2219-T87铝合金搅拌摩擦焊接头组织与力学性能分析.pdf

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书资料大小：0.86M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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http://www.paper.edu.cn 2219-T87 铝合金搅拌摩擦焊接头组织与力学性能分析王春炎 1，赵海云 2，曲文卿 1 1 北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京 (100191) 2 北京航空航天大学国际学院，北京 (100191) E-mail：xiaomimi010327@163.com 摘要：对 2219-T87 铝合金搅拌摩擦焊（FSW）焊接接头的宏观形貌、微观组织、显微硬度及断口形貌进行了分析，探讨了微观组织的变化对力学性能的影响。结果表明：焊接接头分为焊核、热机影响区、热影响区和母材四个区域，焊核区为细小的等轴晶粒，晶粒尺寸远小于母材；热机影响区发生了弯曲变形；热影响区组织出现了明显粗化。由于金属塑性流动状态的差别，前进边热机影响区和焊核区形成明显分界线，后退边相对模糊。FSW 接头室温拉伸强度可以达到母材的 75%以上。沿焊缝横截面的显微硬度的分布显示，硬度最低点位于热影响区区域，Ө 沉淀强化相（Cu Al2）受到焊接热循环的作用聚集长大发生过时效强化导致强度、硬度下降。断口形貌分析显示，接头的断裂形式为韧性和脆性的混合型断裂。关键词：2219 铝合金；搅拌摩擦焊（FSW）；力学性能；微观组织中图分类号：TG115.5 1. 引言航天技术的飞速发展，对航天运载器的运载能力、可靠性和安全性的要求越来越高，尤其在箭体结构和制造工艺方面。然而我国多年来一直沿用2A14铝合金的“两面三道焊”工艺，与国外先进的航天技术存在很大差距，不能满足新一代航天运载器的发展要求[1]。所以，加速开展先进航天贮箱结构材料及其先进焊接技术的研究是未来日益增长的空间应用发射需要的必然要求[2]。 2219铝合金在-250℃~+250℃的温度范围内，具有良好的比强度、抗应力腐蚀性以及良好的力学性能，在航天工业中受到青睐[3-4]，根据目前的情况，用2219铝合金取代2A14铝合金作为航天贮箱材料尤为必要[5]。对2219铝合金的焊接国外曾采用熔化极气体保护焊（MIG）、钨极氩弧焊（TIG）、电子束焊（EBW）、变极性等离子弧焊（VPPAW）等多种熔焊方法。搅拌摩擦焊接技术是英国焊接研究所1991发明的一种新型固相连接技术[6]。FSW解决了传统熔焊易出现的问题，且接头性能高，在铝合金焊接方面发展迅速[7-9]，目前已被确认为新一代运载火箭贮箱的关键制造工艺。全面了解2219铝合金搅拌摩擦焊技术对于贮箱方案设计以及新一代贮箱材料的理论研究有着重要意义。本文重点对2219-T87铝合金搅拌摩擦焊接头进行了室温力学性能的实验研究，获得2219-T87 铝合金及其搅拌摩擦焊接头的室温力学性能，并且对2219铝合金母材及FSW接头微观组织和拉伸断口形貌进行了分析。讨论了FSW对2219-T87铝合金拉伸力学性能的影响。 2. 试验材料及方法试验材料为2219（Al-Cu-Mn系）高强铝合金板材，热处理状态为T87，即固溶处理+7% 冷变形+人工时效。材料厚度为8mm，其化学成分列于表1。 -1-

