白海青， 曹志峰， 王紅蓮， 王岳

(1.東營市特種設備檢驗研究院， 山東 東營 257092； 2.勝利油田興通建設工程有限責任公司， 山東 東營257200)

0 前言

當前在有色金屬材料中，鋁和鋁合金產(chǎn)量位居第二，僅次于鋼鐵，潛力巨大。鋁合金是工業(yè)中應用最廣泛的一類有色金屬結構材料，在航空航天、汽車、機械制造、船舶及化學工業(yè)中已大量應用[1]。7050鋁合金屬高強度可熱處理合金,具有極高的強度及抗剝落腐蝕和抗應力腐蝕斷裂的性能,已經(jīng)運用在飛機上多個重要部件。由于鋁合金比較活潑，表面容易氧化，導熱導電性好，線膨脹系數(shù)大，熔焊時容易產(chǎn)生氣孔、裂紋、咬邊等缺陷，對于大的結構件,釬焊、電阻焊、壓力焊等方法更是難以實施，對于7050鋁合金等熱處理強化的高強度鋁合金，熔焊時液化裂紋傾向較大，被認為是傳統(tǒng)熔焊“不可焊”金屬[2-6]。因此，高強鋁合金的焊接技術成為該種合金在工業(yè)上推廣應用的最大阻礙，用固態(tài)焊取代熔化焊,以實現(xiàn)高強鋁合金的永久性連接成為一種可行的方法,也得到了研究者的共識。7050鋁合金的焊接必將成為未來的前沿課題。針對7050鋁合金FSW接頭，利用拉伸、疲勞分析手段對接頭性能進行試驗分析，利用金相、硬度、SEM分析手段研究接頭拉伸及疲勞斷裂特征，分析接頭斷裂影響因素。

1 試驗材料及方法

試驗材料選用厚度為6.5 mm的7050-T7451高強鋁合金試板，并對材料進行熱處理。首先對鋁合金試板進行477 ℃的固溶淬火處理后進行拉伸，消除冷加工過程中產(chǎn)生的應力，同時使合金發(fā)生再結晶，改善其塑韌性，而后進行人工過時效處理，使合金耐腐蝕性得到一定程度的提高，獲得良好的綜合性能，7050-T7451鋁合金的化學成分見表1。

表1 7050-T7451鋁合金化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

2 試驗結果及分析

2.1 焊縫成形

圖1所示為7050-T7451鋁合金攪拌摩擦焊焊縫表面形貌，在轉速為500 r/min，焊接速度為150 mm/min，軸間直徑為15 mm，攪拌針長度為6.5 mm，下壓量為0.1 mm的情況下，厚度為6.5 mm的7050-T7451鋁合金試板可單面一次成形，截取橫截面檢查焊縫內(nèi)部，并未發(fā)現(xiàn)氣孔、裂紋等缺陷，通過抗拉強度試驗發(fā)現(xiàn)，其抗拉強度可達到470 MPa,力學性能較好。同時，發(fā)現(xiàn)7050-T7451鋁合金經(jīng)過攪拌摩擦焊后，焊縫比較整潔，而且焊接后幾乎沒有變形。根據(jù)材料的流動性差異產(chǎn)生的不同區(qū)域，鋁合金攪拌摩擦焊接頭由4個區(qū)域組成，分別是母材區(qū)(Base metal, BM)、焊核區(qū)(Weld nugget zone，WNZ)、熱力影響區(qū)(Thermal-mechanical affected zone，TMAZ)和熱影響區(qū)(Heat affected zone，HAZ)。

2.2 焊縫表面金相組織分析

圖2為7050-T7451鋁合金攪拌摩擦焊焊縫表面金相組織結構，由于攪拌摩擦焊自身攪拌摩擦的特點以及不同區(qū)域材料流動性的差異，攪拌摩擦焊焊接接頭分區(qū)特點明顯，焊接接頭中心部分是焊核區(qū)，焊核區(qū)比較寬，焊核區(qū)兩側是熱力影響區(qū)，熱力影響區(qū)兩側是熱影響區(qū)，熱力影響區(qū)和熱影響區(qū)比較窄，最外側是母材區(qū)。由圖2a可以看出，焊核區(qū)組織與母材區(qū)相比，發(fā)生了巨大變化，母材區(qū)粗大的塊狀晶被焊核區(qū)均勻細小的等軸晶代替，晶粒間沒有明顯的位向關系，這是因為在焊接過程中焊核區(qū)發(fā)生了動態(tài)再結晶。焊接時，由于攪拌針與工件攪拌摩擦產(chǎn)生大量的熱，同時工件發(fā)生明顯塑性變形，位錯密度急劇增加，當儲能達到動態(tài)再結晶的條件時，焊核區(qū)發(fā)生動態(tài)再結晶，此時焊核區(qū)金屬內(nèi)不斷形成大量的晶核，但是由于鋁合金散熱快以及攪拌針的攪拌打碎作用，形成晶核來不及長大被打碎，因此形成均勻細小等軸晶[7-9]。圖2b為熱力影響區(qū)，從圖中可以看出，熱力影響區(qū)組織大小不均勻，相比母材組織，出現(xiàn)變形，與焊核區(qū)相比，晶粒明顯粗大，這是因為熱力影響區(qū)雖然距離攪拌針相對較遠，而且在熱循環(huán)的作用下，晶粒長大，由于儲能不夠，不能達到動態(tài)再結晶的條件，故沒有發(fā)生動態(tài)再結晶，力學性能不均勻。圖2c為熱影響區(qū),該區(qū)域組織粗大，但是與熱力影響區(qū)相比，組織較為均勻，晶粒沒有被拉長，出現(xiàn)彎曲變形，在熱循環(huán)的作用下，晶粒吸收來自熱力影響區(qū)的熱量，迅速長大，但是仍然保留了母材組織基本的特點，沒有出現(xiàn)明顯變形。圖 2d為母材區(qū)，母材組織未發(fā)生明顯變形，組織較為粗大，多呈塊狀，該區(qū)域遠離攪拌針的位置，并未明顯受到機械外力及熱循環(huán)的影響，保持著材料本身的力學性能。

