Repair Process of Linear Defects on the Back of 2Al4 Aluminum Alloy FSW Weld

2A14铝合金FSW焊缝背部线状缺陷返修工艺 Repair Process of Linear Defects on the Back of 2Al4 Aluminum Alloy FSW Weld first-author 许　辉（1989—），男，硕士，高级工程师，主要从事焊接技术研究工作。E-mail：ixuhui@qq.com。 许　辉（1989—），男，硕士，高级工程师，主要从事焊接技术研究工作。E-mail：ixuhui@qq.com。 ixuhui@qq.com 上海航天设备制造总厂有限公司，上海 200245 上海航天设备制造总厂有限公司，上海 200245 Shanghai Aerospace Equipments Manufacturer Co., Ltd., Shanghai 200245, China Shanghai Aerospace Equipments Manufacturer Co., Ltd., Shanghai 200245, China 针对2A14铝合金搅拌摩擦焊（FSW）焊缝背部线状缺陷，设计了4种不同的方案对其进行返修，分析了不同返修方法对焊缝缺陷消除、接头力学性能以及接头组织的影响，研究了其焊缝背部缺陷返修的工艺特性。结果表明，4种方法均可消除未焊透缺陷。直接采用FSW返修可返修4次，但多次返修会造成焊缝减薄，抗拉强度下降，重复搅拌摩擦焊对焊缝组织影响较小；打磨焊缝背部缺陷后，采用TIG焊填料焊缝正面后再进行FSW返修，焊缝无明显减薄，抗拉强度有一定的下降，且2次返修的抗拉强度较一次有明显下降，次数应不超过2次，焊缝中残留的熔焊支状晶降低了返修后的接头性能；打磨后采用TIG焊填料并修平后进行FSW返修，两次返修接头强度未出现降低，熔焊填料的组织能够全部转化为FSW组织；打磨背部缺陷后TIG填料也能消除未焊透缺陷，但出现了明显的气孔甚至裂纹缺陷，强度严重下降，不宜采用。此外，选用较大的尺寸的搅拌头有助于维持焊缝强度。 The linear defect on the back of 2A14 aluminum alloy friction stir welding (FSW) was repaired, analyzed the effects of different repair methods on the elimination of weld defects, mechanical properties and microstructure of the joint, and studied the process characteristics of the repair of weld back defects. The results show that four methods can eliminate incomplete penetration defects. Directly using FSW for repair can be repaired four times, but multiple repairs can cause weld thinning and tensile strength reduction. Repeated friction stir welding has a small impact on weld microstructure; After polishing the defects on the back of the weld, use TIG welding filler on the front side of the weld, and then conduct FSW repair, the weld has no obvious thinning, and the tensile strength has decreased to a certain extent. The tensile strength of the two repairs has decreased significantly compared to that of the first