http://www.paper.edu.cn 表1 2219-T87铝合金的化学成分（百分含量） table1 chemical composition of 2219-T87 2219 Cu 6.48 Mn 0.32 Fe 0.23 Ti 0.06 V 0.08 Zn 0.04 Si 0.49 Zr 0.2 Al 余量沿试样横截面（扎制方向）截取试样，用混合酸（1.0%HF+1.5%HCL+2.5%HNO3+95.0%H2O）对抛光后的试样进行腐蚀，在光学显微镜下观察母材和FSW焊接接头的微观组织。用 HXZ-1000数字式显微硬度计测量焊接接头的显微硬度；按GB/T 2649—1989《焊接接头机械性能试验取样方法》和GB/T 228—2002《金属材料室温拉伸试验方法》沿板材扎制方向制取拉伸试样，分别在MTS-880力学性能试验机上进行室温拉伸试验，拉伸速率为2mm/min，每组拉伸实验结果取8个试样的平均值。用JSM-5800扫描电镜上观察母材及焊接接头的拉伸断口形貌。 3. 试验结果与分析 3.1 搅拌摩擦焊接头的微观组织图 1 为 2219-87 铝合金搅拌摩擦焊的横截面宏观形貌，本文将接头分为以下 4 个区域：A 为焊核区（nugget zone，简称 NZ），B 为热机影响区（thermo-mechanically affected zone 简称 TAMZ），C 为热影响区（heat-affected zone 简称 HAZ），D 为母材（base metal 简称 BM）。FSW 时旋转的搅拌头在焊缝方向的切线速度与焊接速度方向相同的一侧称为前进侧 AS（Advancing side），而相反的一侧称为后退侧 RS（Retreating side）。由图 1 可知，焊核和热机影响区的分界线在前进侧和后退侧不同，前进侧分界明显，后退侧相对模糊。出现这种现象可能与焊接过程中两侧金属的塑性流图 1 2219-87 铝合金 FSW 接头横截面宏观形貌 Fig-1 Cross sectional morphology of the friction stir weld(FSW) of the 2219-87 aluminum alloy 动状态的差别有关。分析认为，搅拌摩擦焊时，若搅拌头以足够高的速度顺时针方向旋转，搅拌区及其附近母材温度升高，若搅拌头经过区域的金属处于完全塑性状态，其两侧的金属根据离搅拌头距离的远近而处于不同的塑性状态，它们都会随搅拌头的旋转而塑性流动，塑性流动方向取决于与母材相切处搅拌头的运动方向。在前进面，母材塑性变形方向朝前，即与焊接方向一致；在后退面，母材塑性变形方向朝后，即与焊接方向相反；在焊缝内，由于搅拌头旋转过程中产生的空腔作用，使搅拌区内前进面的金属沿搅拌头的外表面逆时针地被挤压至搅拌头的后方，而后退面的金属随搅拌头的外表面顺时针地流向搅拌头的后方。因此，在前进面，焊缝金属塑性流动方向与母材金属塑性流动方向相反，使母材金属与焊缝金属之间存在很大的相对变形差；在后退面，焊缝金属塑性流动方向与母材金属塑性流动方向一致，母材金属几乎平滑的与焊缝金属一起变形，因而造成前进面焊缝与焊缝区有明显的分界线 [10]。图2为2219-87铝合金搅拌摩擦焊接头各区域显微组织，图3（a）、（b）、（c）、（d）分别为图1 A、B、C、D所对应的区域，分别为焊核区、热机影响区、热影响区及母材区。（e）、 -2-

