Study on Properties of 2A12-T4/7A09-T6 Aluminum Alloy Refill Friction Stir Spot Welding Joint

2A12-T4/7A09-T6铝合金回填式搅拌摩擦点焊接头性能研究 Study on Properties of 2A12-T4/7A09-T6 Aluminum Alloy Refill Friction Stir Spot Welding Joint first-author 方远方（1984—），男，博士，高级工程师，主要从事搅拌摩擦焊新工艺与装置研发工作。E-mail：fangyuanfang2000@163.com。 方远方（1984—），男，博士，高级工程师，主要从事搅拌摩擦焊新工艺与装置研发工作。E-mail：fangyuanfang2000@163.com。 fangyuanfang2000@163.com 首都航天机械有限公司，北京 100076 首都航天机械有限公司，北京 100076 Capital Aerospace Machinery Co., Ltd., Beijing 100076, China Capital Aerospace Machinery Co., Ltd., Beijing 100076, China 采用机器人搅拌摩擦点焊设备对1.2 mm厚2A12-T4铝合金与4 mm厚7A09-T6铝合金板材进行回填式搅拌摩擦点焊试验，并对焊后试样进行X光检测、力学抗拉力检测，对焊点内部组织进行光学显微镜、扫描电镜观测。试验结果表明：当下扎/回填速率为30 mm/min时，试样抗拉力较低，当下扎/回填速率为40 mm/min、50 mm/min时，试样抗拉伸力较高，且随转速升高的变化趋势相近，试样最高抗拉力出现在转速2 100 r/min、速率40 mm/min时；焊点外缘结合区是材料结合最薄弱区域，若该区域表面出现缺陷，则焊点力学性能较差，该区域表面平整，则焊点力学性能高；试样断裂方式均为薄板一侧出现“穿孔”，焊点完整留在厚板一侧，断口断裂机制为韧性断裂、晶间滑移与脆性断裂相互作用的混合断裂。 The lap welding of 1.2 mm 2A12 and 4.0 mm 7A09 aluminum alloys were carried out throgh refill friction stir spot welding technology by robot friction stir spot welding system. Specimen were field X-ray fluorescence exploration，subjected to tensile testing and observed by metallographic and scanning electron microscopy. The results showed that tensile force of joint was low when the welding speed was 30 mm/min. When the compaction/refilling rate increases to 40 mm/min and 50 mm/min, the tensile strength of the sample is relatively large, and the trend of change is similar with the increase of the rotational speed. The highest mechanical properties of the sample occur at the rotational speed of 2 100 r/min and the speed of 40 mm/min; The bonding area at the outer edge of a solder joint is the weakest area for material bonding. If there are defects on the surface of this area, the mechanical properties of the solder joint are poor. If the surface of this area is flat, the mechanical properties of the solder joint are high; the fracture mode of the sample is "perforation" on one side of the thin plate, and the solder joint remains intact on the side of the thick plate. The fracture mechanism is a mixed fracture of ductile fracture, intergranular slip, brittle displacement, and brittle fracture. 