2A14铝合金双轴肩搅拌摩擦焊特征及接头组织性能分析

第36卷第12期2015年12月焊接学报TＲANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTIONVol．36No．12December2015收稿日期：2014－03－18基金项目：国家科技重大专项“大型薄壁高精度搅拌摩擦焊设备技术研究”资助项目（2010ZX04007-011）2A14-T6铝合金双轴肩搅拌摩擦焊特征及接头组织性能分析张会杰，王敏，张骁，张景宝（中国科学院沈阳自动化研究所机器人学国家重点实验室，沈阳110016）摘要：成功实现了2A14-T6高强铝合金的双轴肩搅拌摩擦焊，获得了表面成形良好，无内部缺陷的优质接头．试验发现，在焊缝的焊核内存在一个由上、下轴肩和搅拌针所驱动的材料塑性流动交汇区，该交汇区靠近焊缝下表面．微观分析表明，焊核上部的晶粒尺寸要小于其中部和下部的晶粒尺寸．焊缝各区的块状第二相在焊接中发生了溶解和粗化，导致接头内出现了宽度近乎轴肩直径二倍的软化区；焊缝各层硬度分布接近，没有出现常规搅拌摩擦焊中常见的接头各层异性现象．经拉伸测试证实，双轴肩焊接接头的强度系数达到了71%，拉伸时断在了焊核内的材料流动交汇区处．关键词：高强铝合金；双轴肩搅拌摩擦焊；焊缝成形；微观组织；力学性能中图分类号：TG 456．9文献标识码：A文章编号：0253－360X （2015）12－0065－040序言常规情况下搅拌摩擦焊（friction stir welding ，FSW ）是一种单轴肩的焊接方法，也就是所用焊具仅具有一个轴肩，焊接中该轴肩需对被焊材料施加较大的轴向力来保证焊缝成形，因而需要在工件背部放置刚性垫板，以起到顶锻支撑的作用．这一特征使得传统单轴肩FSW 技术难以应用于中空金属结构或其它具有复杂形状的结构件的连接；其次，常规FSW 工艺容易在焊缝根部产生弱结合缺陷，从而降低了服役结构件的使用可靠性．为了解决常规FSW 技术现有的不足之处，一种被称之为双轴肩FSW 的技术应运而生．与常规FSW 相比，该技术所用焊具具有上、下两个轴肩，下轴肩不仅能够摩擦产热，还能起到常规FSW 中背部垫板的作用，使得焊具具有自支撑的特征．这一特征避免了焊接中刚性垫板的使用，因而该技术能够被用于中空结构件的焊接；而搅拌针对工件的完全贯穿以及下轴肩的摩擦搅拌作用也使该技术彻底消除了常规FSW 中容易出现的根部弱结合缺陷，极大的提高了构件的使用可靠性．高强铝合金广泛应用于航空、航天等诸多领域，因而国外就高强铝合金的双轴肩FSW 技术已经开展了大量的研究工作，成功实现了2．5和3．5mm 厚2139，2198，2199铝合金［1］、4mm 厚2024-T3铝合金、8mm 厚2219-T87铝合金、15mm 厚7449铝合金［2］等材料的双轴肩搅拌摩擦焊．与国外相比国内目前针对高强铝合金双轴肩FSW 技术的研究还很少，仅有少量关于2219铝合金双轴肩FSW 工艺的研究报道［3，4］．要促进双轴肩FSW 技术在中国航空航天制造业的应用，还需开展大量的研究工作．2A14-T6铝合金是一种铝铜系高强铝合金，具有高强度、高韧性的优点，国内外已将其确定为新一代航天结构材料而加以重点研究．鉴于其重要的航天应用前景，研究这一材料的双轴肩FSW 工艺对于促进中国航天制造业的发展将具有重要意义．目前国内虽然已有关于这一材料单轴肩FSW 的研究报道［5］，但就其双轴肩FSW 的研究，仍处于探索阶段．根本原因在于2A14-T6铝合金的强度、硬度高，对其实施双轴肩焊接具有很大的难度．为了攻克这一技术难题，文中选择这一典型高强铝合金为研究对象，对其进行双轴肩FSW 试验研究．通过分析焊缝成形、接头微观组织及力学性能，来阐明2A14-T6铝合金的双轴肩FSW 工艺特征．1试验方法试验所用被焊材料为150mm ˑ75mm ˑ6mm尺寸规格的T6态2A14铝合金板，其化学成分和力学性能如表1和表2所示．图1为试验材料的微观66焊接学报第36卷组织．原始的2A14-T6铝合金母材组织为粗大的板条状晶粒结构（图1a ），且在晶界和晶内均匀分布着块状第二相（图1b ），对该第二相进行能谱分析，发现其主要微量元素Al ，Cu ，Mg 和Si 的原子含量百分比分别为66．22%，32．23%，1．07%和0．48%，表明块状第二相实质上是沉淀相Al 2Cu 的聚集体，它对基体具有一定的强化作用．表12A14铝合金化学成分（质量分数，%）Table 1Chemical compositions of 2A14aluminum alloyCuSiMnMgZn Ti NiAl3．9 4．80．6 1．20．4 1．00．4 0．80．30．150．1余量表22A14铝合金力学性能Table 2Mechanical properties of 2A14aluminum alloy抗拉强度Ｒm /MPa断后伸长率A （%）维氏硬度H （HV ）46012150160图1母材原始组织Fig.1Initial microstructures of base metal焊接所用双轴肩焊具的轴肩为平面带螺旋槽结构，搅拌针为柱状结构．焊具的上、下轴肩直径均为16mm ，轴肩间距为5．86mm ，搅拌针直径为8mm．焊接过程在一台高精度数控搅拌摩擦焊专用机床上完成．焊接中焊具转速为400r /min ，焊接速度为75mm /min ，焊具上、下轴肩对工件表面的压入量均为0．07mm ，焊具倾角为0ʎ．