焊接速度对厚板5083铝合金搅拌摩擦焊接头组织与性能的影响

《高强铝合金搅拌摩擦焊接机理及接头性能调控》篇一一、引言高强铝合金因具有轻质、高强、耐腐蚀等特性，广泛应用于航空、汽车、轨道交通等重要领域。

然而，高强铝合金的连接工艺一直是制约其应用的关键问题之一。

搅拌摩擦焊接（Friction Stir Welding, FSW）作为一种固相连接技术，因其独特的焊接原理和优良的焊接性能，在高强铝合金的连接中得到了广泛应用。

本文将详细探讨高强铝合金搅拌摩擦焊接的机理及接头性能调控。

二、高强铝合金搅拌摩擦焊接机理搅拌摩擦焊接是一种通过摩擦热和机械搅拌作用实现固相连接的工艺。

其基本原理是通过旋转的搅拌针与工件间的摩擦热，使材料局部熔化或塑性化，然后通过搅拌针的旋转和移动，将材料混合并连接在一起。

在高强铝合金的搅拌摩擦焊接过程中，主要包括以下几个阶段：1. 初始阶段：搅拌头插入待焊工件，产生强烈的摩擦热，使局部材料发生塑性变形。

2. 塑化阶段：随着摩擦热的进一步作用，材料逐渐进入完全塑性化状态，搅拌针开始旋转和移动。

3. 焊接阶段：在搅拌针的机械搅拌作用下，材料充分混合并连接在一起。

4. 冷却阶段：焊接完成后，工件自然冷却，形成牢固的焊接接头。

三、接头性能调控接头性能是评价搅拌摩擦焊接质量的重要指标。

影响接头性能的因素有很多，包括焊接速度、搅拌头类型、搅拌针深度等。

通过调控这些因素，可以有效改善接头性能。

1. 焊接速度调控：焊接速度直接影响焊接接头的热输入和冷却速度。

适当的降低焊接速度可以增加热输入，使材料充分熔化和混合，从而提高接头的力学性能。

然而，过高的热输入可能导致晶粒粗大，降低接头的韧性。

因此，需要合理控制焊接速度，以获得良好的接头性能。

2. 搅拌头类型选择：搅拌头的形状和尺寸对焊接过程和接头性能具有重要影响。

不同形状的搅拌头可以产生不同的摩擦热和机械搅拌效果。

选择合适的搅拌头类型可以优化焊接过程，提高接头的力学性能。

3. 搅拌针深度调控：搅拌针深度直接影响材料的塑化程度和混合效果。

第29卷　第4期2008年8月大连交通大学学报JOURNAL　OF　DAL I A N　J I A OT ONG　UN I V ERSI TYVol.29　No.4　Aug.2008　　文章编号:167329590(2008)04200682045083铝合金搅拌摩擦焊焊缝的电化学腐蚀行为赵亚东1,沈长斌1,刘书华1,葛继平1,黄振晖2,董春林3(1.大连交通大学材料科学与工程学院,辽宁大连116028; 2.中国北车集团唐山轨道客车有限责任公司产品研发中心,河北唐山063035; 3.中国搅拌摩擦焊中心,北京100024)摘　要:通过室温静态挂片实验以及动电位极化曲线测试,在0.2mol/L NaHS O3+0.6mol/L NaCl溶液中,对5083铝合金搅拌摩擦焊(FS W)焊缝以及5083铝合金母材的电化学腐蚀行为进行了研究.结果表明:主轴转速为300r/m in,焊接速度为160mm/m in,搅拌头倾角为3°时的焊缝与母材相比,平均腐蚀速率较小,腐蚀电位Ecorr 正向移动,腐蚀电流Icorr变小.同时使用扫描电子显微镜(SE M)对室温静态挂片实验试样的表面形貌进行了观察,发现焊缝表面上局部只出现少量较浅的点蚀坑,而母材表面的点蚀现象较为严重.关键词:铝合金;搅拌摩擦焊;焊缝;电化学腐蚀中图分类号:TG172.9文献标识码:AElectrochem i ca l Corrosi on Behav i or of Fr i cti on Sti rW eld i n g W eld of5083A lu m i n u m A lloyZHAO Ya2dong1,SHEN Chang2bin1,L I U Shu2hua1,GE J i2p ing1,HUAN Zhen2hui2,DONG Chun2lin3(1.School of M aterials Science and Engineering,Dalian J iaot ong University,Dalian116028,China;2.R&DCenter,CNR Tangshan Rail w ay Vehicle Co.,L td,Tangshan063035,China;3.China FS W Center,Beijing100024,China)Abstract:Electr oche m ical corr osi on behavi or of fricti on stir welding weld of5083alu m inum al2l oy and parent material were comparatively investigated in the s oluti ons of0.2M NaHS O3and0.6M NaCl at r oom te mperature by static weight l oss experi m ent(gravi m etric test)and poten2ti odyna m ic polarizati on technique.The corr osi on rate of the weld at the t ool r otati on rate of300r/m in,and the traverse s