LUO Yu-can, LU Yun-peng, LUO Zhen, DUAN Rui, LI Yang

0 引言

隨著航空工業(yè)的不斷發(fā)展， 對(duì)材料的疲勞和斷裂性能的要求越來越高，高純化是保證這些性能的有效措施。7075 鋁合金通過對(duì)鐵和硅等雜質(zhì)元素的控制，從而提高其疲勞和斷裂等性能，因此7075 鋁合金強(qiáng)度高、塑性好，廣泛用于航空領(lǐng)域，可制造各種類型飛機(jī)的主要受力構(gòu)件，如蒙皮、隔框、翼肋、翼梁、骨架等零部件[1～4]。對(duì)于這種高強(qiáng)度鋁合金薄板焊接,電阻點(diǎn)焊、沖壓鉚接、鉚接和自鉆孔緊固是迄今為止所采用的主要方法，對(duì)于連接強(qiáng)度要求高的地方一般都采用鉚接或點(diǎn)焊的方法。但鉚接的強(qiáng)度往往低于點(diǎn)焊。同時(shí)這種超硬鋁合金焊接性較差，焊接過程中易產(chǎn)生氣孔, 易變形, 熔池周圍形成陷坑, 影響焊接質(zhì)量[5]，這些都限制了7075 高強(qiáng)鋁合金的進(jìn)一步應(yīng)用。針對(duì)這種超硬鋁合金的焊接，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了大量研究，但大多集中在攪拌摩擦焊領(lǐng)域，對(duì)于傳統(tǒng)的點(diǎn)焊，鉚接等方法研究較少。本文擬對(duì)7075鋁合金薄板采用一種基于點(diǎn)焊基礎(chǔ)上改進(jìn)的新工藝方法進(jìn)行焊接，即先對(duì)7075鋁合金薄板用直徑3mm鋁鉚釘進(jìn)行鉚接，然后在鉚點(diǎn)處進(jìn)行點(diǎn)焊，并對(duì)其焊接接頭的力學(xué)性能和微觀組織進(jìn)行測(cè)試和分析，為類似7075鋁合金的超硬鋁合金的焊接提供一種新的思路和方法。

1 實(shí)驗(yàn)材料及過程

實(shí)驗(yàn)用材為T4 態(tài)7075 鋁合金薄板，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 7075鋁合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

其σb= 487MPa，σ0.2= 420MPa，δ=9.5%。焊接試件尺寸為100mm×30mm×1mm如圖1所示。首先對(duì)焊接試件進(jìn)行同板搭接鉚接，如圖2所示，其中搭接部分長(zhǎng)度為30mm。

圖1 焊接試件

圖2 搭接試件

所用鉚機(jī)為上海格路泊機(jī)械設(shè)備有限公司生產(chǎn)JZXM-10氣壓鉚機(jī)，鉚釘為直徑3mm5系列鋁鉚釘，預(yù)鉆孔直徑為3.2mm。對(duì)鋁合金表面進(jìn)行去氧化膜處理。采用DN-80點(diǎn)焊機(jī)進(jìn)行焊接，焊點(diǎn)位于鉚釘頭處，電極頭直徑6mm，覆蓋鉚釘頭。實(shí)驗(yàn)參數(shù)選取前期研究中測(cè)得的最佳參數(shù)，點(diǎn)焊電流1.6kA，焊接時(shí)間400ms，電極壓力0.2Mpa。焊接后試件如圖3所示。

圖3 焊后試件

拉伸試驗(yàn)機(jī)為長(zhǎng)春實(shí)驗(yàn)機(jī)研究所CSS-44100電子萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)，按GB/T 228-2002——《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》對(duì)試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。同時(shí)對(duì)鉚接試件和同參數(shù)點(diǎn)焊試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)作為對(duì)比。

對(duì)試件接頭進(jìn)行磨樣，拋光，腐蝕，采用OLYMPUS GX-51F金相顯微鏡觀察其微觀組織并拍照，同時(shí)對(duì)同參數(shù)點(diǎn)焊試件接頭也進(jìn)行金相制備并觀察作為對(duì)比。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 拉伸試驗(yàn)接頭靜強(qiáng)度分析

拉伸試驗(yàn)是靜強(qiáng)度分析中最基本的試驗(yàn)，也是研究板料連接接頭質(zhì)量最重要的試驗(yàn)項(xiàng)目之一。本文采用長(zhǎng)春實(shí)驗(yàn)機(jī)研究所CSS-44100電子萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)，測(cè)驗(yàn)速度為0.5mm/min，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)

三種連接方法，新工藝方法接頭能承受最大載荷為1350.30N,鉚接為662.50N,點(diǎn)焊為1050.00N。可以看出新工藝方法的接頭的抗拉強(qiáng)度明顯好于點(diǎn)焊和鉚接。鉚接都屬于機(jī)械連接、冷連接，整個(gè)過程沒有熱量交換，其連接質(zhì)量完全取決于機(jī)械自鎖強(qiáng)度大小和被鉚接材料性能，鋁硬度強(qiáng)度較低，因此用鋁釘鉚接的拉伸強(qiáng)度遠(yuǎn)低于點(diǎn)焊和新工藝方法。對(duì)于新工藝方法和點(diǎn)焊，高溫使得板材之間形成了近似原子間的結(jié)合，因此它們的強(qiáng)度遠(yuǎn)高于鉚接的強(qiáng)度。

2.2 接頭失效形態(tài)分析

圖4(a)、(b)、(c)分別對(duì)應(yīng)鉚接、點(diǎn)焊、新工藝方法接頭的拉伸失效圖。

圖4 接頭失效形態(tài)

