2219鋁合金攪拌摩擦焊“弱連接”缺陷的制備及表征

危 荃，陳華斌，鄭德根，王 飛，林 濤

（1.上海航天精密機械研究所，上海 201600；2.上海交通大學 材料科學與工程學院，上海 200240）

2219鋁合金屬于Al－Cu－Mn系可熱處理強化合金，由于其低溫和高溫力學性能、斷裂韌性、焊接性能以及抗應(yīng)力腐蝕等方面具有明顯的優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于航空、航天領(lǐng)域［1－2］。2219鋁合金焊接熱裂傾向較低，氣孔敏感性較強，傳統(tǒng)的熔焊方法容易產(chǎn)生氣孔、裂紋等缺陷。攪拌摩擦焊（Friction stir welding，F(xiàn)SW）作為一種快速發(fā)展的新型固相焊接方法，與傳統(tǒng)的熔焊方法相比，F(xiàn)SW在輕合金材料連接方面具有諸多優(yōu)點：固相連接（無氣孔、凝固裂紋，無合金元素燒損、偏析，接頭性能優(yōu)異）；焊接接頭殘余應(yīng)力低、變形小；節(jié)能、節(jié)材、環(huán)保及屬于綠色焊接技術(shù)［3－4］。

目前針對FSW的研究主要集中在以下幾個方面：FSW產(chǎn)熱機理與模型精度描述；焊縫金屬塑性流動相、離散相、強化相的動態(tài)恢復(fù)和再結(jié)晶精確理論模型；FSW接頭弱連接缺陷形成機制和有效表征，如“焊核區(qū)洋蔥環(huán)”、“S”線物理學和冶金學基礎(chǔ)理論。顯然，F(xiàn)SW焊縫缺陷在一定程度上會對產(chǎn)品的安全性和服役的性能產(chǎn)生較大影響［5－7］。因此，針對FSW焊縫缺陷的有效檢測和判定的研究必將推進FSW工藝在航空、航天領(lǐng)域的深度應(yīng)用。筆者以2219鋁合金為研究對象，通過“示蹤銅箔”方法揭示攪拌摩擦焊塑性金屬在接頭內(nèi)的遷移行為，并進一步分析2219鋁合金表面氧化膜在FSW接頭形成黑色“S”線缺陷OM形貌和超聲相控陣檢測扇掃圖譜特征。

1 缺陷制備及試驗方法

試驗材料為6mm厚、T62狀態(tài)的2219鋁合金試板，焊接試板尺寸為300mm×90mm×6mm，其化學成分（質(zhì)量分數(shù)）為92.1%Al，6.48%Cu，0.32%Mn，0.23%Fe，0.06%Ti，0.08%V，0.04%Zn，0.49%Si，0.2%Zr；主 要 力 學 性 能 分 別 是Rp0.2：410MPa，Rm：290MPa，A：10%。FSW采用的攪拌頭軸肩直徑為16mm，攪拌針直徑為6mm，長度為5.8mm，旋轉(zhuǎn)速度為600～1500r／min，前進速度為60～100mm／min，攪拌頭傾角為2.5°～3.5°。

由圖1可見，當焊接參數(shù)即前進速度、旋轉(zhuǎn)速度和下壓量不匹配時，尤其是攪拌頭下壓量不夠時，如軸肩空腔內(nèi)塑性金屬填充不足，會在焊縫前進側(cè)或焊縫近表面下方形成溝槽、隧道孔等大尺度缺陷。進一步對焊縫成形良好的焊縫和焊接參數(shù)匹配不好、焊縫成形較差的焊縫進行RT檢測，發(fā)現(xiàn)理想焊縫底片未出現(xiàn)隧道孔、氣孔及裂紋等大尺度缺陷，而在焊接參數(shù)匹配，成形較差的FSW接頭內(nèi)會出現(xiàn)一條貫穿型黑線，即隧道孔。

圖1 2219鋁合金FSW焊縫成形及RT檢測結(jié)果

1.1 “示蹤銅箔”試驗

采用預(yù)制好的厚度為100μm紫銅箔嵌入至2219鋁合金對接試板側(cè)面，考慮到FSW塑性金屬流動行為和特征，嵌入焊接試板正面的紫銅箔必將在軸肩高速攪拌作用下，在近焊縫表面形成破碎、離散顆粒狀的軌跡線，而嵌入側(cè)面的紫銅箔在攪拌針和軸肩共同作用下，發(fā)生強烈滑移、摩擦和塑性變形，進入FSW焊核區(qū)，形成貫穿于整個焊核區(qū)、部分熱機影響區(qū)的“S”形流動跡線。

沿拉伸試樣橫截面截取典型斷口試樣，經(jīng)磨、拋后，制備成金相試樣，采用體積分數(shù)為氫氟酸（1%）、鹽酸（1.5%）、硝酸（2.5%）和水（95%）的腐蝕液進行腐蝕。通過光學顯微鏡觀察紫銅箔在焊核區(qū)的微觀形貌和分布特征，并在SEM下觀察試樣斷口形貌特征。

