 2A12 aluminum alloy joints under different friction pressures
图4 不同摩擦压力下试样焊合区宽度Fig.4 Weld zone widths of samples under different friction pressures
摩擦压力与摩擦焊接头表面温度变化曲线关系如图5所示。

假设焊接热源为一种
线性传播的连续分布的面状热源，暂不考虑向周围环境的散热过程，根据焊接热的计算公式[6]，其界面温度为：
T(t)=(qt)1/2/(λπC)1/2
(1)
式中：
T(t)—摩擦焊接表面温度；
t—摩擦加热的时间；
q—摩擦加热功率(焊接热源的功率)；
λ—材料的热导率；
C—材料的热容。

根据焊接加热功率可知：
q=(πnT)/30
(2)
式中：
q—摩擦加热功率；
T—摩擦转矩；
n—摩擦转速。

图5 不同摩擦压力下的摩擦界面温度Fig.5 Friction interface temperatures under different friction pressures
摩擦加热功率主要由转矩和转速决定，在摩擦转速保持不变的情况下，随转矩的增加，摩擦加热功率和表面温度亦相应增加，摩擦转矩主要取决于摩擦压力和摩擦因数，且与摩擦压力成正比。

当摩擦压力增大，焊合区界面升温速度越快。

从焊接热输入方面分析，摩擦压力越大，完成焊接所需要时间越短，接头摩擦界面金属温度迅速升高，成为粘塑性金属温度越高，表现出的流动性更好，在摩擦压力下挤出的粘塑性金属量更多，摩擦压力与界面温度呈现出反比关系，测试结果与张传臣等人在不同摩擦压力下对钛合金线性摩擦焊接过程的结果相一致[7]。

2.2 冲击韧性及断口形貌
接头冲击功Akv及冲击韧性值akv均随摩擦压力增加而逐渐升高，当摩擦压力在85 MPa，冲击功Akv及冲击韧性值akv分别达到最大值12.65 J和158.18
kJ/m2，如表2所示。

不同摩擦压力下的冲击断口形貌如图6所示。

图6 不同摩擦压力下的断口形貌Fig.6 Friction fracture morphologies under different friction pressures表2 不同摩擦压力摩擦焊接头冲击功及冲击韧性Table 2 Impact energy and impact toughness of friction welded joints with different friction pressures
摩擦压力/MPa摆锤角度/( °)摆锤能量/J冲击功AkV/J冲击韧性akV/(kJ·m-
2)25150.71503.1239.0440150.71506.4580.6255150.71508.35104.3270150.7 15011.39142.4085150.715012.65158.18
由图6可见，25 MPa摩擦压力下的断口较为平直，且存在明显端面摩擦痕迹，几乎不存在纤维区和剪切唇，断裂方式以脆性断裂为主。

当焊接压力在40 MPa～
55 MPa时，纤维区占整个断口的比例较大，断口左半部分较为平整，右半部分较为凹凸不平，其断裂方式以解理态断裂特征处于主导地位，局部存在塑性变形的韧窝特征；当焊接压力大于70 MPa，断面凹凸不平，纤维区及剪切唇所占比例较大，剪切唇部分呈暗灰色，呈现出韧性断裂特征。

由图7b可见，试样断口分布着大量的韧窝，且具备典型穿晶断裂特征，在韧窝底部有颗粒状的析出相。

图7 冲击断口SEM形貌Fig.7 SEM morphologies of impact fractures
结合扫描电镜能谱的成分测试结果分析发现，试样断口的韧窝中颗粒物由Al、Mg、Cu元素构成，图8为不同摩擦力下试样焊合区XRD谱，焊后接头还有出现了S
相(Al2CuMg)的衍射峰，表明焊接热作用可导致S相(Al2CuMg)的形成。

S相是
2×××系铝合金焊接过程中形成的一种半共格型沉淀相，可导致晶格畸变，使得合金强化，同时弥散细化的S相亦可以有效钉扎位错，文献报道相关2×××系铝合
金材料抗冲击性的研究中也曾有过类似的发现[8-9]。

图8 不同压力下焊合区XRD图谱Fig.8 XRD patterns of weld zone at different pressures
冲击韧性显著升高与焊合区的细小等轴晶组织密切相关，随着摩擦压力增加，合金中析出的S相的含量增加且尺寸增大，在基体中弥散分布。

S相质点极有可能是材料冲击过程中的裂纹源所在处。

根据断裂理论，弥散分布的S相质点对裂纹扩展
起到阻碍作用，当裂纹扩展时，这种弥散分布状态不仅迫使裂纹扩展时需要多次改变方向，或是不断地穿越两者之间的界面，因为界面的强度更高，故消耗更多能量，使得韧性升高[10-11]。

3 结论
1) 2A12铝合金摩擦焊接头由焊合区和变形区构成，焊合区发生了动态再结晶，形成细小等轴晶组织，焊合区宽度随摩擦压力增加而减小。

2)随摩擦压力增大，焊合区的冲击韧性值不断提高，在85 MPa条件下，冲击韧
性达到158.18 kJ/m2，其断口呈现韧性断裂特征，其中弥散分布的Al2CuMg相质点对裂纹扩展起到阻碍作用，使其冲击韧性明显升高。

【相关文献】
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