焊后沿垂直于焊接方向截取接头横截面，经粗磨、精磨和抛光处理后，用混合酸溶液（3mL 硝酸+6mL 盐酸+6mL 氢氟酸+150mL 水）对试样进行腐蚀，并用光学显微镜（OM ）和扫描电镜（SEM ）来分析接头内部成形及各区微观组织．在抛光试样横截面上，采用显微硬度计分别对接头的上层、中层和下层进行维氏硬度测试，测试位置距离焊缝上表面分别为1，3和5mm．按照国家标准GB /T2651—2008《焊接接头拉伸测试方法》，采用电火花数控线切割机将接头切成标准试样，在力学性能试验机上进行常温拉伸测试，并以3个试样的平均值作为接头性能的评定结果，而后采用上述的扫描电镜来分析接头的拉伸断裂特征．2试验结果及分析2．1焊缝成形特征图2为双轴肩FSW 焊缝的表面成形情况．需注意的是文中将由上轴肩形成的焊缝表面称为焊缝上表面，而将由下轴肩形成的焊缝表面称为焊缝下表面．可见所得焊缝的上、下表面均光滑平整，弧形纹均匀致密，几乎没有出现飞边缺陷，这些都显示出双轴肩焊缝良好的成形特征．图2焊缝表面成形Fig.2Weld surface formation图3给出了焊缝内部成形情况．可见焊缝内部的成形也十分良好，没有出现焊接缺陷，表明研究已成功实现了2A14-T6高强铝合金的双轴肩搅拌摩擦焊，从而促进了国内在这一技术领域的发展．图3焊缝横截面Fig.3Cross section of weld与常规FSW 类似，根据所受热力作用程度差异，焊接接头可分为焊核区（weld nugget zone ，WNZ ）、热力影响区（thermal-mechanically affected zone ，TMAZ ）、热影响区（heat affected zone ，HAZ ）和母材等几部分．WNZ 大体上呈现出了上、下宽而中间窄的几何形状特征，表明焊缝在厚度方向上经历了不同程度的塑性变形．此外还发现，在焊缝内部存在一个材料流动紊乱区域，如图3a 中箭头所示．实际上该区域是一个材料塑性流动交汇区，具体是由上轴肩驱动下的材料塑性流动Ⅰ、搅拌针驱动下第12期张会杰，等：2A14-T6铝合金双轴肩搅拌摩擦焊特征及接头组织性能分析67的材料塑性流动Ⅱ和下轴肩驱动下的材料塑性流动Ⅲ交汇而成（图3b ）．双轴肩FSW 过程中，上、下轴肩同时带动与之接触的塑性材料高速旋转，并对其施加轴向压力，致使变形材料发生了沿板厚方向的塑性流动．而搅拌针周围的剪切变形层也在其旋转带动下发生着环向流动，这部分流动在焊缝前进侧的WNZ /TMAZ 界面处与轴肩驱动的材料流动发生汇聚，从而形成了上述的材料塑性流动交汇区．由于材料自身重力作用，交汇区形成于靠近焊缝下表面的位置，如图3a 所示．2．2各区微观组织演变图4分别给出了与图3中所标各区对应的晶粒组织形貌．双轴肩FSW 中，在焊具强烈的热力作用下，WNZ 晶粒已由母材原始的粗大板条状组织转变为细小的等轴状动态再结晶组织（图4a 图4c ）．对比发现WNZ 上部的晶粒尺寸要小于其中部和下部的晶粒尺寸．这是因为在双轴肩焊接中，焊具的上、下轴肩同时对工件施加热输入，由于不存在金属垫板，焊缝背部处于悬空状态，与空气的对流散热作用有限，导致焊缝中部和下部的热积累程度较高，WNZ 组织也较为粗大；比较而言，焊缝上部的材料可以经由焊具向焊接设备散失掉一定热量，从而降低了该处的热积累程度，WNZ 晶粒尺寸也就相对细小．图4焊缝各区晶粒组织Fig.4Grain structures in different zones of weld与常规FSW 时的情况类似，TMAZ 的晶粒发生了拉长变形，且焊缝前进侧的TMAZ /WNZ 的组织界面比后退侧的更加清晰（图4d ，e ）．HAZ 晶粒的尺寸和形态都与母材类似（图1a 和图4f ），说明其所经历的焊接热作用还不足以引起该区域的晶界迁移．图5反映出了焊缝各区的第二相分布特征．除了晶粒组织的变化以外，焊缝各区的块状第二相的分布特征也在焊接热机作用下发生了一系列的变化．对比母材可知（图1b ），WNZ 内块状第二相的分布密度降低，尺寸减小（图5a ），说明其内部发生了第二相的溶解过程．焊接中WNZ 获得热输入最高，且焊具搅拌作用也最剧烈，这些因素都有利于促进第二相向基体内的溶解．与母材相比，TMAZ 和HAZ 内块状第二相的尺寸变大，且呈现出大块聚集态的分布特征（图5b ，c ），说明其内部经历了第二相的粗化过程．第二相粗化是一个小尺寸相溶解而大尺寸相长大的过程，这就导致第二相在粗化的同时，其分布均匀度也有所降低．图5焊缝各区第二相分布Fig.5Distributions of second phase in different zones ofweld2．3接头力学性能图6给出了接头维氏硬度测试结果．可以看出，接头硬度呈现出高强铝合金FSW 接头常见的“W ”形分布特征．焊缝HAZ ，TMAZ 和WNZ 的维氏硬度值低于母材，致使在接头内出现了一个由这3个区域所组成的软化区．该软化区的宽度（ 35mm ）接近轴肩直径（16mm ）的2倍，表明在双轴肩FSW 中，焊具周围较大区域的组织均受到了焊接热循环的影响．接头最低维氏硬度值出现在焊缝两侧TMAZ 和HAZ 的界面附近，这一点和高强铝合金的常规FSW 接头的维氏硬度分布特征是一致的．图6接头维氏硬度分布Fig.6Vickers hardness distributions of joint第二相是决定高强铝合金力学性能的最主要因素，因此FSW 接头中软化区的出现，是由基体第二相受热循环作用而发生粗化和溶解导致的（图5）．