（f）分别为热机影响区与焊核交界处的微观组织及焊核区“洋葱环”形貌。焊核区由于受到了搅拌头的机械搅拌作用和焊接热循环的共同作用，组织发生动态再结晶，由原母材的板条状组织转变为等轴再结晶组织，晶粒尺寸远小于母材的基体组织（如图2(a) http://www.paper.edu.cn 所示）。图 2 2219-T87 铝合金 FSW 接头各区域微观组织（a）母材；（b）热机影响区；（c）热影响区；（d）焊核区；（e）焊核和 TMAZ 交界；（f）焊核“洋葱环”形貌） Fig2 Microstructures of the FSW joint of 2219-T87 （a）base metal，BM；（b）thermo-mechanically affected zone， TMAZ；（c）heat-affected zone，HAZ；（d）nugget zone，NZ；（e）the interface between NZ and TMAZ；（f） the onion structure of NZ 热机影响区受到搅拌针以及轴肩的共同作用，且经受了较高温度的焊接热循环，经历了回复和部分再结晶过程，晶粒发生了较大的弯曲变形，在板条状组织内形成了回复晶粒组织（如图2(b)所示）。热影响区没有受到搅拌作用，但是在焊接过程中受到热循环的作用，晶粒粗大，但仍保留了板条状组织的特征（如图2(c)所示）。母材为板条状组织，主要相组成物为α固溶体、Ө（CuAl2）相和T相（CuMn2Al12），并 [11]。其中Ө相和T相是主要的强化相。在母材的晶界和晶内存在大量的强化相，有少量的TiAl3 其中长条状和细小颗粒状组织为Ө沉淀相，少量的黑色圆点为T相（如图2(d)所示）。图2（e）为热机影响区和焊核区交界处微观组织，由图可知，在两者的交界处，晶粒的尺寸是不均匀过渡的，在稍微远离焊核区的热机影响区部分组织发生了回复再结晶。这是由于在焊接过程中，交界处上下区域受到搅拌头的机械搅拌作用的强烈程度不均匀所造成的。图2（f）为搅拌摩擦焊焊核区所形成的“洋葱环”，它的形成与焊接过程中搅拌头所产生的热量以及焊缝 -3- 图 3 接头硬度分布 Fig-3 Microhardness of FSW joint

http://www.paper.edu.cn 内部金属的流动有关，且随着焊缝中心距离的增大，“洋葱环”的环距逐渐减小。 3.2 搅拌摩擦焊接接头的硬度分布接头的微观组织决定性能，而接头各区在组织上的差异又会在硬度上反映出来。焊缝横截面的硬度分布如图 3 所示。FSW 接头各区域硬度分布是不均匀的，即母材硬度最高，热影响区和热影响区硬度降低，到焊核处硬度又升高，但低于母材的硬度，最低点位于热影响区。结合图 2 的微观组织变化，可看出焊接接头各区域硬度的变化与组织的变化是紧密联系的。热影响区可能是由于受到高温的作用，稳定相 Ө 质点聚集长大，材料出现了过时效，使强度下降，硬度降低。焊核区由于晶粒特别细小，所以强度有所提高。 3.3 搅拌摩擦焊接头的拉伸力学性能拉伸性能测试结果见表 2。由表可见，无论何种焊接方法均使母材强度以及塑性有很大的降低。但 FSW 焊接接头的性能明显优于 VPTIG 焊接接头。FSW 室温下的接头系数达到 75%以上，而 VPTIG 的接头系数不到 65%。可见 FSW 作为一种新兴的固相连接方法，无论是从强度还是塑性来看，力学性能明显优于传统的熔焊方法。表 2 铝合金母材及焊接接头拉伸测试结果 Table1 Mechanical properties of base metal and FSW joint 状态抗拉强度 σb/MPa 屈服强度 σ0.2/MPa 断后伸长率 δ% 424 324 273 母材 FSW VPTIG 图 4（a）、（b）分别为母材和 FSW 接头高倍微观断口形貌图。可以看出母材由大小不一的韧窝和撕裂岭组成，韧窝较大，较深，撕裂岭较多，断口为塑性断口；与母材相比，FSW 拉伸断口的等轴韧窝较小，较浅，固母材的强度和塑性明显优于焊接接头，这与拉伸结果相 20.4 7.9 4.2 301 167 132 符合。韧窝的大小与第二相粒子或杂质有关，由于受到搅拌头的机械搅拌作用，使沉淀相（CuAl2）破碎，形成细小颗粒状的沉淀相，这些细小沉淀相剥离后留下非常细小的光滑韧窝，为沿晶断裂；在大韧窝中还存在粗大的第二相粒子断裂后留下的断面，为穿晶断裂。焊缝的整体断裂形式为韧性和脆性的混合型断裂。 (a) (b) Fig4 magnified fractographs （a）magnified fractographs of the base metal；（b）magnified fractographs of the FSW 图 4 拉伸断口形貌图（a）母材断口；（b）FSW 断口 joint -4-