peed of160mm/m in with3°t ool tilt was less than that of the parent ma2terial.The corr osi on potential of the weld was more positive than that of the parent material,andthe corr osi on current density was less than that of the parent material.SE M observati on showedthat a fe w shall ow p its p resented on the surface of the weld,however,a large number of deeperp its e merged on the surface of the parent material.Key words:alu m inu m all oy;fricti on stir welding;weld;electr oche m ical corr osi on铝合金搅拌摩擦焊焊缝的腐蚀性能研究具有一定的理论意义和工程应用价值.作者对5083铝合金搅拌摩擦焊焊缝在室温0.2mol/L NaHS O3+0.6mol/L NaCl溶液中的电化学腐蚀行为进行了较为详尽的研究.3收稿日期:2007211223基金项目:大连市经委资助项目作者简介:赵亚东(1983-),男,硕士研究生E2ma il:shencb@.　第4期赵亚东,等:5083铝合金搅拌摩擦焊焊缝的电化学腐蚀行为691　试验材料及方法试验材料采用厚度为8mm的5083铝合金,其化学成分见表1所示.试验所采用的搅拌摩擦焊试件是在北京赛福斯特技术有限公司提供的搅拌摩擦焊设备上进行,其工艺参数为:主轴转速为300r/m in,焊接速度为160mm/m in,搅拌头倾角为3°.表1　5083铝合金的化学成分%材料Si Fe Cu Mg Mn Cr Zn Ti其它A l50830.400.400.10.40 4.40.090.250.150.15余量静态失重试验(质量法)中的样品处理方法是先用水磨碳化硅砂纸打磨至1000#,然后用去离子水冲洗,酒精除油脂,吹风机吹干,置于干燥器中备用.腐蚀介质采用0.2mol/L NaHS O3+0.6mol/L NaCl混合溶液,所用NaHS O3、NaCl为分析纯试剂,用去离子水进行配制.样品悬挂于盛有2000mL室温0.2mol/L NaHS O3+0.6mol/L NaCl溶液的长方体状电解池底部,平行样品数为3个.挂片一定时间后,取出样品,先用50mL H3P O4+20g Cr O3+1L蒸馏水配成溶液去除腐蚀产物后,再浸入浓硝酸5m in除去残余的腐蚀产物[1].使用的电子天平由上海民桥精密科学仪器有限公司生产的,型号为F A1104A,精度达到0.1mg.动电位极化曲线是在上海辰华仪器公司生产的CH I600B型电化学工作站上进行的.电解池为全玻璃电解池,三电极系统,极化范围为-1.5～1.5V,扫描速度为0.01V/s,参比电极为饱和甘汞电极(SCE),辅助电极为光亮箔片(面积为3c m2),工作电极通过线切割从大块样品取得,工作面积为1c m2 (注:焊缝的取样原则是尽量取焊缝中间区域),其余非工作表面镶嵌在单组分室温硫化硅橡胶中.工作电极的工作表面的处理方法与静态失重实验中样品的处理方法一样,腐蚀介质亦一样.扫描电子显微镜(SE M)观察采用日本JEOL公司生产的JS M-6360LV型扫描电子显微镜.2　结果与讨论2.1　静态失重试验(质量法)静态失重法(质量法)是最简单和可靠的确定腐蚀速率的方法,它用于测量整个腐蚀期间的平均腐蚀速率.失重试验的结果列入表2(表2中的样品1号为5083铝合金搅拌摩擦焊焊缝,样品2号为5083铝合金母材).使用了三个平行试样,腐蚀速率ν通过下式计算:ν=m0-m1s×t(1)式中,m0为腐蚀试验前的试样质量;m1为腐蚀试验后的试样质量;s为暴露于腐蚀介质的试样总面积;t为腐蚀试验时间.根据式(1),主轴转速为300r/m in,焊接速度为160mm/m in,搅拌头倾角为3°时焊缝的平均腐蚀速率小于5083母材的平均腐蚀速率.表25083铝合金搅拌摩擦焊焊缝和母材在室温0.2m ol/LNaHS O3+0.6m ol/L NaC l溶液中静态失重测试结果试样编号s×10-6m2m1gm2gthv×10-1g・m-2・h-1v×10-1g・m-2・h-1 1146 6.0276 6.020124 2.7311139 6.0062 5.9980243 2.88 1146 6.0323 6.024324 2.911160 6.2421 6.231624 3.7721160 6.2787 6.267724 3.95 3.89 1160 6.2425 6.231524 3.9570　大连交通大学学报第29卷2.2　5083铝合金搅拌摩擦焊焊缝的动电位极化曲线图15083铝合金搅拌摩擦焊焊缝和母材在室温0.2m ol/L NaHS O 3+0.6m ol/L NaC l 溶液中的动电位极化曲线表35083铝合金搅拌摩擦焊焊缝和母材在室温0.2m ol/L NaHS O 3+0.6m ol/LNaC l 溶液中的电化学参数试样Ecorr/mV SCE I corr /(μA ・c m -2)1-709.310.032-717.520.15083铝合金搅拌摩擦焊焊缝的动电位极化曲线如图1所示.