LY12铝合金搅拌摩擦焊接头组织及性能研究 - 图文

YL21铝合金搅拌摩擦焊接头组织及性能研究

张 磊 李从卿 佟建华 郭 晓 娟 康

北京航空制造研究所 14 20

举

摘 要： 采用搅拌摩擦焊对2m厚的L1Y2铝合金薄板进行了对接试验，对焊接接头力学性能和各个区域 的微

观组织进行了分析。结果表明：搅拌摩擦焊焊核区组织为细小均匀的等轴晶，焊核区偏向于前进侧一 边有白色弯曲条带物质出现;热机影响区晶粒沿流线方向被拉长，前进侧比后退侧变化明显；热影响区晶 粒明显变大，晶粒大小约为5u0m～10mu。通过拉伸强度、弯曲强度和显微硬度的测试，发现焊缝后退侧 容易发生断裂，弯曲时易出现裂纹，同时是焊缝后退侧是显微硬度最低部位所在。 关键词：搅拌摩擦焊；L1Y2铝合金；显微组织；力学性能

LYl2铝合金搅拌摩擦焊接头组织及性能研究

CB2651—89、GB2653—89制取焊缝拉伸、弯曲试样，分别在zwIcKl00KN电子万能材料试验机、 zlooKN电子万能试验机上进行拉伸、弯曲试验以测试接头的力学性能；根据GB／T4340．I—1999相 关标准，采用HxD—l000维氏显微硬度仪在载荷2009，保持时间15s的测试条件下对母材及焊缝不 同区域处的显微硬度进行测试分析。

2试验结果及讨论

2．1焊缝接头的显微组织 焊后宏观金相组织如图2所示。可以看出其接头横截面组织可分为焊核区WNz(weld Nugget zone)、

热机影响区TMAZ(ne咖al Mechanical A艉cted Zone)、热影响区TAZ(1'henml A珏＆ted Zone)以及母材区

五部分。

图2

图2中D区、D’区分别为前进侧和后退侧的母材区组织，图3(a)为母材区组织的放大图。可以看 出：母材为典型的板材状轧制组织。

图2中A区为焊核区，可以看出焊核区呈“碗”状，在焊核区偏向前进侧一边出现了几条弯曲的白色 条带物质，关于其组成成分有待于进一步研究，但通过该条状物质可以推测焊接过程中物质的运动轨迹。 焊核区放大组织如图3(b)所示，从中可以看出，焊核区晶粒细小均匀，这主要是由于焊核区在搅拌头强 烈的搅拌作用和剧烈摩擦的作用下，温度较高、应变速率较大，满足金属冷变形所需的温度条件，组织发 生动态再结晶[5]。由于焊缝区搅拌针搅拌作用很剧烈，组织变形度很大，驱动再结晶形核的储存能不断 增加，而且形核率增加大于长大速度，因此由约翰逊一梅尔方程可知细小的等轴晶组织将逐步取代母材中 的板条组织。由于晶粒发生了细化，预计焊核区力学性能得到相应的提高。

图2中B区、B’区分别为前进侧和后退侧的热机影响区组织，可以看出，由于热机影响区组织接近焊 核区，其组织仍然会受到搅拌针旋转搅拌机械作用的影响。前进侧热机影响区和焊核区有明显的界面，而 且靠近焊核区流线状组织非常明显；后退侧热机影响区和焊核区分界面比较模糊，这可能和后退侧所受剪 切作用不如前进侧剧烈有关。图3(c)、(d)分别对应于其显微组织的放大图。由图可以看出，热机影响 区组织晶粒不再是等轴晶粒，而是沿界面方向被拉长，晶粒发生明显变形，存在明显的流线形式[6—9]。 从图中还可以看出，前进侧过渡区晶粒大小的变化要比后退侧晶粒大小变化更剧烈，接近热影响区的晶粒 发生粗化，前进侧热机影响区晶粒大小约为10um一20um；后退侧晶粒比前进侧略大，晶粒大小约为

