Study on friction stir lap weld of 2A12-T4/7A09-T6 aluminum alloys
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摘要:
采用不同的搅拌摩擦焊工艺参数对1.2 mm 2A12-T4铝合金搭接4.0 mm 7A09-T6铝合金板材进行焊接试验，对焊后试样进行力学拉伸检测并对焊缝横截面进行微观组织观测. 结果表明，搅拌针从厚板插入薄板的接头力学性能高于从薄板插入厚板，当转速达到800 r/min、焊接速度达到400 mm/min时，焊接接头的抗拉伸载荷达到最高的17 kN，达到薄板2A12-T4铝合金母材的85%. 在焊接速度不变的情况下，随着转速的提升，焊缝横截面的界面曲线长度缩短，而界面长度曲线越短，接头力学性能越好. 试样断口全部出现在薄板一侧的焊缝起始端，断裂机制为混合断裂.
Abstract:The 1.2 mm 2A12 was friction stir lap welded with 4.0 mm 7A09 aluminum alloys in different welding parameters. Specimen were subjected to tensile testing and observed by metallographic. The results showed that tensile force of joint was higher when the thick plate up to the sheet one. The maximum tensile strength of 17 kN, account for 85% of parent metal, as rotation and welding speed set as 800 and 400 mm/min. Tensile force was increasing with reduce of interface boundary in intersecting surface of joint. All the fractures were appeared at the beginning of weld joint on sheet plate, showing mixed fracture.
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0. 序言
搅拌摩擦焊作为一种新兴的固相连接技术自问世以来，以其低能耗、低成本、焊接变形小和绿色环保等优势短时间内在航天飞行器、汽车制造、船舶工业及高铁车厢制造等领域得到广泛应用，特别是在以铝合金为代表的轻质合金连接方面，搅拌摩擦焊的技术优势明显[1-5].
搅拌摩擦焊技术虽然已经在航天领域得到应用，但是仅限于少部分元器件的生产，而飞行器主体部件，如典型蒙皮桁条结构的火箭外壳制造依然采用传统铆接或熔化焊接方式，原因在于该领域大量使用2xxx与7xxx系列的高强铝合金，而目前搅拌摩擦焊技术在高强铝合金蒙皮桁条典型结构生产中还没有实现大规模工业化应用，因此，有必要尽快开展相关的技术研究，为以后的高强铝合金的焊接制造提供理论依据[6-11].
1. 试验方法
试验材料选择厚度为1.2 mm 2A12-T4铝合金与4 mm 7A09-T6铝合金板材，两种材料化学成分如表1所示. 将两种板材裁成尺寸为140 mm × 40 mm试样进行搭接搅拌摩擦焊试验，焊接之前对试样进行打磨处理，去除其表面氧化层并清理干净. 焊接设备选择小二维型搅拌摩擦焊设备. 首先采用从薄板至厚板焊接方向(1.2 mm 2A12→4 mm 7A09)进行焊接试验，搅拌工具针长1.5 mm、轴肩直径8 mm，焊接参数选用不同转速与焊接速度组合，每组参数组合检测5个试样，取平均值；变换焊接方向(4 mm 7A09→1.2 mm 2A12)重复上述试验，搅拌工具针长4.5 mm、轴肩直径15 mm. 焊接参数范围与搅拌工具尺寸见表2.
表 1 试样材料化学成分(质量分数，%)Table 1. Chemical compositions of specimen材料 Si Fe Cu Mn Mg Ni Cr Zn Ti Al 2A12 0.119 0.253 4.467 0.569 1.583 0.006 — 0.045 0.035 余量 7A09 0.057 0.332 1.544 0.052 2.509 — 0.214 5.671 0.023 余量 表 2 焊接参数与搅拌工具尺寸Table 2. Weld parameters and size of tool焊接方向 转速n/(r·min−1) 焊接速度v/(mm·min−1) 搅拌针长度l/mm 轴肩直径d/mm 1.2 mm 2A12→4 mm 7A09 400 ~ 800 100 ~ 300 1.5 8 4 mm 7A09→1.2 mm 2A12 500 ~ 900 200 ~ 400 45 15 焊后试样按国家标准GB/T228.1—2010《金属材料拉伸试验 第一部分：室温试验方法》在5982电子万能材料试验机上进行拉伸试验，图1所示，每组试样沿焊缝横截面切取试样进行打磨、抛光、Keller试剂侵蚀处理后，利用Leica DMI5000M光学显微镜按照国家标准GB/T 13298—2015《金属显微组织检验方法》进行焊缝横截面组织金相观测. 力学检测之后的试样利用Philips X130扫描电镜对其断口进行扫描电镜检测.
2. 试验结果与分析
2.1 工艺参数对焊缝表面质量的影响
图2为不同工艺参数下焊缝表面形貌，当焊接速度固定在200 mm/min，随着转速的提高，焊缝表面的光亮程度有所下降并逐渐出现毛刺、起皮等现象. 这是由于在焊接速度不变的情况下，随着转速的提升，焊接热输入量提高增加焊缝成形时的形变量，4 mm 7A09→1.2 mm 2A12的焊接方向所用的搅拌工具尺寸大，特别是轴肩直径增加导致焊接时产生的热量高，因此焊缝表面变化更加明显.