搅拌摩擦点焊 2A12铝合金 7A09铝合金 力学性能 friction stir spot welded 2A12 aluminum alloys 7A09 aluminum alloys mechanical property 前言 1 搅拌摩擦焊作为一种固相焊接方法，避免了传统熔焊易出现的气孔、偏析、凝固裂纹等缺陷，焊缝组织经历了强烈热力耦合条件下的动态再结晶过程，接头质量高；热输入低，焊接变形小；无需添加焊丝和焊前处理，焊接过程无弧光和烟尘，是一种绿色焊接技术 ［ 1 1 - 4 4 1-4 ］ 。此外，工艺稳定性高，易于实现焊接过程自动化控制，在航空航天、船舶制造、轨道车辆等制造领域得到了广泛应用，技术经济效益显著 ［ 5 5 - 7 7 5-7 ］ 。 搅拌摩擦点焊（Friction Stir Spot Welding，FSSW）是基于搅拌摩擦焊技术发展起来的一项新的点焊技术，与传统电阻点焊相比，具有接头质量高、结构变形小或无变形、生产成本及能耗低等优点，主要分为固定式搅拌摩擦点焊和回填式搅拌摩擦点焊两种。固定式搅拌摩擦点焊焊接结束时会在焊点表面留下一个匙孔，不仅影响焊缝表面美观，而且会减小接头的有效承载面积，在一定程度上降低焊缝的力学性能。回填式搅拌摩擦点焊（Refill Friction Stir Spot Welding，RFSSW）于1999年由德国GKSS（Riftec）公司提出，其技术特点是采用平端面的分体式搅拌工具外加一个主要用于防止焊接区材料外溢的压紧套，通过焊具复杂的相对运动将焊接过程中挤出的材料回填到接头中，最显著的优势在于焊点平整，消除了焊接匙孔 ［ 8 8 - 10 10 8-10 ］ 。 回填式搅拌摩擦点焊可分为4个阶段过程：摩擦加热、下扎过程、回填过程及焊点形成。搅拌工具高速旋转与焊料表面发生摩擦，之后轴肩下扎穿透焊料同时搅拌针抬起与轴肩形成空腔，软化的焊料进入该空腔，之后轴肩回抽同时搅拌针下扎，之前进入空腔的焊料回填至焊接位置形成焊点。Amancio-Filho 等 ［ 11 11 ］ 研究了AA2024-T3 铝合金的回填式搅拌摩擦点焊技术，得到了高质量、高抗拉强度的点焊接头。Shi等 ［ 12 12 ］ 研究了 2198-T8 铝锂合金的回填式搅拌摩擦点焊工艺，发现随着搅拌工具转速的增加，焊点的搭接抗剪切力先增大后减小。Goebel等 ［ 13 13 ］ 对3 mm厚2198-T851 合金的匙孔缺陷进行回填式搅拌摩擦点焊修补，得到抗拉力达到母材80%的焊点接头。张浩楠等人 ［ 14 14 ］ 对7050+2524铝合金回填式搅拌摩擦点焊接头的组织与性能进行研究，发现接头的抗剪强度随着转速的增加而减小，下压量是影响断裂方式的重要因素。 目前，回填式搅拌摩擦点焊技术已经在某型飞机舱门零件、新能源汽车铝合金电池托盘等领域得到局部应用，但仅限于少部分元器件的生产，而在大量使用2xxx与7xxx系列的高强铝合金的航空航天领域尚未实现大规模工业化应用，因此，开展相关的技术研究具有重要意义 ［ 6 6 - 10 10 6-10 ］ 。本文以航空航天型号应用为研究背景，将2A12与7A09两种高强铝合金进行回填式搅拌摩擦点焊试验，优化工艺参数，为高强铝合金的新型焊接应用提供理论依据。 试验方法 1 采用搭接形式对2A12-T4铝合金（上板，规格80 mm×30 mm×1.2 mm）和7A09-T6铝合金板材（下板，规格80 mm×30 mm×4 mm）进行回填式搅拌摩擦点焊。两种材料的化学成分如 表1 表1 所示。焊接前打磨试板，以去除表面氧化层并清理干净。焊接设备选用KUKA KR500为本体集成国产自制搅拌摩擦点焊机头装置的机器人搅拌摩擦点焊设备（见 图1 图1 ），搭接形式如 图2 图2 所示，搅拌针直径6 mm，轴肩直径12 mm。点焊试验设计不同转速与下扎/回填速率的组合（下扎与回填速率保持一致），转速范围为1 700~2 600 r/min，下扎速率与回填速率相同，选取30 mm/min、40 mm/min、50 mm/min三组参数，下扎深度全部为1.5 mm。每组参数组合检测5个试样取平均值。 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 焊后试样先目测焊点表面成形情况，之后进行X光无损检测内部质量，检测合格后的试样按GB/T228.1—2021《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，拉伸速率0.5 mm/s。每组试样沿焊点中心横截面剖切取金相试样进行打磨、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扫描电镜对其剖切后的断口进行扫描电镜检测。 试验结果与分析 1 工艺参数对焊点质量的影响 2 对焊后试样进行目测观察，结果发现当转速大于2 500 r/min时，由于热输入过大导致焊点表面出现缺陷，其余参数试样焊点表面成形情况良好（见 图3 图3 ）。当转速为1 800 r/min时，焊点X光检测焊点内部质量结果如 图4 图4 所示，可以看出当下扎/回填速度为30 mm/min和40 mm/min时，焊点内部出现不同程度的外缘结合缺陷（见图 4a 4a 、 4b 4b ），当下扎、回填速度为50 mm/min时，焊点出现明显的中心孔缺陷（见 图4c） 图4c） 。