1.2 “S線”弱連接缺陷制備

鑒于鋁合金FSW實際焊接過程中，接頭形成的弱連接缺陷大部分實質(zhì)來源于焊接過程中的氧化膜在焊核區(qū)、熱機械影響區(qū)形成的Al2O3界面，因此采用示蹤銅箔方法存在一定局限性，接下來結(jié)合前面對側(cè)面紫銅箔在攪拌針和軸肩共同作用機制下，形成的“S”形流動跡線，對2219鋁合金試板進行陽極化處理，在焊縫側(cè)面形成一定厚度的致密氧化膜，采用焊前不對工件表面進行清理的方式，對其進行FSW試驗。進一步模擬和制備2219鋁合金FSW過程中形成的黑色“S線”弱連接缺陷，并對其進行超聲相控陣檢測和判定。

2 試驗結(jié)果與分析

通過對FSW接頭的微觀形貌特征及其焊接過程中塑性金屬的遷移行為進行分析，進一步揭示FSW焊縫缺陷的形成機制。從圖2中可以看出，紫銅箔在焊核區(qū)產(chǎn)生了劇烈滑移、摩擦和塑性變形過程，形成了一條焊核區(qū)、部分熱機械影響區(qū)的流動跡線，即S線，英國焊接研究所（TWI）把此歸類為未焊合缺陷范疇。另外，從圖中還可以看出焊核區(qū)塑性金屬受到來自攪拌針剪切力，在軸肩下方發(fā)生了自上而下的塑性金屬流動、攪拌，形成渦旋狀的“年輪”跡線。紫銅箔攪拌、破碎后分布于焊核區(qū)的尺寸大小大于50μm，這也是便于先前的RT檢測需要。

圖3是側(cè)面嵌入紫銅箔的FSW接頭拉伸試樣斷口形貌，從圖中可以看出，整個斷面有明顯的分層現(xiàn)象，而且各層的性能有較大差別，接頭韌性很差。由于在焊核區(qū)形成“S”形結(jié)合界面，造成該界面兩側(cè)焊縫金屬性能差異很大，“S”形結(jié)合面演化成了裂紋源，并沿該結(jié)合面斷裂。

圖2 “S”形流動跡線及焊核區(qū)微觀形貌

對側(cè)面保留氧化膜的FSW試樣進行微觀分析，從圖4可以看出，側(cè)面保留氧化膜的試樣同樣符合嵌入紫銅箔的流動跡線特征，黑色“S”線始于焊縫后退側(cè)，經(jīng)過前進側(cè)逆向延伸至熱機影響區(qū)。由圖中還可以觀察到“S”線實際上是存在于焊接方向上的結(jié)合面，尺度大小為20μm左右，呈彌散分布。

圖3 “S”形結(jié)合面斷口形貌特征

圖4 “S”線弱連接缺陷微觀形貌特征

顯然，“S”線弱連接缺陷存在多種取向及方位，使用超聲相控陣系統(tǒng)對其進行S掃，探頭頻率選用10MHz，圖5是對尺度大于20μm弱連接結(jié)合面進行了有效檢測，圖中A掃信號在每個掃查角度均接近，“S線”在扇掃圖譜上表現(xiàn)出較強的顯示信號，中部亮度較高。

圖5 FSW接頭“S”線弱連接缺陷相控陣檢測結(jié)果

3 結(jié)論

（1）FSW接頭典型大尺度缺陷，如溝槽、近表面下方的隧道孔等可以采用傳統(tǒng)的RT檢測方式，進行有效檢測和判定。

（2）嵌入到焊接試板側(cè)壁的可視化示蹤材料紫銅箔，在FSW接頭內(nèi)的焊核區(qū)和部分熱機影響區(qū)發(fā)生劇烈滑移、摩擦和塑性變形，形成了一條自焊縫后退側(cè)，并在前進側(cè)發(fā)生逆向延伸的流動跡線。

（3）黑色“S線”弱連接缺陷，在焊接方向形成了未焊合結(jié)合面，尺度大于20μm的弱連接缺陷，可采用超聲相控陣進行有效檢測。

［1］THOMAS W M，NICHOLAS E D，NEEDHAM J C，MURCH M G，TEMPLE－SMITH P，DAWES C J.Friction stir butt welding［P］.International Patent Application No.PCT／GB92／02203，1991，12.

［2］NANDAN R，DEBROY T.Recent advances in friction stir welding process，weldment，structure and properties［J］.Progress in Materials Science，2008，53：980－1023.

［3］JOHNSON M R.Friction stir welding takes off at Boeing［J］.Welding Journal，1999（2）：15－20.

［4］SCHMIDT H，DICKERSON T L，HATTEL J.Material flow in butt friction stir welds in AA2024－T3［J］.Acta Materialia，2006，54：1199－1209.

［5］ARBEGAST W J.Friction stir welding：after a decade of development［J］.Welding Journal，2006，3：28－35.

［6］COLLIGAN K.Material flow behavior during friction stir welding of aluminum［J］.Welding Journal，1999，7：229－237.

［7］SU J Q，NELSON T W，MISHRA R.Microstructural investigation of friction stir welded 7050－T651alu－minum［J］.Acta Materialia，2003，51（3）：713－729.