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图 2 不同工艺参数下的焊缝形貌Figure 2. Morphology with different weld parameters. (a) welding direction 1.2 mm→4 mm; (b) welding direction 4 mm→1.2 mm2.2 焊接接头力学性能
图3为1.2 mm 2A12→4.0 mm 7A09铝合金搅拌摩擦焊搭接试样进行力学拉伸检测后的形貌，可以看出两种焊接方向的试样断裂均发生在1.2 mm薄板一侧的焊缝起始端，值得注意的是，试验并未对焊缝尾孔进行任何处理，此处为应力集中区域，通常情况是拉伸检测的易断裂区域，但试验中的断裂区域为焊缝起始端.
力学检测结果见表3及表4. 1.2 mm 2A12铝合金母材抗拉伸载荷经过检测为20 kN左右，焊接方向为1.2 mm→4.0 mm时，随着转速的提高，不同焊接速度的接头抗剪切力在14 ~ 17 kN之间且呈上升趋势，为2A12母材力学性能的70%～85%，当转速达到700 r/min时数值到达最大值；焊接方向为4.0 mm→1.2 mm时，接头抗剪切力保持在16 ~ 17 kN，达到2A12母材力学性能的80% ~ 85%，且总体保持平稳没有明显波动.
表 3 2A12(1.2 mm)→7A09(4 mm)焊缝抗拉伸载荷(kN)Table 3. 2A12(1.2 mm)→7A09(4 mm) tensile force焊接速度
v/(mm·min−1)转速n/(r·min−1) 400 500 600 700 800 100 15.07 14.86 15.94 15.99 16.36 150 14.67 15.66 15.79 15.97 16.27 200 14.47 15.25 16.23 16.12 16.13 250 14.12 14.71 16.03 16.69 15.84 300 14.24 15.74 15.98 16.35 15.99 表 4 7A09(4 mm)→2A12(1.2 mm)焊缝抗拉伸载荷(kN)Table 4. 7A09(4 mm)→2A12(1.2 mm) tensile force焊接速度
v/(mm·min−1)转速n/(r·min−1) 500 600 700 800 900 200 16.70 16.00 16.68 16.50 16.65 250 16.93 16.35 16.49 16.45 16.94 300 17.04 16.41 16.38 16.87 16.99 350 16.84 17.01 16.83 16.63 16.90 400 16.86 16.68 16.86 17.06 16.56 通过对比两种焊接方向的搭接接头力学性能检测结果可以看出（图4）：焊接方向为4.0 mm→1.2 mm的力学性能保持平稳且整体高于1.2 mm→4.0 mm，这是由于当厚板在上时，搅拌针长度大于薄板在上的焊接方向，使得焊接时产生的热量更高，搅拌更加充分；而当薄板在上时，由于搅拌针长度的限制，厚板的大部分材料并没有得到搅拌，导致其接头力学性能偏低. 因此，从力学性能角度看，厚板在上的搭接方式更加适用于试验的两种焊接材料.
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图 4 不同焊接速度下转速对接头力学性能影响Figure 4. Effect of rotation speed on tensile force. (a) welding direction 1.2 mm→4 mm; (b) welding direction 4 mm→1.2 mm2.3 焊接接头横截面微观组织观测
图5为焊缝横截面金相组织，图中可以看出，焊接方向为1.2 mm→4.0 mm时，两种搭接材料之间的界面曲线呈弯曲状，随着转速的提升，界面曲线的弯曲部分越靠近焊缝中间且整体长度缩短；焊接方向为4.0 mm→1.2 mm时（图6），界面曲线弯曲很小，基本保持平直，且长度随着转速提升而缩短. 与之前的接头力学性能相比较，可以看出，界面曲线越短，接头力学性能越高.
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图 5 2A12(1.2 mm)→7A09(4 mm)横截面形貌Figure 5. 2A12(1.2 mm)→7A09(4 mm) intersecting surface. （a）rotation speed n = 400 r/min，welding speed ν = 200 mm/min；（ b）rotation speed n = 600 r/min，welding speed ν = 200 mm/min；（c）rotation speed n = 800 r/min，welding speed ν = 200 mm/min![]()
图 6 7A09(4 mm)→2A12(1.2 mm)横截面形貌Figure 6. 7A09(4 mm)→2A12(1.2 mm) intersecting surface. （a）rotation speed n = 400 r/min，welding speed ν = 200 mm/min；（ b）rotation speed n = 600 r/min，welding speed ν = 200 mm/min；（c）rotation speed n = 800 r/min，welding speed ν = 200 mm/min2.4 断口组织与断裂机制分析
图7为焊接方向1.2 mm→4.0 mm拉伸检测后的搭接试样以及断口组织. 拉伸检测中所有试样的断裂方式一致，断口出现在薄板焊缝起始端(图7a)，断口中部区域与端部组织不同(图7b)，图7c，图7d分别为断口边缘与中部区域放大图. 经过局部放大可以看出，中部区域组织呈现等轴韧窝，为典型塑性断裂特征；边缘组织较为复杂，出现晶粒滑移残留痕迹，说明该区域的主断裂方式为晶间滑移，因此，整个断口的断裂机制为韧性断裂与晶间滑移的混合断裂.