对焊缝和母材在室温0.2mol/L NaHS O 3+0.6mol/L NaCl 溶液中的动电位极化曲线进行分析,得出它们的腐蚀电位E corr 和腐蚀电流I corr ,其结果见表3.从结果中可以看出,5083铝合金搅拌摩擦焊焊缝的腐蚀电位E corr 大于母材的腐蚀电位E corr ,其腐蚀电流I corr 值约为母材的1/3.焊缝的动电位极化曲线位于母材的动电位极化曲线的左上侧.图1和表3表明主轴转速为300r/m in,焊接速度为160mm /m in,搅拌头倾角为3°时焊缝的耐腐蚀能力与母材相比较好.2.3　5083铝合金搅拌摩擦焊焊缝腐蚀形貌对失重后的样品用肉眼观察发现,5083铝合金搅拌摩擦焊焊缝的腐蚀形貌均一,相对比较平坦,5083母材的腐蚀形貌比较粗糙,点蚀现象比较严重.图2是1号试样和2号试样的扫描电子显微镜(SE M )的失重试验后的表面形貌图.图2　铝合金搅拌摩擦焊焊缝和母材的腐蚀形貌图(×50)2.4　讨　论在搅拌摩擦焊过程中,焊缝区要经受严重塑性变形,导致晶粒尺寸减小,单位面积内晶粒数目增加,位错密度增加,残余应力也增大(归结为因素1),同时,也使得焊缝区的化学成分均质化(归结为因素2)[2].根据经典理论,材料经过严重塑性变形后单位面积内的晶粒的数目增加,单位面积内的晶界数目亦增加,位错密度增大,这些晶体缺陷的大量增加导致了晶粒和晶界在电化学性能上的不均匀性增大[3],残余应力也增大,从而使材料的耐腐蚀能力降低,即因素1会导致材料耐腐蚀性能的恶化.从腐蚀学的角度,化学成分均质化,降低了材料形成局部腐蚀原电池的倾向,从而提高了材料的耐腐蚀性能[4],即因素2会提高材料耐腐蚀性能.因此,材料经过搅拌摩擦焊后,与母材相比,其电化学腐蚀性能的变化,取决于以上两种因素综合作用的结果,即谁占主导地位.假如,前者占主导地位,材料的电化学腐蚀性能降低[5];假如,后者占主导地位,材料的电化学腐蚀性能得到提高[629].根据实验结果,5083铝合金搅拌摩擦焊焊缝的平均腐蚀速率比5083母材的平均腐蚀速率小,其腐　第4期赵亚东,等:5083铝合金搅拌摩擦焊焊缝的电化学腐蚀行为71　蚀电流也比母材的腐蚀电流小,焊缝的腐蚀电位E corr 与母材的腐蚀电位E corr 相比,向正向移动.焊缝的腐蚀形貌均一,相对比较平坦,但是母材的腐蚀形貌比较粗糙,点蚀现象比较严重.焊缝的电化学腐蚀性能与母材相比,得到提高,是由于焊缝的化学成分均质化占主导地位.3　结　语(1)在室温0.2mol/L NaHS O 3+0.6mol/L NaCl 溶液中,主轴转速为300r/min,焊接速度为160mm /m in,搅拌头倾角为3°时焊缝的平均腐蚀速率小于5083母材的平均腐蚀速率.(2)在室温0.2mol/L NaHS O 3+0.6mol/L NaCl 溶液中,主轴转速为300r/min,焊接速度为160mm /m in,搅拌头倾角为3°时焊缝与母材相比,腐蚀电位E corr 正向移动,腐蚀电流I corr 变小.(3)使用扫描电子显微镜(SE M )对室温静态挂片实验试样的表面形貌进行了观察,发现焊缝表面上局部只出现少量较浅的点蚀坑,而母材表面的点蚀现象较为严重.参考文献:[1]FERRER K S,KE LLY R G .Comparis on of methods of re moval of corr osi on p r oducts fr om AA20242T3[J ].Corr osi on,2001,57(2):1102117.[2]M I SHRA R S,MA Z Y .Fricti on stir welding and p r ocessing[J ].Materials Science and Engineering R,2005,50:1278.[3]单毅敏,罗兵辉,柏振海.5083铝合金在3.5%NaCl 溶液中的电化学腐蚀行为研究[J ].铝加工,2007,(1):11214.[4]刘永辉,张佩芬.金属腐蚀学原理[M ].北京:航空工业出版社,1993:27228.[5]L 7PEZ 2H I RAT A V M ,ARCE 2ESTRADA E M.Characterizati on of Co 2Cu mechanical all oys by linear s weep volta mmetry[J ].Electr ochi m ica Acta,1997,42(1):61265.[6]WANG S G,SHE N C B,LONG K,et al .Preparati on and electr oche m ical corr osi on behavi or of bulk nanocrystalline ingot ir onin HCl acid s oluti on[J ].Journal of Physical Chem istry B,2005,109:249922503.[7]WANG S G,S HE N 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焊接速度对铝合金表面堆焊巴氏合金组织和性能的影响摘要：巴氏合金作为传统的轴瓦材料，其具有良好的顺应性、耐蚀性和耐磨性。