2.3 焊縫截面金相組織分析

與7050-T7451攪拌摩擦焊焊接接頭表面金相組織相似，焊接接頭截面金相組織各區(qū)有顯著的特點[10]，圖3為焊縫截面金相組織。如圖3a所示，焊核區(qū)經(jīng)歷高溫熱循環(huán)，并且受到強烈的攪拌作用，發(fā)生了顯著的動態(tài)再結晶，7050-T7451鋁合金原始的較為粗大的塊狀晶組織被均勻細小的晶體代替，組織均勻化，晶粒間未出現(xiàn)明顯的位向關系。從圖3b中可以看出，熱力影響區(qū)的組織大小不均勻，與母材組織相比，出現(xiàn)變形，與焊核區(qū)相比，晶粒明顯粗大，但是與熱影響區(qū)相比，組織還是相對細小，有一定的細晶強化效果。而圖3焊縫截面組織的形狀反映出了攪拌摩擦焊過程中金屬隨攪拌針的旋轉而流動的特征。從圖3c和圖3d可以看出，熱影響區(qū)組織相比母材較為粗大，但未發(fā)生明顯的變形，沒有受到機械外力的作用，僅受到了熱循環(huán)的影響，所以沒有出現(xiàn)塑性變形[11]。而由這種焊接熱循環(huán)導致的組織粗大一定程度上影響了焊接接頭的性能，并會在材料表面的硬度上有所體現(xiàn)[12]。

2.4 硬度分布規(guī)律

試驗所用的儀器是DHV-1000型數(shù)字顯微硬度計，分別測試7050-T7451鋁合金的表面及側面不同區(qū)域的硬度,如圖4和圖5所示。由圖4和圖5可知，焊縫截面的硬度分布是有一定的規(guī)律的，即熱影響區(qū)的硬度比較低，熱力影響區(qū)的硬度比母材區(qū)的低20～25 HV,比熱影響區(qū)的高20～30 HV，整體呈“高-低-高-低-高” 對稱型規(guī)律分布，而在攪拌摩擦焊的焊接過程中，焊核區(qū)組織發(fā)生了動態(tài)再結晶，組織結構均勻，晶粒細化，起到了細晶強化的作用，故焊核區(qū)的硬度最高。

2.5 攪拌摩擦焊的疲勞斷裂分析

采用攪拌摩擦焊方式進行焊接時，焊后的力學性能有很大變化，這是因為熱輸入不均勻、熱量散發(fā)不均勻所造成的，故只取中間部分作為試驗取材范圍[13]。經(jīng)攪拌摩擦焊后，試樣上表面會有“起皮”和“飛邊”現(xiàn)象產(chǎn)生，可能成為潛在的裂紋源，因為它會導致微觀上的表面缺陷與宏觀上的應力集中，進而觀察不到微觀裂紋的形成機制[14]。因此要對試件表面進行打磨、拋光，保證試樣表面的粗糙度及紋理。

疲勞試驗前先進行抗拉試驗，分別進行3組拉伸試驗，獲取7050-T7451鋁合金攪拌摩擦焊接頭的屈服強度、抗拉強度及斷后伸長率，4號試樣為母材。具體數(shù)據(jù)如圖6和圖7所示。

由抗拉試驗結果可選取疲勞加載應力為300 MPa，250 MPa，200 MPa，采用10 kN高頻疲勞試驗機進行疲勞試驗，疲勞試驗使用正弦波形，應力比R=0.1，疲勞試驗后得到的試樣如圖8所示。該次疲勞試驗對相同焊接參數(shù)的3組試樣進行了分析測試，施加3組不同方向的應力是試驗的變量，在該前提下，3組試樣全部斷裂，第1組和第3組試樣有相同的斷裂位置，都在焊核區(qū)斷裂，綜合分析試驗結果與數(shù)據(jù)，充分表明疲勞裂紋大多起于焊縫位置，然后擴散到焊縫表面斷裂，這是因為攪拌摩擦焊縫金屬厚度比母材的厚度略小的原因，同時，當焊接參數(shù)不合適時，可能在根部產(chǎn)生缺陷，這將會極大的影響焊接接頭的疲勞力學性能，另外焊縫表面留下的凸臺和表面劃傷造成應力集中也是導致焊縫中心發(fā)生斷裂的因素。