第二相的粗化和溶解会破坏沉淀相Al 2Cu 与基体之间的共格（或半共格）关系，进而降低其对基体的强化效果，导致焊缝硬度的降低和接头软化区的出现．从母材到HAZ ，焊接热作用逐渐增强，第二相粗化程度提高，硬度值也就逐渐降低；而在TMAZ 和WNZ ，虽然第二相粗化和溶解的程度会进一步增大，但是细晶强化和形变强化对这两个区域的性能起到了一定的补偿作用，使其硬度值有所升高．另外需注意的是双轴肩FSW 接头的各层硬度分布没有呈现出明显的差别，说明接头各层力学性能相当，这有别于以往常规FSW 接头所表现出的各层异性［6，7］．在张建等人［3］、赵衍华等人［4］、董继红等人［8］的研究中也发现了类似的现象．焊接中焊具上、下轴肩对被焊工件所施加的关于工件中截面近乎对称的热力作用是导致这一现象的本质所在．表3给出了接头的拉伸测试结果．可见，3个拉伸试样的性能测试结果比较接近，在所选工艺参数下，双轴肩FSW 接头的抗拉强度达到了326MPa ，占母材强度的71%，但拉伸中接头所体现出的整体塑性变形能力较弱，断后伸长率仅为母材的37%．表3接头拉伸测试结果Table 3Tensile test result of joint试样抗拉强度Ｒm /MPa断后伸长率A （%）13335．223213．733254．4平均3264．4图7为拉伸试样的断裂位置，其中每一个拉断试样的左侧为焊缝后退侧，右侧为焊缝前进侧．可见三个拉伸试样均断在了焊缝前进侧，斜断口面与图7接头拉伸断裂位置Fig.7Tensile fracture locations of joint拉伸方向呈近45ʎ角．结合图3a 和图7可以看出，断裂路径穿过了焊缝前进侧的材料流动交汇区．三处方向不同的材料塑性流动在该位置交汇，引起了较大的应力集中，拉伸时微裂纹就容易在该处萌生扩展，并最终引起接头的断裂．3结论（1）成功实现了2A14-T6高强铝合金的双轴肩搅拌摩擦焊，获得了成形美观、无表面和内部缺陷的优质接头；同时发现在焊缝内存在一个由焊具上、下轴肩和搅拌针驱动的材料塑性流动交汇区，其位置靠近焊缝下表面．（2）微观分析表明，由于散热程度较高，WNZ 上部的晶粒尺寸小于其中部和下部的晶粒尺寸．与母材相比，焊缝各区的块状第二相在焊接中发生了向基体内的溶解和粗化的转变过程．（3）焊缝各区第二相的转变使得双轴肩FSW 接头内形成了一个宽度接近于轴肩直径二倍的软化区．接头各层力学性能接近，最低硬度值出现在焊缝两侧TMAZ 和HAZ 的界面附近．（4）接头抗拉强度达到了母材强度的71%，接头拉伸时易于断在位于焊缝前进侧的材料流动交汇区处，拉断面与拉伸方向呈近45ʎ角．参考文献：［1］Marie F ，Guerin B ，Deloison D ，et al ．Investigation on bobbin toolfriction stir welding of 2000series aluminum thin sheets ［C ］∥7th International Symposium on Friction Stir Welding ，Awaji Island ，Japan ，2008：20－22．［2］Marie F ，Alléhaux D ，Esmiller B ，et al．Development of the bob-bin tool technique on various aluminum alloys ［C ］∥5th Interna-tional Symposium on Friction Stir Welding ，Metz ，France ，2004：14－16．［3］张健，李光，李从卿，等．2219-T4铝合金双轴肩FSW 与常规FSW 接头性能对比研究［J ］．焊接，2008（11）：50－52．Zhang Jian ，Li Guang ，Li Congqing ，et al ．Comparison of joint properties of AA2219-T4between conventional FSW and bobbin-tool FSW ［J ］．Welding ＆Joining ，2008（11）：50－52．［4］赵衍华，李延民，郝云飞，等．2219铝合金双轴肩搅拌摩擦焊接头组织与性能分析［J ］．宇航材料工艺，2012（6）：70－75．Zhao Yanhua ，Li Yanmin ，Hao Yunfei ，et al ．Microstructure and mechanical properties of self-reacting friction stir welding of 2219aluminium alloy ［J ］．Aerospace Materials ＆Technology ，2012（6）：70－75．［5］邢丽，柯黎明，刘鸽平，等．铝合金LD10的搅拌摩擦焊组织及性能分析［J ］．焊接学报，2002，23（6）：55－58．［下转第104页］焊接所计算得到的总收缩量，这是因为进行分步焊接模拟时，这两个尺寸的在前几步均有比较明显的收缩，并且分步焊接在前几步中结构本身的约束相对于整体焊接结构本身的约束要小，结构相对于整体焊接时更易收缩；比较两种数值模拟方法在孔距x方向的变形可以发现，两种数值模拟方法得到的结果差别相对其它尺寸要小，这是因为影响孔距x 方向变形的步骤主要集中在第7步，而此时的约束性与采用整体同时焊接法的结构约束性没有差别，并且影响孔距x方向变形的焊缝也集中在翼座上；在弯曲绕度上的变形，整体同时焊接时，结构本身产生的约束影响更为明显，采用整体同时焊接所计算出的弯曲绕度只有实测值的49.6%，因此在需要考虑弯曲绕度时，必须采用分步焊接才能获得相对精确的数值．