但是，由于巴氏合金质地相对较软，需要与强度较高的基材进行复合，才能够作为轴承衬套使用在工业制造中。

传统的巴氏合金轴瓦制备方式多为离心浇铸，此类巴氏合金轴瓦偏析严重，组织粗大，结合强度低且极易发生脱落。

各种缺陷如气孔、疏松等也经常出现在离心浇铸的巴氏合金轴瓦产品中。

铝合金材料由于其自身质量小，且耐蚀性能优良，在加工时成形性能好，同时某些铝合金的导电导热性也比较好，因此被广泛应用在航空航天以及各类动力交通领域中。

文中选用铝合金材料为基材，利用MIG焊工艺，在铝合金表面堆焊巴氏合金层，系统地研究在其他焊接工艺参数（如焊接电流、电弧电压等）不变的情况下，焊接速度对结合界面的显微组织、力学性能等问题的影响。

关键词：铝合金；巴氏合金；堆焊；焊接速度引言轻量化与环保是汽车材料技术发展的主要方向，采用低密度材料制造汽车零部件是减轻汽车重量和节约能源的有效途径。

铝合金密度低、比强度高、导热性好、耐腐蚀且易于成形，是仅次于钢铁的第二大汽车用材料，目前，铝合金在汽车上的应用正由铸造零部件(如活塞、变速器壳体和轮毅等)朝着梁、柱受力件以及强度要求较高的前端翼子板、发动机支架与全铝车身骨架等车身零部件和结构件发展。

铝合金化学性质活泼，表面易生成难熔氧化物，热导系数及线膨胀系数大，在焊接过程存在热裂纹、气孔、合金元素烧损、难熔合、热影响区软化、接头强度及耐蚀性降低等一系列困难，对焊接技术要求较高，很大程度上制约了铝合金在汽车中的广泛应用。

尤其是经热处理强化的高强铝合金，由于合金元素含量丰富，热处理工艺控制严格，合金性能对熔化焊接过程中温度及成分的变化非常敏感，焊后母材原有的平衡组织及加工历史易遭到破坏，导致接头性能降低。

为了提高汽车铝化率，必需开发和应用新的铝合金焊接技术。

1铝合金的焊接特点(1)铝合金表面有一层致密的氧化铝薄膜(熔点约20500C，焊接时，如不能及时将其清除，则会影响基体金属的熔化质量，产生夹杂等问题，氧化膜还容易吸附水分，焊接时，易出现大量气孔;(2)铝合金比热容大、热导率高(约为钢的四倍)、导电性好，焊接时热输入将迅速向母材流失，因此，熔焊时需采用高度热集中或大功率的热源;(3)铝合金的线膨胀系数大，弹性模数小，焊接产生的热应力、变形及裂纹的倾向大;(4)铝合金对光、热的反射能力较强，对激光的吸收率低;(5)铝合金焊接接头的强度低，接头软化严重，出现不等强效应;(6)铝合金表面张力小，熔融状态下液体勃度低，在熔透焊情况下，焊缝塌陷严重。

焊接工艺对铝合金焊接性能的影响发布时间：2021-12-09T10:19:54.263Z 来源：《电力设备》2021年第9期作者：李治[导读] 能实现半自动和全自动焊接，并且焊缝熔深大，强度高，工艺适应性宽等诸多优点，在工业上得到了广泛应用。

（山东电力建设第三工程有限公司山东省青岛市崂山区 266100）摘要：随着社会经济的发展，各地区建设工程逐渐增多，铝合金是建设工程的重要原材料之一，在实际工作期间，铝合金焊接头软化问题给工作人员带来了很大困扰，也是铝合金焊接结构发展的难题，在业内该问题已经引起了热议。