圖9為圖8試樣1-1的疲勞斷口SEM圖，其疲勞斷裂位置在前進側熱影響區(qū)，疲勞加載應力為200 MPa，由于其疲勞加載應力較低，疲勞循環(huán)次數(shù)較長。從圖9a中可以看到疲勞源，疲勞斷口比較粗糙并且觀察不到疲勞輝紋，斷口非常粗糙的原因可能是由于疲勞加載應力較低，疲勞裂紋的擴展速度慢，率先斷裂的位置不斷開合發(fā)生摩擦所致，而疲勞輝紋通常是在疲勞加載應力水平大于材料的疲勞強度極限的情況下出現(xiàn)，此疲勞加載應力為200 MPa，沒有達到鋁合金的疲勞極限，因此觀察不到明顯的疲勞輝紋。從圖9b、圖9c、圖9d中可以看到斷裂形式為韌性斷裂的韌窩，韌窩有大有小，且分布非常密集。

圖10為圖8試樣1-3的疲勞斷口SEM圖，其疲勞斷裂位置在焊核區(qū)，疲勞加載應力為250 MPa，與鋁合金的疲勞強度大致相當。從圖10a中可以看到焊核區(qū)的疲勞斷口較為平整，從圖10b和圖10c中可以觀察到焊核區(qū)經(jīng)過攪拌摩擦焊后的晶粒非常細小，其接頭的斷裂形式為沿晶斷裂。從圖10c中能夠看到疲勞輝紋，但是不夠明顯，從圖10d中看到體積較大的第二相顆粒，第二相顆粒的存在能夠阻礙位錯的運動，提高焊接接頭的強度。同時也能看到許多小而淺、排列密集的韌窩，但看不到明顯的纖維區(qū)，斷裂方式為韌性斷裂。

圖11為試樣1-2的疲勞斷口SEM圖，其斷裂位置在母材區(qū)，疲勞加載應力為300 MPa。從圖11a中可以看到斷口表面非常平整，疲勞源區(qū)氧化嚴重呈現(xiàn)深灰色，圖11b中看到明顯的疲勞輝紋，疲勞輝紋垂直于裂紋擴展方向，圖11c中可以觀察到大量的疲勞臺階和輪胎花樣，表現(xiàn)為一種準解理的斷裂形態(tài)。輪胎花樣是疲勞循環(huán)過程中率先斷裂的斷口表面上的顆粒之相匹配的斷裂面進行撞擊形成的，由于應力水平較大，圖中也沒有觀察到任何韌性斷裂的特征，更多的表現(xiàn)為一種瞬斷的狀態(tài)，因此斷裂形式為脆性斷裂。

3 結論

(1)通過研究發(fā)現(xiàn)，7050-T7451鋁合金攪拌摩擦焊焊接接頭成形良好，截面不存在明顯的焊接缺陷。通過抗拉強度試驗發(fā)現(xiàn)，7050-T7451高強鋁合金攪拌摩擦焊焊接接頭的抗拉強度可達470 MPa左右，力學性能較好。同時，母材區(qū)、焊核區(qū)、熱力影響區(qū)和熱影響區(qū)顯著分區(qū)是由于攪拌摩擦焊的特點和材料的流動性差異造成的。

(2)通過硬度分析測試，發(fā)現(xiàn)熱影響區(qū)的硬度比較低，熱力影響區(qū)的硬度比母材區(qū)的低20～25 HV,比熱影響區(qū)的高20～30 HV，整體呈“高-低-高-低-高”型規(guī)律分布，焊核區(qū)硬度最高是因為在攪拌摩擦焊的焊接過程中，發(fā)生了動態(tài)再結晶，組織結構均勻，晶粒細化，起到了細晶強化的作用。

(3)通過疲勞試驗分析，7050-T7451鋁合金FSW接頭的疲勞類型為低周疲勞，應力水平為200 MPa時，試樣在前進側熱影響區(qū)發(fā)生斷裂，斷口的表面較為粗糙，觀察不到疲勞輝紋，但可以看到密集分布著許多直徑較大，較深的韌窩，其斷裂方式為韌性斷裂。應力水平為250 MPa時，試樣在焊核區(qū)發(fā)生斷裂，斷口的表面較為平整，焊核區(qū)的晶粒十分細小并且能夠看到直徑較大的第二相粒子，韌窩分布密集，直徑較小，深度較淺，斷裂方式為韌性斷裂。應力水平為300 MPa時，試樣在母材處發(fā)生斷裂，斷口表面十分平整，疲勞源區(qū)由于保護不好發(fā)生了氧化呈深灰色，能夠觀察到數(shù)量較多的疲勞輝紋以及疲勞臺階和輪胎花樣，表現(xiàn)為一種準解理的斷裂形式，斷裂方式為脆性斷裂。