因此选择转速在1 900~2 500 r/min范围内的试样进行下一步力学性能检测。 1,2,3; 焊接接头的力学性能 2 2A12/7A09铝合金搅拌摩擦点焊搭接试样拉伸形貌如 图5 图5 所示，选取力学性能相对较高的5组参数。可以看出，5组参数的焊点断裂形式相同，均为薄板一侧出现“穿孔”，焊点完整留在厚板一侧，这是由于2A12、7A09材料均为强度较高的铝合金板材，而拉伸过程中焊点结合较弱的外缘区域首先产生应力集中现象，而焊点区域由于本身材料强度较高，在内部并未出现开裂现象。 2A12/7A09铝合金焊点抗拉力检测结果如 表3 表3 、 图6 图6 所示。检测结果可以看出：当下扎/回填速率为30 mm/min时，焊点的抗拉力明显低于另外两个速率的检测值；当下扎/回填速率升到40 mm/min、50 mm/min时，试样抗拉力比较接近，转速不大于2 000 r/min时，抗拉力随着转速的提升而升高，转速2 100 r/min时，力学性能达到极值，超过2 100 r/min之后性能略有下降，但总体保持平稳，两组参数抗拉强度在该转速区域内的变化趋势相同。当转速2 100 r/min、速率40 mm/min时，抗拉力达到峰值。 速率 转速 1 900 r/min 2 000 r/min 2 100 r/min 2 200 r/min 23 00 r/min 2 400 r/min 2 500 r/min 30 mm/min 2.29 2.07 1.75 2.04 2.58 2.92 2.14 40 mm/min 3.64 2.99 6.74 6.37 5.38 4.90 5.53 50 mm/min 3.57 5.14 6.25 5.53 5.77 5.39 5.89 焊接接头横截面微观组织观测 2 选择力学性能较好的两组参数（40 mm/min、50 mm/min）试样进行焊点内部微观组织观测，从焊点中间剖切观测横截面金相组织，结果如 图7 图7 所示。可以看出，焊点横截面未出现明显的空洞、裂纹等缺陷，上下两层界面清晰，上层2A12铝合金颜色较深，下层7A09铝合金亮度较高，这是由于上层材料受到强烈的搅拌，晶粒重新分布，多为等轴晶，下层材料主要受挤压力作用，以变形的柱状晶为主，试样经侵蚀后进行光学显微镜观测，柱状晶更易反光。 1;2;3;4;5;6; 焊点两侧外缘结合区域是连接薄弱区，因此，当试样进行拉伸检测时外缘结合区最先断裂，这与 图5 图5 中试样的断裂形式相符。 图7 图7 中可以看出明显的焊点与母材之间的边缘界面（圆框内），当转速小于2 000 r/min时焊点两侧的边缘界面均比较明显，随着转速的提升，边缘界面依然存在但深度明显减轻，而且这种情况均出现焊点一侧，而另一侧的边缘界面较轻。速率40 mm/min时，边缘界面最为严重的出现在转速较低的2 000 r/min，此时的焊点抗拉强度最弱，这与 图6 图6 中试样的抗拉强度变化趋势总体相符。 将力学性能最差的2 000 r/min、40 mm/min与力学性能最佳的2 100 r/min、40 mm/min两组试样的边缘界面区域放大处理后进行比对，结果如 图8 图8 所示。圆框标识区域是搅拌摩擦点焊过程中材料流动的最末端，也是材料结合最薄弱区域，在试样拉伸检测过程中最先开裂，2 000 r/min、40 mm/min试样的边缘界面出现明显“缺口”，而2 100 r/min、40 mm/min试样的焊点表面平整，边缘区域未出现“缺口”，两组参数试样的抗拉伸力存在较大差异。 1;2; 边缘界面的断口组织分析 2 将力学性能最佳试样（2 100 r/min、40 mm/min）板材断口沿中心线剖切，对一侧的横截面进行扫描电镜观测，结果如 图9 图9 所示。断口中部区域与端部组织不同（见 图9 图9 b），经过局部放大可以看出，中部区域组织（见 图9 图9 c）呈现等轴韧窝，为典型塑性断裂特征；边缘组织（见 图9 图9 d）较为复杂，出现晶粒滑移残留痕迹同时也可以观测出部分脆性断裂的划痕，说明该区域的断裂方式同时为晶间滑移与脆性断裂，因此，整个试样的断裂机制为韧性断裂、晶间滑移与脆性断裂的混合断裂。 结论 1 （1）在1.2 mm 2A12与4.0 mm 7A09铝合金回填式搅拌摩擦焊搭接试验中，当下扎/回填速率为30 mm/min时，试样抗拉伸力较低，当下扎/回填速率升高到40 mm/min、50 mm/min时，试样抗拉伸力较高且变化趋势相近，在转速2 100 r/min、下扎/回填速率40 mm/min时，试样抗拉力达到最大值。 （2）焊点外缘结合区域是材料结合最薄弱区域也是试样拉伸检测过程中最先开裂区域，直接决定焊点的力学性能，该区域表面出现缺陷，则焊点力学性能较差，该区域表面平整，则焊点力学性能高。 （3）2A12/7A09铝合金搅拌摩擦点焊拉伸检测中，试样断裂方式一致，均为薄板一侧出现“穿孔”，而焊点完整留在厚板一侧，断口断裂机制为韧性断裂、晶间滑移与脆性断裂相互作用的混合断裂。 参考文献 Thomas W M ， Nicholas E D ， Needham J C . 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