通过实践调查与相关资料分析可以了解到，一般铝合金具有强度高、密度小、耐腐蚀性强、无磁性等特点，目前，在各种焊接结构中，铝合金材料得以广泛利用，并且受到了相关单位与工作人员的青睐。

但是，现阶段铝合金焊接头软化问题较为严重，对于其运用于相关行业发展造成了阻碍性影响，本文将对铝合金焊接头软化问题及改善措施进行具体分析，希望能够提高铝合金在各项工程中的应用质量和效率。

关键词：焊接工艺；铝合金焊接性能；影响引言铝合金以其耐腐蚀性好、密度低、价格优等特点在航空航天、交通运载工具、石油化工等领域得到广泛应用。

随着铝合金应用的广泛发展，铝合金焊接性能越来越重要。

因此，提高铝合金的焊接性能成为铝合金发展的重点。

铝合金焊接材料是铝合金钎焊和熔化焊所必需的填充材料，是决定焊接技术和焊接质量的重要因素之一。

现今，越来越多铝合金焊接采用熔化极惰性气体保护焊（MIG焊），由于其焊接效率高，能实现半自动和全自动焊接，并且焊缝熔深大，强度高，工艺适应性宽等诸多优点，在工业上得到了广泛应用。

1铝合金焊接接头软化因素分析铝合金焊接后，接头软化问题较为常见，在不同焊接工艺及焊接热输入现象下，接头软化程度也不尽相同，但是，热处理强化铝合金焊接接头软化问题极为严重，不利于后续工作的顺利实施。

在退火情况下，非热处理强化铝合金焊接过程中，母材与接头强度方面基本相同，在冷作硬化情况下焊接，母材强度则大于接头强度。

摘要：A5083铝合金为Al-Mg系防锈型铝合金，不可热处理强化，塑性较好，但强度较低，其耐蚀性和焊接性良好，退火状态时切削加工性较差。

研究4mm厚度A5083P-O MIG焊接接头的组织、硬度及其疲劳强度，发现接头的焊缝组织主要是以细小的枝晶为主，熔合线靠母材侧为垂直于熔合线的细长柱状晶粒。

焊接接头各区域硬度值为70~80HV，热影响区的软化现象不明显。

接头的条件疲劳强度能够达到95MPa。

关键词：A5083P-O铝合金；MIG焊接头；疲劳性能中图分类号：TG444+.74文献标志码：B文章编号：1001-2303（2014）09-0144-04 DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2014.09.35全可靠运行具有重要的意义。

在此对A5083P-O铝合金MIG焊接接头的组织、力学性能及其疲劳性能进行研究，拟为综合评价车体铝合金焊接接头的服役行为提供数据支撑。

1试验材料和方法试验所用材料为4mm厚的A5083P-O铝合金，其化学成分如表1所示。

采用MIG焊接方法，焊丝为ER5356，保护气为99.999%的高纯Ar。

焊接工艺参数：焊接电流135~150A，焊接电压20~22V，焊接速度460~490mm/min，单面焊双面成形。

焊接环境一直保持恒温恒湿条件，温度恒定在23℃~26℃，湿度53%~57%。

试件焊好之后，利用线切割机取样，对接头的微观组织、硬度及其疲劳性能进行试验。

其中金相观察所用设备为Zeiss-A1M数码金相显微镜；硬度试验所用设备为HVS-30维氏硬度计；疲劳试验采用进口的MTS-810低频疲劳试验机，试验温度严格控制在20℃~22℃，试验时频率20Hz，应力比R=0，采用轴向力拉伸（正弦波）循环应力加载方式，疲劳试验件尺寸如图1所示。

试样断口微观形貌采用JSM-6490LV型扫描电子显微镜进行观察。

图1疲劳试样尺寸2试验结果和讨论2.1微观组织A5083P-O对接接头金相组织如图2所示。

焊接方法对铝合金拼焊板成形性能的影响拼焊板技术以其节约材料、减轻车重、降低成本、提高安全性等优点成为一种先进的制造技术。

在汽车车身方面已有大量应用拼焊板技术，但是在ULSAB（世界轻质钢制车身协会）和 ULSAB-AVC（超轻型钢车身——高级汽车概念）计划中，建议是运用拼焊板技术使车身重量减轻45%。