one, and the number of times should not exceed 2. The residual fusion welding dendrites in the weld reduce the performance of the repaired joint; After polishing, TIG welding filler was used and smoothed, and FSW repair was performed, the strength of the joint repaired twice did not decrease, and the microstructure of the fusion welding filler could be fully converted to FSW microstructure; After polishing the back defects, TIG filler can also eliminate the lack of penetration defects, but there are obvious air holes and even cracks, which seriously reduce the strength and are not suitable for use. In addition, selecting a larger size stirring head helps to maintain weld strength. 2A14铝合金 搅拌摩擦焊 背部线状缺陷 返修 2A14 aluminum alloy friction stir welding back linear defect repair 前言 1 2A14（LD10）铝合金具有较高的比强度和比刚度，在航空、航天、汽车机械制造等工业中得到了广泛应用。搅拌摩擦焊（FSW）由于固相焊接特性在焊接铝合金时不会产生气孔、夹杂等熔焊缺陷，成为2A14铝合金的重要焊接方法，但在焊接过程中容易产生背部线状缺陷 ［ 1 1 - 3 3 1-3 ］ 。搅拌摩擦焊的焊缝背部线状缺陷一般分为两种，一种是根部弱结合，一种是未焊透。根部弱结合是焊缝与工装存在间隙时，在定位焊与局部矫形过程中，发生焊缝偏离而导致的曲线状缺陷。未焊透缺陷位于焊缝根部，背部对接面未形成有效连接，通过低倍显微镜观察，缺陷形貌比较明显，一般呈直线状 ［ 4 4 - 6 6 4-6 ］ 。 当背部线状缺陷深度较浅（≤0.10 mm）时，可直接打磨去除，但当深度较大时，需进行返修。刘育宁 ［ 2 2 ］ 等人采用焊缝正面排挖后熔焊修复，补焊接头的性能接近原始搅拌摩擦焊接头。刘会杰 ［ 3 3 ］ 等人采用搅拌摩擦焊对焊缝缺陷进行补焊，获得了等强补焊的效果。徐海涛 ［ 4 4 ］ 等人对6005铝合金双轴肩焊缝进行返修，返修后接头焊核区未表现出对疲劳裂纹的敏感。 目前已存在针对各类FSW焊缝返修技术，但针对FSW背部线状缺陷返修缺乏综合的组织性能评价。本文针对2A14铝合金背部线状缺陷，设计了FSW直接返修、打磨TIG正面填料后FSW返修、打磨TIG背面填料后FSW返修、打磨后TIG填料返修4种不同的返修方案进行试验研究，并对返修后接头的力学性能和微观组织进行分析，为2A14铝合金FSW焊缝背部线状缺陷的修复提供了参考。 试验材料和方法 1 试验设备主要为自研的FSW-2SLM搅拌摩擦焊设备，采用300 mm×100 mm×3.5 mm的2A14-T6铝合金试板，母材抗拉强度≥420 MPa，延伸率为15%~17%，主要化学成分见 表1 表1 ，接头采用对接形式。根据前期已有试验研究，采用3 mm的偏短搅拌针的搅拌工具制造未焊透缺陷，采用3.3 mm长搅拌针的搅拌工具及TIG焊对焊缝未焊透缺陷进行返修。制定了4种返修方案，如 表2 表2 所示，S0为采用搅拌工具A焊接获得的无缺陷焊缝。方案一是直接利用搅拌工具采用相同的焊接参数对焊缝进行重复性焊接；方案二是对焊缝背部缺陷进行打磨，并采用TIG焊对焊缝正面进行填料，再采用FSW进行返修；方案三是对焊缝背部缺陷进行打磨，并使用TIG焊进行填料，对熔焊区域进行修平，再采用FSW进行返修；方案四对焊缝背部缺陷进行打磨，并使用TIG焊进行填料。