汽車(chē)用7075鋁合金攪拌摩擦焊工藝與性能

桂 林，郭倉(cāng)庫(kù)

（河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南南陽(yáng)473000）

汽車(chē)用7075鋁合金攪拌摩擦焊工藝與性能

桂 林，郭倉(cāng)庫(kù)

（河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南南陽(yáng)473000）

采用攪拌摩擦焊實(shí)現(xiàn)了7050鋁合金的焊接，通過(guò)金相顯微鏡、掃描電鏡和萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)研究了焊接接頭組織和性能。結(jié)果表明，鋁合金攪拌摩擦焊接時(shí)，在相同焊接速度下，隨著旋轉(zhuǎn)速度的增加，熔核底部未焊透區(qū)域增加，熔核區(qū)平均晶粒尺寸增加。隨著旋轉(zhuǎn)速度與焊接速度比值增加，鋁合金攪拌摩擦焊接頭抗拉強(qiáng)度降低。焊接速度20 mm/min-1，旋轉(zhuǎn)速度200 mm/min-1時(shí)，接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值373 MPa。固溶處理后鋁合金抗拉強(qiáng)度增加。

7075鋁合金；攪拌摩擦焊；旋轉(zhuǎn)速度；抗拉強(qiáng)度

0 前言

鋁合金比強(qiáng)度高、耐腐蝕性能好、韌性好、具有優(yōu)良的加工性能，在航空航天、汽車(chē)、軌道車(chē)輛等方面的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1-2]。隨著汽車(chē)輕量化的高速發(fā)展，鋁合金作為汽車(chē)輕量化的首選材料，將發(fā)揮越來(lái)越大的作用[3]。

鋁合金線(xiàn)膨脹系數(shù)較大，導(dǎo)熱系數(shù)大，導(dǎo)致鋁合金焊接性差。熔焊時(shí)極易產(chǎn)生裂紋、氣孔等缺陷，對(duì)于超高強(qiáng)鋁合金，焊接性更差，嚴(yán)重阻礙超高鋁合金的廣泛應(yīng)用[4]。作為一種固相連接技術(shù)，攪拌摩擦焊具有高效、節(jié)能、焊后變形小等優(yōu)點(diǎn)，特別適合焊接熔焊難以焊接的金屬，大量應(yīng)用于鋁合金的焊接[5-7]。因此，本研究采用攪拌摩擦焊技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)7075高強(qiáng)鋁合金的焊接，主要研究焊接工藝及其對(duì)焊接接頭性能的影響，為鋁合金的焊接提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)?zāi)覆臑楹穸? mm的7075鋁合金，試樣尺寸為5 mm×200 mm×300 mm，試驗(yàn)材料化學(xué)成分如表1所示。焊接前用砂紙打磨表面去除表面氧化膜，并用酒精清洗去除表面油污。采用攪拌摩擦焊機(jī)進(jìn)行焊接，采用平板對(duì)接方式，圓柱形攪拌頭，軸間直徑15 mm，攪拌針根部直徑5 mm，長(zhǎng)度4.8 mm，傾斜角2.5℃。選用不同旋轉(zhuǎn)速度和焊接速度進(jìn)行焊接。

采用線(xiàn)切割垂直于焊縫方向切取15 mm×30 mm大小試樣，經(jīng)鑲嵌，拋光后超聲清洗、烘干，使用Keller試劑進(jìn)行腐蝕。采用金相顯微鏡和掃描電鏡觀(guān)察焊接接頭微觀(guān)組織。采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試焊接接頭焊接態(tài)和熱處理后拉伸性能，拉伸試驗(yàn)按GB/ T2651-1989標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，每個(gè)試驗(yàn)樣品取3個(gè)值的平均值。熱處理制度為480℃×1 h，升溫速率分別為50℃/h、200℃/h、500℃/h和800℃/h。

表1 試驗(yàn)材料7075化學(xué)成分Tab.1 The chemical composition of tested materials %

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 旋轉(zhuǎn)速度對(duì)焊縫組織的影響

焊接速度為20 mm/min時(shí)不同旋轉(zhuǎn)速度下焊縫橫截面表面成形如圖1所示。由圖1可知，旋轉(zhuǎn)速度從200 r/min到800 r/min時(shí)，均能獲得質(zhì)量良好的焊縫，焊縫致密、無(wú)氣孔、裂紋等缺陷。隨著旋轉(zhuǎn)速度增加，熔核橫向尺寸增加。當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度為200 r/min時(shí)，厚度方向完全焊透，隨著旋轉(zhuǎn)速度的增加，熔核底部距母材底部都有一定的距離，板材未完全焊透。旋轉(zhuǎn)速度越高，距離越大。

圖1 不同旋轉(zhuǎn)速度下焊縫橫截面形貌Fig.1 Cross section morphology of weld at different rotation speed

旋轉(zhuǎn)速度對(duì)熔核區(qū)晶粒尺寸的影響曲線(xiàn)如圖2所示。隨著旋轉(zhuǎn)速度的增加，熔核區(qū)平均晶粒尺寸增加。旋轉(zhuǎn)速度200 r/min時(shí)，熔核區(qū)晶粒尺寸為4.0 μm，旋轉(zhuǎn)速度1 000 r/min，熔核區(qū)晶粒尺寸為9.0 μm。隨著旋轉(zhuǎn)速度的增加，焊接熱輸入量增加，晶粒動(dòng)態(tài)再結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力增大，因此熔核區(qū)晶粒尺寸不斷增加。

圖2 旋轉(zhuǎn)速度對(duì)熔核區(qū)晶粒尺寸的影響Fig.2 Effect of rotation speed on the Grain size of weld nugget