而目前拼焊板的应用并没达到这个水平，这也就给未来提高拼焊板在车身上的应用提供了一个很大的空间。

研究高性能的汽车用轻量化材料拼焊板工艺及其成形性能对提升我国汽车行业在国际中的竞争力具有举足轻重的作用，与此同时还将产生一定的经济效益和社会效益。

本文介绍了铝合金拼焊板焊接方法、激光焊接和搅拌摩擦焊的特点与难点，探讨了金属焊接工艺的原理、特点及国内外研究现状，指出了开展此项研究的必要性和重要意义。

主要通过以铝合金AA5754铝合金为研究对象，分析采用激光焊和搅拌摩擦焊来制备的拼焊板，研究不同的焊接方法制备铝合金拼焊板的LDH值，研究焊接方法对铝合金拼焊板成形性能的影响。

经过LDH试验表明搅拌摩擦焊制备的铝合金拼焊板的LDH 值大一些，成形性能比激光焊制备的铝合金拼焊板要好一些。

在DIC方法的FLD试验中，利用ARAMIS设备以及GOM Correlate软件对极限拱顶试验过程进行数值模拟，结果表明，距离焊缝越近，应变变化越剧烈，离焊缝较远处，应变变化曲线越平缓。

搅拌摩擦焊制备的铝合金拼焊板的应变要比激光焊制备的要大，搅拌摩擦焊制备的铝合金拼焊板最大应变达到了53%，而激光焊制备的铝合金拼焊板最大应变达到30%。

1.1 拼焊板的概述随着科技的进步和社会的发展，人们开始认识到全球资源的有限性及日益严重的环境污染给社会带来的危害，可持续发展战略已经成为人们普遍关注的焦点。

因此人们对以航空航天、汽车、摩托车等行业为代表的零部件生产提出了更高要求：外形要线条流畅且美观漂亮，结构要轻量化且安全性能好。

实现部件结构轻量化的方法有两种：一是零件结构这一方面，在结构上采用变截面等强构件，比如可以采取拼焊板，这样就可以充分利用材料的刚度和强度，也可以减轻质量、节约材料。