圖4(a)中鉚接接頭松動(dòng)脫落，圖4(b)點(diǎn)焊接頭發(fā)生結(jié)合面斷裂，采用新工藝方法發(fā)生類似點(diǎn)焊紐扣斷裂的斷裂模式。鉚接由于靠材料冷塑性變形使板材結(jié)合，鋁由于強(qiáng)度較低，承受大載荷時(shí)易產(chǎn)生變形使得焊點(diǎn)松動(dòng)失效。點(diǎn)焊接頭出現(xiàn)結(jié)合面斷裂，主要是受到熔核內(nèi)結(jié)晶裂紋的影響，由于鋁的線膨脹系數(shù)大，在冷凝過程中易產(chǎn)生氣孔和裂紋，這也是鋁合金焊接中的一個(gè)難題。新工藝方法整個(gè)焊點(diǎn)從上板剝離出來，這是由于焊點(diǎn)處上下板主要是靠鉚釘與上下板的結(jié)合而連接的。因此在失效的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)整個(gè)焊點(diǎn)從一個(gè)板上剝離出來的形式。

2.3 焊接區(qū)域的微觀形貌觀察和分析

圖5(a)和(b)分別是點(diǎn)焊和新工藝方法的接頭金相試樣在體式顯微鏡下的宏觀形貌。

圖5 焊接頭體式顯微鏡照片

在點(diǎn)焊的熔核區(qū)域可以觀察到裂紋，同時(shí)新工藝方法的接頭熔核較小，這是由于上下鉚釘頭有1mm的厚度，焊接時(shí)中心區(qū)域的熱輸入較同參數(shù)下點(diǎn)焊的熱輸入小。同時(shí)鉚釘頭在焊接過程中會(huì)融化來補(bǔ)充鋁合金冷凝時(shí)由于體積收縮產(chǎn)生的氣孔和裂紋，因此在焊接區(qū)域觀察不到明顯的氣孔和裂紋。

圖6(a)、(b)、(c)分別是點(diǎn)焊接頭母材、熱影響區(qū)、熔核的微觀組織。

圖6 點(diǎn)焊接頭微觀組織

可以觀察到在母材區(qū)域，晶粒粗大，熱影響區(qū)晶粒較為細(xì)小，這是由于在焊接過程中這個(gè)區(qū)域發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，使得晶粒細(xì)化且大小比較均勻。在熔核區(qū)，溫度達(dá)到液相線，晶粒更為細(xì)小且大小均勻，但由于鋁的線膨脹系數(shù)大，在冷凝時(shí)體積收縮可達(dá)6.4%，因此在這個(gè)區(qū)域容易出現(xiàn)氣孔裂紋等，如圖5(a)中所示。點(diǎn)焊板材的連接主要是靠接頭熔核和熱影響區(qū)使上下板材之間產(chǎn)生原子間的結(jié)合，但由于鋁合金的熔核容易出現(xiàn)裂紋氣孔等缺陷，這些缺陷是連接的薄弱部分，斷裂往往從這些區(qū)域發(fā)生。

圖7(a)、(b)、(c)、(d)分別是新工藝方法焊接接頭母材，熱影響區(qū)，熔核，熱影響區(qū)與母材連接區(qū)域的微觀組織圖。

圖7 新工藝方法焊接接頭組織

新工藝方法的微觀組織同點(diǎn)焊接頭一樣，但由于其熔核較小，同時(shí)鉚釘可以提供足夠的填充物，因此其熔核區(qū)域觀察不到明顯的氣孔和裂紋。根據(jù)斷裂形式分析，我們認(rèn)為用新工藝方法焊接，鉚釘與上下板材之間形成連接，從而將兩塊板材連接到一起。鉚釘與板材之間的相互作用集中在熱影響區(qū)，通過觀察這個(gè)區(qū)域的組織，由于溫度達(dá)不到液相線，這個(gè)區(qū)域只發(fā)生再結(jié)晶，同時(shí)在電極壓力的作用下，鉚釘與板材之間形成了類似攪拌摩擦焊的固相連接機(jī)制，這個(gè)區(qū)域晶粒細(xì)小均勻，同時(shí)由于沒有像熔核區(qū)域一樣發(fā)生凝固過程，缺陷較少，因此采用新工藝方法焊接的接頭的強(qiáng)度要好于點(diǎn)焊接頭。

3 結(jié)論

通過對(duì)7075鋁合金薄板進(jìn)行點(diǎn)焊，鉚接以及新工藝方法即在鉚接之后于鉚釘處進(jìn)行點(diǎn)焊，對(duì)它們進(jìn)行拉伸測(cè)試，失效形式分析，宏觀觀察，微觀觀察我們得出以下結(jié)論：

1）采用新工藝方法進(jìn)行焊接的7075鋁合金薄板的拉伸強(qiáng)度高于同參數(shù)下焊接的點(diǎn)焊試件，同時(shí)它的強(qiáng)度是鉚接強(qiáng)度的兩倍。它的接頭斷裂模式類似于紐扣斷裂。

2）通過宏觀和微觀分析，我們認(rèn)為采用新工藝方法焊接的板材的連接機(jī)制是通過鉚釘與母材之間在電極壓力與熱能的綜合作用下形成固相連接從而連接上下板材。

3）通過對(duì)微觀組織分析，新工藝方法焊接接頭的焊接質(zhì)量較點(diǎn)焊好，沒有明顯的裂紋和氣孔，這也是它抗拉剪強(qiáng)度高的主要原因。

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