4结论（1）考虑焊接顺序的数值模拟方法与不考虑焊接顺序整体同时焊接的数值模拟方法在计算结果上有比较明显的差别，这是由于两种方法在结构自身的约束和不同顺序焊缝的影响导致．（2）考虑焊接顺序的数值模拟方法更接近结构实际建造情况，得出的预测结果比不考虑焊接顺序整体同时焊接的数值模拟方法计算出的结果更接近实测值．（3）Weld－Sta软件对于大型结构的焊接变形预测简单实用，为大型结构焊接时补偿量或收缩量的确定提供数据支持和理论指导．参考文献：［1］贺燏，许立勇，谷祥帅．大功率交流电机车枕梁簧座焊接工艺优化［J］．技术与市场，2013，20（2）：13－14，16．He Yu，Xu Liyong，Gu Xiangshuai．Welding techniques improvingto the spring pedestal of high-power AC electric locomotive［J］．Technology and Market，2013，20（2）：13－14，16．［2］Deng D，Murakawa H，Liang W．Numerical simulation of welding distortion in large structures［J］．Computer Methods in AppliedMechanics and Engineering，2007，196（4）：4613－4627．［3］Deng D，Liang W，Murakawa 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Elec-tronic and Information Engineering，South China University of Technology，Guangzhou510641，China）．pp56－60Abstract：Effect of nano-TiO2dopant on Cu6Sn5IMCgrain ripening growth in Sn-3．0Ag-0．5Cu-xTiO2solder joints during reflow process was investigated in this study．Flux-driven ripening（FDＲ）theoretical model is adopted to analyze theCu6Sn5IMC grain ripening growth mechanism．Ｒesults show thatnano-TiO2dopant could alter both the morphology and size ofCu6Sn5IMC grain．The size of Cu6Sn5IMC grain in TiO2-con-taing solder joints is smaller than that in TiO2-free solder joints，and the Cu6Sn5IMC grain in TiO2-containg solder joints is moreuniform and evenly distributed than those in TiO2-free solder joints．The FDＲtheoretical model was well consistent with theexperimental data．The growth exponents of Cu6Sn5IMC grain inSn-3．0Ag-0．5Cu-xTiO2solder joints are0．346，0．338，0．332，and0．342，respectively．This indicates that Cu6Sn5IMC graingrowth is controlled by atomic interdiffusion and grain maturity．Key words：Lead-free solder；TiO2nanoparticles；inter-metallic compound；grain ripening；reflow solderingEffects of loading frequency and welding defects on very-high-cycle fatigue properties of5A06aluminum alloy TIG welded joints DENG Caiyan，WANG Hong，GONG Baom-ing，WANG Dongpo（School of Materials Science and Engineer-ing，Tianjin University，Tianjin300072，China）．pp61－64 Abstract：Self-developed TJU-HJ-I ultrasonic fatigue test device and conventional fatigue test device were used to test the fatigue performance of5A06aluminum alloy TIG welded joints．