5083-H321铝合金板材搅拌摩擦焊缝焊核区组织特征刘洪;袁鸽成;黄泽涛;梁春朗;吴亚;吴红辉【摘要】采用搅拌摩擦焊接法对5083-H321铝合金板材进行焊接,借助光学显微镜、扫描电镜、背散射电子衍射分析仪、显微硬度仪及取向显微成像分析技术,对焊核区及母材的组织与性能进行了对比性研究.结果表明:该合金板材的焊缝无宏观缺陷；搅拌摩擦焊使该合金板材中大量的小角度晶界转化为大角度晶界,母材和焊核区的晶粒尺寸分布范围分别为6～55μm和15～30μm,晶粒纵横比分布范围分别为2～8和1.5～3,焊核区组织呈现均匀化及等轴化的动态再结晶特征；焊缝表面硬度沿焊缝宽度方向分布不均匀,焊核区硬度略高,平均硬度接近母材硬度.【期刊名称】《材料研究与应用》【年(卷),期】2012(006)002【总页数】5页(P114-117,149)【关键词】5083铝合金;搅拌摩擦焊;组织特征【作者】刘洪;袁鸽成;黄泽涛;梁春朗;吴亚;吴红辉【作者单位】广东工业大学材料与能源学院,广东广州510006;广东工业大学材料与能源学院,广东广州510006;广东工业大学材料与能源学院,广东广州510006;广东工业大学材料与能源学院,广东广州510006;广东工业大学材料与能源学院,广东广州510006;广东工业大学材料与能源学院,广东广州510006【正文语种】中文【中图分类】TG457.14搅拌摩擦焊（FSW）是一种新型固相连接技术，焊缝成形性好，无传统焊接过程中产生的裂纹及气孔等缺陷，尤其适用于常规焊接法难以焊接的铝合金等金属材料，在航空、航天、船舶、汽车等制造业中有广阔的应用前景[1-2]．但是，在FSW过程中因材料受到挤压、锻造及剪切等复杂变形力作用，并且受强烈的摩擦热和变形热的影响[3-4]，使焊缝组织的变化过程较为复杂，虽然有关FSW铝合金材料组织与性能的研究报道不少，但大多数研究集中在工艺参数对组织与性能的影响方面，而对FSW动态再结晶过程中晶粒与晶界的变化特征少见报道[5-8]．本文选取FSW较少涉及的5083-H321铝合金板材作为研究对象，对比性地研究焊缝各区及母材的微观组织特征，着重分析焊核区的晶粒演变行为，为了解或预测搅拌摩擦焊焊缝的微观组织提供依据．试验板材为5083-H321铝合金板材，其尺寸为250 mm×80 mm×4 mm．首先在小型机床上沿垂直于板材轧制方向对板材进行FSW焊接，焊接速度设定为80 mm/min，搅拌转速为1000 r/min，其中搅拌头轴肩直径为22 mm，搅拌针长3.4 mm、直径约为7 mm．然后切取焊缝横截面试样若干，经磨光及机械抛光后，分别使用碱性与酸性试剂侵蚀．经处理后的试样，用数码相机拍摄其横截面低倍形貌，再利用LeicaDMI-5000M光学显微镜观察各区微观组织；用扫描电镜背散射电子衍射分析仪(EBSD)分析焊核与母材晶粒形状、尺寸及界面取向差分布图，其中取向差处于3～10°时为小角度晶界，超过10°时则为大角度晶界；用HVS-5硬度仪测定试样表面的显微硬度，以及分析硬度横向分布特征．图1为FSW焊缝横截面侵蚀后低倍形貌图．从图1可见，焊缝无宏观焊接缺陷．焊缝包含焊核区(NZ)、热力影响区(TMAZ)和热影响区(HAZ)三个典型区域，BM为母材区，NZ区与TMAZ区的金属塑性变形及流动迹象较明显，其中前进侧(AS)两区界限比后退侧(RS)的明显，NZ区位于焊缝中间部位，呈现洋葱环形貌，宽度略大于搅拌针直径，且在前进侧左上方产生了材料体向上翻转流动行为，形成了洋葱环尖特征．焊缝区材料所受的变形力，主要来自于搅拌针对材料的旋转搅拌作用以及轴肩的下压力作用，热量主要来自于搅拌工具与工件的摩擦热及材料变形产生的变形热，热与变形力的共同作用使焊缝区组织产生变化．图2为母材与焊缝各区高倍组织形貌图．从图2可见，焊缝各区晶粒特征明显不同．这是由于焊缝各区的热与力分布不均匀，导致各区组织呈现不同的晶粒形貌．其中母材的晶粒沿轧制方向呈板条状（图2（a）），热作用及变形力对其组织没有影响；焊核区晶粒为细小等轴晶（图2（b）），组织变化较大，此区受搅拌针的直接旋转搅拌作用，变形力及热作用对其组织影响大；图2（c）为热力影响区组织形貌，该区晶粒较焊核区的粗大，具有明显的流动特征；热影响区晶粒具有粗化现象（图2（d）），由于与搅拌区距离远，变形力的作用不足以使晶粒产生塑性变形，但在焊接热扩散的作用下，发生了晶粒长大的现象．焊核区是整个焊缝区域中组织变化最大的区域，利用取向显微成像技术(OIM)对试样的EBSD测量数据进行了分析（图3）．图3(a)和图3(b)分别为母材和焊核区的EBSD图像，该区的晶粒大小及形状产生了明显的变化，晶粒尺寸分布（图4）及晶粒纵横比分布（图5）也更清楚地显示出了晶粒的这种变化特征．通过图4发现，母材的晶粒尺寸分布范围较宽，且多数处于6～55 μm之间，焊核区晶粒尺寸分布相对集中，多数晶粒尺寸分布范围为15～30 μm．表明，搅拌摩擦焊能使晶粒得到明显地细化、均匀化．同时，通过图5发现，母材中大多数晶粒纵横比大于2，且分布范围宽，而焊核区的晶粒纵横比分布范围窄，大多处于1.5～3范围内，说明焊核区晶粒较母材产生了明显地等轴化．晶粒取向差分布反映了晶界特性的变化规律，图6为晶粒取向差分布图．从图6可见:母材与焊核区大角度晶界分别占35%和64%，说明在搅拌摩擦焊作用下，母材小角度晶界转化成了大角度晶界；在10°～50°范围内，焊核区大角度晶界所占比例高于母材，而当取向差小于10°时，焊核区小角度晶界低于母材，说明了在搅拌摩擦焊接过程中晶粒发生了动态再结晶，使小角度晶界转变成了大角度晶界，从而导致晶粒被细化；而当取向差大于50°时，无论是母材还是焊核区大角度晶界比例并未发生明显变化，说明高角度晶界并未发生明显转动．图7为5083-H321铝合金FSW焊缝表面硬度沿焊缝横向分布图．从图7可见，母材硬度约为98 MPa，经过搅拌摩擦焊后，焊缝各区硬度出现了较小波动，波动范围约为9 MPa，焊缝平均硬度约为94 MPa，接近母材的硬度，其中在搅拌针作用区和前进侧洋葱环尖部位出现了最高硬度，这是由于这些区域属于焊核区，在焊接过程中晶粒发生了动态再结晶且生成了细小的等轴晶．据霍尔-佩奇公式:σs=σo+Kd-1/2（d为晶粒直径），可以推测出细小的晶粒能使焊核区的强度增加．一般来说，强化后硬度亦应升高，但由于在焊接热变形过程中发生的动态再结晶降低了晶粒内位错密度，使位错强化作用降低．综合两因素，最终致使焊核区的硬度与母材的硬度相当．其它区晶粒尺寸较大，软化占主要地位，因而硬度明显低于母材，但整个焊缝的平均硬度仍接近母材．(1)5083-H321铝合金板材经搅拌摩擦焊接后，获得了无缺陷的焊缝．焊缝成形区的组织呈现出与母材明显不同的特征，焊核区显现搅拌摩擦焊接所特有的洋葱环形貌．(2)搅拌摩擦焊使5083-H321铝合金板材中大量的小角度晶界转化为大角度晶界，母材和焊核区的晶粒尺寸分布范围分别为6～55 μm和15～30 μm，晶粒纵横比分布范围分别为2～8和1.5～3，焊核区呈现明显均匀化与等轴化的动态再结晶组织．(3)焊缝表面硬度沿焊缝宽度方向分布不均匀，由于动态再结晶及晶粒等轴化细化，焊核区硬度略高，但平均硬度接近母材硬度，约为94 MPa，这种硬度分布特征与焊缝区微观组织分布不均相关．【相关文献】[1]曹丽杰．铝合金搅拌摩擦焊接技术的研究进展[J]．电子工艺技术，2009，30:99-103．[2]曾平．搅拌摩擦焊在船用铝合金结构中的应用[J]．船海工程，2010，39:55-57．[3]MCNELLEY T R，SWAMINATHAN S．Recrystallization mechanisms during friction stir welding/processing of aluminum alloys[J]．Scripta Materialia，2008，58:349-354．[4]SCHMIDT H B．Thermal modelling of friction stir welding[J]．Scripta Materialia，2008，58:332-337．[5]ARORA K S，PANDEY S，SCHAPER M．Microstructure evolution during friction stir welding of aluminum alloy A2219[J]．Journal of Materials Science and Technology，2010，26:747-753．[6]束彪，国旭明，张春旭．2195铝锂合金搅拌摩擦焊接头组织及性能[J]．航空材料学报，2010，30（4）:13-15．[7]傅志红，贺地求．7A52铝合金搅拌摩擦焊焊缝的组织分析[J]．焊接学报，2006，27:65-68．[8]SUTTON M A，YANG B．Microstructural studies of friction stir welds in 2024-T3 aluminum[J]．Materials Science and EngineeringA，2002，323:160-166．。