返修过程中，旋转速度为600 r/min，焊接速度为200 mm/min，焊接倾角为3°，采用搅拌工具A（轴肩直径15 mm、搅拌针直径5 mm）和搅拌工具B（轴肩直径18 mm、搅拌针直径6 mm）两种搅拌工具，不同的返修次数。焊缝背部打磨深度控制在0.3 mm左右，并经过X射线检验确认未焊透缺陷已排除。TIG熔焊填料参数为焊接电流90 A，焊接速度为120 mm/min，频率为100 Hz，采用BJ380A作为填充焊丝。 Cu Mg Si Mn Al 3.9~4.8 0.4~0.8 0.6~1.2 0.4~1 余量 试验编号 返修方案 返修次数 搅拌工具 S0 — — 搅拌工具A S1 4 方案一 1 搅拌工具A S2 2 搅拌工具A S3 3 搅拌工具A S4 4 搅拌工具A S5 4 方案二 1 搅拌工具A S6 1 搅拌工具B S7 2 搅拌工具A S8 2 搅拌工具B S9 4 方案三 1 搅拌工具A S10 1 搅拌工具B S11 2 搅拌工具A S12 2 搅拌工具B S13 方案四 1 搅拌工具A 焊后采用电火花切割机沿垂直于焊接方向截取焊接接头横截面镶嵌制作金相试样，用金相砂纸和金刚石抛光液对金相试样金相处理，并用Keller试剂进行化学浸蚀后在金相显微镜下对接头宏观形貌及焊缝显微组织进行观察。参考GB/T228.1—2021《金属材料室温拉伸试验方法》，沿垂直于焊接方向在焊缝上切取标准拉伸试样，采用100 kN电子万能材料试验机对接头进行拉伸性能测试，设置拉伸速率为1 mm/min。在硬度计上进行显微硬度测试，从接头中心位置打点，间距0.5 mm，试验载荷100 g，加载时间10 s。 试验结果及分析 1 返修方法对焊缝缺陷的影响 2 图 1a 1a 、 1b 1b 为需要返修的焊缝正面和背面形貌， 图1c 图1c 为采用熔焊填料的形貌。采用方案一直接进行搅拌摩擦焊返修，采用搅拌工具A，重复进行了4次返修，通过X射线对焊缝进行检查，S1~S4均能够消除未焊透缺陷，S1焊缝无明显减薄，S2~S4的焊缝出现明显的减薄。 1;2;3; 采用方案二对焊缝背部缺陷进行打磨，并采用TIG对焊缝正面进行填料，采用搅拌工具A（S5、S7）和B（S6、S8）分别进行焊接，通过X射线对焊缝进行检查，该方案能够消除未焊透缺陷，可进行两次返修，焊缝无明显减薄。 采用方案三对焊缝背部缺陷进行打磨，并使用TIG对背部打磨处进行填料，对熔焊区域进行修平，再采用搅拌工具A（S9、S11）和B（S10、S12）分别进行FSW返修。通过X射线对焊缝进行检查，该方案也能够消除未焊透缺陷，可进行两次返修，焊缝无明显减薄。 采用方案四对焊缝背部缺陷进行打磨，并使用TIG对背部打磨处进行填料，通过X射线对焊缝进行检查该方案（S13）能够消除未焊透缺陷，但焊缝出现了明显的气孔缺陷。 返修方法对接头力学性能的影响 2 图2 图2 是采用方案一进行返修得到的接头抗拉强度与返修次数的关系曲线，可以发现随着返修次数的增加，接头抗拉强度下降，延伸率有所增加。抗拉强度的下降与焊缝正面减薄有关，说明在搅拌工具下压造成的焊缝减薄没有超过最大减薄量时，可利用搅拌摩擦焊对焊缝进行返修，能够在不降低焊缝强度的情况下，消除焊缝的背部线状缺陷。 图3 图3 是采用方案二进行返修得到的接头抗拉强度，可以发现采用和S0相同的搅拌工具A进行返修时，焊缝强度由351 MPa下降为325 MPa，下降7.5%，而采用较粗的搅拌工具B返修，焊缝强度为337 MPa，只下降了4%。接头强度下降是由于熔焊后接头的组织有一定的粗化，特别是热影响区，导致接头抗拉强度有一定程度的下降。使用尺寸较大的搅拌工具有利于维持焊缝强度，是因为熔焊填料后覆盖了原有FSW焊缝，一定程度拓宽了焊缝宽度，如果继续采用原有搅拌工具进行返修，无法完全覆盖熔焊区域。方案二对焊缝进行两次返修后发现，无论使用哪种工具，焊缝抗拉强度都明显下降。可见采用方案二可以消除焊缝中的背部线状缺陷，使用能够覆盖整个熔焊焊缝表面的粗搅拌工具有利于维持焊缝的抗拉强度，且返修次数不应超过两次。 图4 图4 是采用方案三进行返修得到的接头抗拉强度。可以看出，采用方案三进行返修时，接头抗拉强度未出现明显下降，不同的搅拌工具对接头的影响也不明显，且两次返修后焊缝强度和延伸率也没有降低。 图5 图5 是采用方案四直接对焊缝背部进行熔焊填料（S13）的接头抗拉强度。