The ultrasonic fatigue fracture morphology of specimen was ob-served by scanning electron microscope．The results revealed that5A06aluminum alloy flush welded joint did not show an in-fluence of cyclic frequency on lifetimes in the high cycle fatigue regime．And ultrasonic fatigue test results can be used to charac-terize the safety of long-term used mechanical structure．It was proved that if the location of the pore was with small depth from the surface，a small value of fatigue cycles would be got without considering the size of the pore．The inclusions in the weld intro-duced during the welding process were oxide．The oxide had large density and had effect on fatigue properties．Key words：welded joints；very-high-cycle fatigue；de-fectCharacteristics and joint microstructure-property analysis of bobbin tool friction stir welding of2A14-T6aluminum alloy ZHANG Huijie，WANG Min，ZHANG Xiao，ZHANG Jing-bao（State Key Laboratory ofＲobotics，Shenyang Institute of Au-tomation Chinese Academy of Sciences，Shenyang110016，Chi-na）．pp65－68，104Abstract：A2A14-T6aluminum alloy was successfully bobbin tool friction stir welded．The defect-free sound joint with good surface and inner formation was produced．It was found that a converging zone of material plastic flow，composed of upper-and lower-shoulder-driven flows as well as pin-driven flow，was formed at the lower part of weld nugget zone．Microstructural a-nalysis indicated that the grain size of the upper part was smaller than that of the middle and lower parts in the weld nugget zone．A softening region，whose width was approximately twice that of the shoulder diameter，was formed in the joint due to the coarse-ning and dissolution of the block-shaped second phases．The hardness distributions of the three layers of the joint were nearly the same，indicating that the heterogeneity of joint properties commonly occurred in conventional friction stir welding was not present in bobbin tool friction stir welding．The tensile test re-sults showed that the strength efficiency of the bobbin tool friction stir welded joint can reach71%．The joint was fractured through the converging zone of material flow in the weld nugget zone．Key words：high-strength aluminum alloy；bobbin tool friction stir welding；weld formation；microstructure；mechanical propertyEffect of external magnetic field on aluminum alloy resist-ance spot welds LI Yang1，YAO Qi1，ZHANG Yu1，LUO Zhen1，GUO Ke2，3（1．