焊接工艺对铝合金焊接性能的影响摘要：近年来，防锈铝由于其优异的性能，已经被广泛地应用于航天、航空、航海、轨道交通、压力容器等多个领域。

5A06铝合金为典型的A1-Mg系防锈铝，具有强度较高、抗腐蚀性稳定和焊接性能良好等优点。

但铝及其合金具有导热性能强、线膨胀系数大、熔点低及高温强度小等特点，使得该类合金的焊接难度较大。

国内相关研究者对铝合金的焊接方法及焊接性能等开展了大量的分析研究。

经调研发现，铝及其合金氩弧焊多采用衬底结构或反面封底焊接的方法，以确保焊缝背面成型良好。

关键词：铝合金；焊接工艺；焊接性能；力学性能；显微组织引言铝合金材料密度小、耐腐蚀、容易加工，且强度比较高，因此，铝合金材料在农业、航空、汽车等领域应用十分广泛。

随着社会的高速发展，铝合金应用越来越广泛，铝合金材料在越来越多的领域中得到推广。

架空输电线路一直使用的是铁塔，铝合金材料与钢材料相比更耐腐蚀，且在相同条件下与Q420钢相比，铝合金可减轻重量66%，而铝合金的成本相比于Q420更低，这促使铝合金塔的研究被推上了研究日程。

在铝合金塔设计过程中，铝合金的选材、材料结构形式和截面型式的确定、焊接方法、焊接工艺和焊丝的选择都显得尤为重要。

1实验材料和方法试验所用焊接材料母材为5083-H116铝合金和6082-T6铝合金（化学成分见表1），厚度8mm，两种合金分别为同一板材下料。

焊丝所用材料为OKAutrod5183和OKAutrod5356（瑞典伊萨ESAB），直径为1.2mm的铝合金焊丝。

焊前对铝合金表面进行抛光处理，以去除表面氧化层。

焊接时分别对两种合金以对接接头形式（如图1）进行横焊和仰焊，焊道顺序如图2所示。

由于铝合金在MIG焊时热输入较TIG焊时大，金属熔化量大，熔敷金属流动性好，且铝合金散热快，易引起熔池塌陷，坡口底部焊缝应在加装表面加出半圆弧槽的加强板。

焊接接头的形式见表2。

2结果与分析2.1接头焊缝成形在TIG电弧加热作用下，由于局部焊接温度高于铝合金母材和焊丝的熔点，焊丝熔化并填充焊缝，在铝母材一侧形成熔焊接头。