2.2 焊接接頭拉伸強(qiáng)度

不同旋轉(zhuǎn)速度與焊接速度比值對(duì)焊接接頭抗拉強(qiáng)度的影響如圖3所示。由圖3可知，隨著旋轉(zhuǎn)速度與焊接速度比值的增大，焊接接頭抗拉強(qiáng)度降低。焊接速度20 mm/min，旋轉(zhuǎn)速度200 r/min時(shí)，接頭抗拉強(qiáng)度為373MPa，達(dá)到母材強(qiáng)度的80.9%，斷裂發(fā)生在熱影響區(qū)；當(dāng)焊接速度40 mm/min，旋轉(zhuǎn)速度800 r/min時(shí)，焊接接頭抗拉強(qiáng)度降低為331 MPa，約為母材強(qiáng)度的71.8%，斷裂發(fā)生在熱影響區(qū)與熔核交界處。

圖3 焊接接頭抗拉強(qiáng)度Fig.3 Tensile strength of welded joints

圖4為焊接接頭拉伸斷口形貌。當(dāng)焊接速度為20 mm/min，旋轉(zhuǎn)速度為200 r/min時(shí)，拉伸斷口主要為小而深的韌窩，大小均勻，韌窩內(nèi)存在小顆粒。當(dāng)焊接速度為40 mm/min，旋轉(zhuǎn)速度為600 r/min時(shí)，斷口表面韌窩尺寸差異較大，大韌窩底部小顆粒破碎，韌窩主要由孔洞聚集造成。在熱影響區(qū)與熔核交界處，部分晶粒發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶形成等軸晶，同時(shí)晶粒發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形，變形不均勻區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力集中，孔洞容易生成直至斷裂。

圖4 焊接接頭斷口形貌Fig.4 Fracture Morphology of welded joints

2.3 熱處理對(duì)焊接接頭抗拉強(qiáng)度的影響

固溶處理不同加熱速率對(duì)焊接接頭抗拉強(qiáng)度的影響如圖5所示。由圖5可知，固溶處理后焊接接頭抗拉強(qiáng)度高于未熱處理時(shí)抗拉強(qiáng)度。隨著固溶處理加熱速度的增加，焊接接頭抗拉強(qiáng)度增加。加熱速率為50℃/h時(shí)，接頭抗拉強(qiáng)度為409 MPa；加熱速度800℃/h，接頭抗拉強(qiáng)度提高到472 MPa。分析認(rèn)為，固溶處理時(shí)加熱速度越高，晶粒異常長(zhǎng)大被抑制，晶粒尺寸較小。晶粒越小，晶界面積增加，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力加大，塑性變形難以發(fā)生，接頭抗拉強(qiáng)度越高。

圖5 熱處理后焊接接頭抗拉強(qiáng)度Fig.5 Tensile strength of welded joints after heat treatment

3 結(jié)論

（1）鋁合金攪拌摩擦焊接時(shí)，隨著旋轉(zhuǎn)速度的增加，熔核底部未焊透區(qū)域增加，熔核區(qū)平均晶粒尺寸增加。

（2）鋁合金攪拌摩擦焊接頭抗拉強(qiáng)度隨旋轉(zhuǎn)速度與焊接速度比值增加而降低。焊接速度20 mm/min，旋轉(zhuǎn)速度200 r/min時(shí)，接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值，為373 MPa。

（3）固溶處理后鋁合金抗拉強(qiáng)度增加。加熱速率越高，抗拉強(qiáng)度增加越高。

[1]金玉花.高強(qiáng)鋁合金攪拌摩擦焊接頭組織及薄弱區(qū)研究[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2012.

[2]萬(wàn)鑫銘，徐小飛，徐中明，等.汽車(chē)用鋁合金吸能盒結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].汽車(chē)工程材料，2013，3（1）：15-21.

[3]張傳臣，陳芙蓉.厚板高強(qiáng)鋁合金焊接發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J].電焊機(jī)，2007，37（7）：6-11.

[4]王志海，陳亮，張立民，等.車(chē)體結(jié)構(gòu)鋁合金焊接接頭疲勞性能研究[J].電焊機(jī)，2013，43（8）：6-11.

[5]宋東福，王海艷，戚文軍，等.鋁合金攪拌摩擦焊的研究現(xiàn)狀與展望[J].電焊機(jī)，2011，41（3）：50-54.

[6]徐國(guó)建，鐘立明，杭爭(zhēng)翔，等.鋁合金焊接接頭沖擊強(qiáng)化的性能[J].焊接學(xué)報(bào)，2014，35（6）：57-61.

[7]董鵬.6005A-T6鋁合金攪拌摩擦焊接頭組織與性能研究[D].吉林：吉林大學(xué)，2014.

Study on friction stir welding process and properties of 7075 Al alloy for automobile

GUI Lin，GUO Changku
（Henan Polytechnic Institute，Nanyang 473000，China）

In this paper，7050 aluminum alloy was welded by friction stir welding.The microstructure and properties of welded joints were studied by metallographic microscope，scanning electron microscope and universal testing machine.Under the same welding speed，with the increasing of rotational speed，lack of penetration at the bottom of the molten nuclear area increased，and the average grain size of the melting nuclear area increased.With the ratio of rotation speed to welding speed，the tensile strength of aluminum alloy friction stir welded joints decreased.The tensile strength obtained the maximum of 373 MPa at the welding speed of 20 r/min and rotation speed of 200 r/min，and it increased after solution treatment.

7075 Al alloy；friction stir welding；rotation speed；tensile strength

TG446

：A

1001-2303（2015）09-0149-03

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.09.33

2015-01-02

桂 林（1982—），女，河南南陽(yáng)人，碩士，主要從事汽車(chē)工程材料的研究工作。