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图 7 断口组织形貌Figure 7. Fracture surface. (a) tensile specimen; (b) Fig.7a fracture morphology; (c) Fig.7b tissue morphology of identified area 2; (d) Fig.7b tissue morphology of identified area 33. 结论
(1) 1.2 mm 2A12与4.0 mm 7A09铝合金搅拌摩擦焊搭接试验中，厚板在上的焊接方向接头力学性能优于薄板在上焊接方向接头，当焊接参数为800 r/min + 400 mm/min时，接头的抗拉伸载荷最高可达17 kN，达到母材的85%.
(2) 在焊接速度不变的情况下，随着转速的提升，焊缝横截面的界面曲线长度缩短，而界面长度越短，接头力学性能越好.
(3) 1.2 mm 2A12/4.0 mm 7A09铝合金搅拌摩擦焊拉伸检测中，试样断裂方式一致，断口没有出现在焊缝尾孔处而是出现在薄板一侧焊缝起始端，断口中部为塑性断裂，端部出现晶间滑移，断裂机制为韧性断裂与晶间滑移的混合断裂.
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图 2 不同工艺参数下的焊缝形貌
Figure 2. Morphology with different weld parameters. (a) welding direction 1.2 mm→4 mm; (b) welding direction 4 mm→1.2 mm
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图 4 不同焊接速度下转速对接头力学性能影响
Figure 4. Effect of rotation speed on tensile force. (a) welding direction 1.2 mm→4 mm; (b) welding direction 4 mm→1.2 mm
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图 5 2A12(1.2 mm)→7A09(4 mm)横截面形貌
Figure 5. 2A12(1.2 mm)→7A09(4 mm) intersecting surface. （a）rotation speed n = 400 r/min，welding speed ν = 200 mm/min；（ b）rotation speed n = 600 r/min，welding speed ν = 200 mm/min；（c）rotation speed n = 800 r/min，welding speed ν = 200 mm/min
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图 6 7A09(4 mm)→2A12(1.2 mm)横截面形貌
Figure 6. 7A09(4 mm)→2A12(1.2 mm) intersecting surface. （a）rotation speed n = 400 r/min，welding speed ν = 200 mm/min；（ b）rotation speed n = 600 r/min，welding speed ν = 200 mm/min；（c）rotation speed n = 800 r/min，welding speed ν = 200 mm/min
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图 7 断口组织形貌
Figure 7. Fracture surface. (a) tensile specimen; (b) Fig.7a fracture morphology; (c) Fig.7b tissue morphology of identified area 2; (d) Fig.7b tissue morphology of identified area 3
表 1 试样材料化学成分(质量分数，%)
Table 1 Chemical compositions of specimen
材料 Si Fe Cu Mn Mg Ni Cr Zn Ti Al 2A12 0.119 0.253 4.467 0.569 1.583 0.006 — 0.045 0.035 余量 7A09 0.057 0.332 1.544 0.052 2.509 — 0.214 5.671 0.023 余量 
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表 2 焊接参数与搅拌工具尺寸
Table 2 Weld parameters and size of tool
焊接方向 转速n/(r·min−1) 焊接速度v/(mm·min−1) 搅拌针长度l/mm 轴肩直径d/mm 1.2 mm 2A12→4 mm 7A09 400 ~ 800 100 ~ 300 1.5 8 4 mm 7A09→1.2 mm 2A12 500 ~ 900 200 ~ 400 45 15
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表 3 2A12(1.2 mm)→7A09(4 mm)焊缝抗拉伸载荷(kN)
Table 3 2A12(1.2 mm)→7A09(4 mm) tensile force
焊接速度
v/(mm·min−1)转速n/(r·min−1) 400 500 600 700 800 100 15.07 14.86 15.94 15.99 16.36 150 14.67 15.66 15.79 15.97 16.27 200 14.47 15.25 16.23 16.12 16.13 250 14.12 14.71 16.03 16.69 15.84 300 14.24 15.74 15.98 16.35 15.99
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表 4 7A09(4 mm)→2A12(1.2 mm)焊缝抗拉伸载荷(kN)
Table 4 7A09(4 mm)→2A12(1.2 mm) tensile force
焊接速度
v/(mm·min−1)转速n/(r·min−1) 500 600 700 800 900 200 16.70 16.00 16.68 16.50 16.65 250 16.93 16.35 16.49 16.45 16.94 300 17.04 16.41 16.38 16.87 16.99 350 16.84 17.01 16.83 16.63 16.90 400 16.86 16.68 16.86 17.06 16.56
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