School of Materials Science and Engi-neering，Tianjin University，Tianjin300072，China；2．School of Chemical Engineering，University of Science and Technology，Anshan114051，China；3．Ｒesearch Institute of Mining Design of the AnSteel Group，Anshan114001，China）．pp69－72 Abstract：This paper systematically analysis the effect of external magnetic field（EMF）on the nugget size，mechanical properties，and microstructure of aluminum alloy resistance spot welds．The results showed that the nugget diameter，tensile shear force and energy absorption were increased under the help of EMF．Under different welding parameters，the nugget diameter can be increased by5% 25%，and the tensile shear force can be enhanced by10% 30%．The EMF can reduce the welding current，shorten the welding time，thereby improves the welding efficiency and reduce energy consumption．The EMF promoted the formation of equiaxed crystal and refined the grain size．Be-sides，the study also found that both small and larger welding current and short and long welding time will reduce the effect of EMF．Accordingly，in order to maximize the effect of the EMF on resistance spot welds，reasonable welding parameters should be carried out．Key words：resistance spot welding；external magnetic field；aluminum alloy；weld qualityMicrostructures and joining mechanism of vacuum brazing of SiO2f/SiO2composite to Mo alloy using Ag-Cu-In-Ti bra-zing fillers mechanism ZOU Wenjiang，CHEN Bo，LI Wenwen，XIONG Huaping（Welding and Plastic Forming Divi-sion，Beijing Institute of Aeronautical Materials，Beijing 100095，China）．pp73－76Abstract：Three kinds of Ag-Cu-In-Ti brazing filler weredesigned for joining of SiO2f/SiO2composite to Mo alloy．The brazing experiment was conducted at800ħfor10min under vacuum condition．The joint shear strengths were tested at ambi-ent temperature．The microstructures were observed under a scanning electron microscopy（SEM），and the reaction products were analyzed by EPMA，EDS and XＲD．The results show that the joints brazed with1#brazing filler offer the maximum shear strength of24．1MPa．Part of Ti element is enriched at interfa-cial reaction layer，the other part is distributed within the jointmatrix as Cu3Ti to enhance the joint．The mechanism of joiningⅣ。