可以明显发现，该方法能够消除焊缝的背部线状缺陷，但接头抗拉强度严重下降，说明该方法不适于搅拌摩擦焊的背部线状缺陷返修。 S0和S13的抗拉强度断口形貌如 图6 图6 所示。观察发现使用搅拌摩擦焊的焊接接头（S0）断口中有着明显的韧窝形貌，且具有第二相粒子，直接熔焊返修的S13断口韧窝小而浅，撕裂棱少，且存在有缺陷，第二相粒子很少。说明采用熔焊对搅拌摩擦焊焊缝缺陷进行直接返修会降低接头韧性，不利于返修后的接头性能 ［ 7 7 ］ 。 1;2; 返修方法对接头组织的影响 2 图7 图7 分别为采用方案一进行返修的接头焊核区（见图 7a 7a 、 7b 7b ）、热机影响区（见图 7c 7c 、 7d 7d ）和热影响区（见图 7e 7e 、 7f 7f ），可以发现经过一次返修（S1）和经过四次返修（S4），焊核区的晶粒尺寸有所增加，热机影响区的结构未变，热影响区的晶粒尺寸无明显增加，分析是搅拌摩擦焊过程中焊核区在搅拌和热的作用下发生动态再结晶，重复的搅拌摩擦焊使焊核区晶粒受热长大，铝合金母材散热较快，重复焊接对热影响区影响较小。热影响区为接头薄弱区域，说明多次FSW返修不会明显降低接头组织性能。 1;2; 图8 图8 是采用方案二经过两次返修后得到的焊缝微观组织，可以发现，在轴肩影响区的下方残留有熔焊形成的枝状晶（见 图8a） 图8a） ，说明经过两次熔补后，轴肩边缘处的熔焊热影响区不易受到搅拌工具的搅拌作用，且两次熔焊的热输入使得热影响的晶粒粗化更加明显，见 图8b 图8b 。 1;2; 图9 图9 是采用方案三经过两次返修（S12）焊核区的微观组织，可以发现FSW焊核区的微观组织与经过熔焊填补再经过FSW的微观组织基本一致，均为细小的等轴晶。背部填料相对较少，熔焊宽度较窄，搅拌工具能够覆盖熔焊填料区域，通过搅拌工具的搅拌作用将背部TIG填料的熔焊焊缝转为化FSW焊缝，能够消除背部线状缺陷。 图10 图10 是采用方案四的焊缝FSW与熔焊填料的分界处组织，可以明显看出熔焊组织为树枝晶，而原FSW焊缝由于熔焊的热输入，细小的等轴晶长大粗化，变成熔焊区域的热影响区 ［ 8 8 ］ 。 熔焊填料后原FSW焊缝中出现了裂纹，如 图11 图11 所示，这是因为熔焊填料后，焊缝中存在应力，拌摩擦焊焊缝在拉应力的作用下出现裂纹，这会严重降低焊缝的力学性能，与方案四接头抗拉强度严重下降的力学试验结果相符。 图12 图12 是熔焊填料处的焊缝微观形貌，可以明显看出焊缝中存在气孔缺陷，这也会降低接头的力学性能。气孔是熔焊常出现的缺陷之一，可见如果只使用熔焊对焊缝背部进行返修，会给焊缝带来额外的缺陷，从而使焊缝性能恶化 ［ 9 9 - 10 10 9-10 ］ 。 接头显微硬度 2 图13 图13 为返修焊缝横截面显微硬度分布。由图可知，采用方案一和方案三返修的接头显微硬度值呈“W型”分布，采用方案二和方案四返修的接头显微硬度呈“U型”分布。母材硬度值较高，焊核区硬度值较周围热影响区大，热机影响区与热影响区过渡区存在明显的硬度软化，硬度值较低。采用加入熔焊的返修方案，焊缝区域硬度整体下降，S9即方案三的接头硬度最接近搅拌摩擦焊返修效果，有利于维持接头的性能。分析是在采用TIG焊对焊缝填料时，由于熔焊温度高，焊缝区域组织晶粒长大，降低了焊缝区域的硬度，由于背部排挖区域比正面小，填料相对较少，焊缝组织受熔焊影响较小，返修后性能下降最少。 结论 1 （1）采用方案一对FSW焊缝的背部线状缺陷进行返修，在保证最大减薄量不超差的情况下，能够消除焊缝背部线状缺陷，且不会降低焊缝接头强度。 （2）使用方案二对FSW焊缝的背部线状缺陷进行返修，能够消除焊缝背部线状缺陷，会一定程度降低焊缝的抗拉强度，使用直径较大的搅拌工具进行返修有益于维持焊缝的强度，且返修次数不应超过两次。 （3）使用方案三对FSW焊缝的背部线状缺陷进行返修，能够消除焊缝背部线状缺陷，两次返修也不会降低接头的强度。 （4）使用方案四对FSW焊缝的背部线状缺陷进行返修，熔焊缺陷以及给FSW焊缝造成的裂纹缺陷会严重降低接头强度。 （5）综合比较，采用熔焊填料有利于保证焊缝没有明显减薄，背部填料更有利于返修后的接头强度，选用直径较大的搅拌工具进行返修，返修次数不超过2次，有利于提高接头性能。 参考文献 LIU H J ， ZHANG H J . 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