http://www.paper.edu.cn 4. 结论： 1) 经微观组织分析，搅拌摩擦焊接头的微观组织分四个区域，即焊核区（NZ）、热机影响区（TMAZ）、热影响区（HAZ）和母材区（BM）。焊核和热机影响区的分界线在前进侧和后退侧不同，前进侧分界明显，后退侧相对模糊。接头各区域微观组织存在明显差异，焊核区形成了细小的等轴晶组织；热机影响区组织发生了弯曲变形，远离焊核区部分组织发生了回复再结晶；热影响区组织发生明显粗化。 2) 2219 铝合金搅拌摩擦焊接头强度系数可达 75%，明显优于熔焊接头的力学性能。 3) 对 2219 铝合金 FSW 焊缝的显微硬度进行了分析，结果显示母材硬度最高，热影响区和热影响区硬度降低，到焊核处硬度又升高，但低于母材的硬度，最低点位于热影响区。 4) 接头的断裂形式为韧性和脆性的混合型断裂。参考文献 [1] Albertini G，Bruno G，Dunn B D，et al. Comparative neutron and X-ray residual stress measurements on Al-2219 welded plate[J].Materials Science and Engineering A，1997，224（1）：157-165. [2] 姚君山，周万盛，王国庆，等.航天贮箱结构材料及其焊接技术的发展[J].航天制造技术，2002，（5）： 17-22. [3] Kaibyshev R，Sitdikov O，Mazurina I，et al. Deformation behavior of a 2219 Al alloy[J]. Materials Science and Engineering A，2002，334：104-113. [4] Narayana GV，Sharma VMJ，Diwakar V， et al. Fracture behavior of aluminum alloy 2219–T87 welded plates [J]. Science and Technology of Welding and Joining, 2004, 9（2）：121-130. [5] 陈迎春，刘会杰，冯吉才.2219-O 铝合金的搅拌摩擦焊接.焊接学报[J]，2006，27（1）：65-68. [6] Thomas WM, Nicholas ED. Friction stir welding for the transportation industries[J]. Materials and Design 1997，18（4/6）：269-73. [7] Colegrove P A，Shercliff H R.Experimental and numerical analysis of aluminum alloy 7075 -T7351 friction stir welds[J].Science and Technology of Welding and Joining，2003，8（5）： 360 - 368. [8] [9] Ericsson M，Sandstrom R.Influence of welding speed on the fatigue of friction stir welds，and comparison with MIG and TIG[J].International Journal of Fatigue，2003，25（12）：1379-1387. [10] 刑丽，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. [11] 金相图谱编写组，林德成等.金属材料金相图谱（下册）[M].北京：机械工业出版社，2006. Joelj D.The friction stir welding advantage[J].Welding Journal，2001，80（5）：30-34. Microstructures and Mechanical Properties of Friction Stir Welded 2219-87 Aluminum Alloy Joints Wang Chunyan, Zhao Haiyun, Qu Wenqing School of Mechanical Engineering & Automation, Beihang University, Beijing, China 100191 Abstract Microstructures and mechanical properties of friction-stir welding joint of 2219-87 aluminum alloy were investigated. The results show that the microstructures could be divided into four regions, namely, welded nugget zone(NZ),thermal-mechanically affected zone(TMAZ),heat affected zone(HAZ) and base metal(BM).Compared with BM, the microstructure within the NZ, consist of refined, equiaxed grains. Those within the TMAZ, consist of deformed grains. Those within the HAZ consist of coarse lath grains. There is an obvious interface between NZ and TMAZ at the advancing side. While at the retreating side, it is illegibility comparatively. The result of tensile properties shows that the transverse tensile strength of FSW joint can reach about 75% of that of the base metal. Hardness measurement shows that the FSW joint is soften during welding and heat-affect zone (HAZ) has serious softening. Fractographs confirm that the fracture of the joint is mixed mode of ductile and brittle fracture. Keywords: Aluminum alloy 2219; Friction Stir Welding(FSW); Microstructures; Mechanical properties -5-

http://www.paper.edu.cn 作者简介：王春炎（1985-），汉族，女，工学硕士。主要研究方向是 2219 铝合金焊接新技术及焊缝性能。电话：13426015327，邮箱：xiaomimi010327@163.com -6-

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