20um一30um。

图2中C区、C’区分别为前进侧和后退侧的热影响区组织，图3(e)、(f)为其组织放大图。从图中可 以看出，热影响区组织明显粗大，晶粒大小在50um一100um之间，由于受到加热影响的作用．部分晶粒发 生融合，晶界消失，导致了晶粒的集聚长大，造成了粗大晶粒的形成。粗晶组织的形成在某种程度上导致 了热影响区力学性能的下降。

2．2焊缝接头的力学性能

2．2．1 焊缝接头拉伸力学性能

选取焊缝接头试样在zwIcKl00KN电子万能材料试验机上进行室温拉伸试验，拉伸试样根据《焊接接 头拉伸试验方法》(GB 265lq9)制取，试验结果如表2所示。

385

焊接论文

fa)母利区

(b)焊核区

(c)前进倒1、MA7

(d)后退侧’rM^z

eI前进但0 HA7 n后退{I|i HAz

图3焊缝微观金．ff}组织

表2 LYl2焊缝拉伸力学性能

试样编号

试样厚度／mm

1．9

试样宽度／mm

25．9l

抗拉强度}／MPa

432．58

屈服强度)／MPa

312．75

1一I

1—2

1．9 26．02 426．42 300．85

l一3

1．83 25．97 442．5 312．39

l一4

l一5

I．82

25．96

445．83

320．04

I．83

25．94

446．25

319．43

386

LYl2锚合金搅拌摩擦焊接又组织及性能研究

由以I：数据町得，断裂极限强度平均值为438．72MPa，为母材强度(456．57MPa)的96％，屈服极限 平均值为313．09MPa，为母材Jdi服强度(334．43MPa)的93．6％。IILJ件i式样在焊缝的后退侧发牛断裂，仅 有一件断裂在前进侧。所以nr以认为焊缝中薄弱位置(强度较低位置)位于焊缝的后退侧。 2．2．2焊缝接头弯曲力学性能研究

选取焊缝接头试样在z100KN电子万能材料试验机J：进行背弯弯fHI角度试验，弯曲试样根据国家标准 《焊接接头弯曲及压扁试验方法》(GB 2653—89)制取，试验结果如表3所尔。

表3 LYl2焊缝弯曲力学性能

编号

背弯弯曲角度 l一1 180。无裂纹 l一2

180。无裂纹

l一3

95。出现裂纹(位于后退侧)

l一4

180。无裂纹

l一5

60。出现裂纹(位于二后退侧)

由以I二可以看出：搅拌摩擦焊后整体卜焊接弯曲性能优良，60％的试样在背弯180。角时未发现裂纹。部分 弯试样在背弯试验过程中后退侧出现裂纹，这也说明相比前进侧而言后退侧的背弯弯曲性能相对较差。

图5试验拉伸、弯曲试样图

2．3焊缝接头显微硬度分布特点 接头不同区域的显微组织差异往往会通过不同区域的硬度差异表现出来。图6为距焊缝上表面0．8lnlll 处垂直焊缝方向每隔0．5mm位置处显维硬度值得分布情况。由图6可以看出，显微硬度分布呈现出两侧母 材区硬度值高，中问焊核区、热影响区、热机影响区显微硬度值较低，随着距离焊缝中心线越来越近，显 微硬度值逐渐下降。母材区显微硬度值可达140Hv左右，硬度最低值出现在后退侧热影响区或者热机影响 区(两者区分不是非常明显)，硬度值最低仅为120Hv左右，前进侧硬度值比后退侧硬度值整体偏高5Hv 左右，同样说明r后退侧足焊缝的薄弱部分。

LYl2铅台金Fsw不l‘{：11讧世处弛微砸度分布

>

Z

疽

魁

甍

一10—9—8—7—6—5—4—3—2一l 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

距焊缝中心线距离／mm

图6 IJYl2铝合金FsW不I司位置处显微硬

387

焊接论文

造成硬度分布规律的原冈可能是热影响区和热机影响区在焊接过程中受到温度升高的作用，使弥散分 布的细小强化相发生了丛聚，晶粒发生了长大，导致强度下降，硬度降低。焊核区材料发生动态再结晶， 内部的位错密度显著降低[10]，强度和硬度会出现明显下降。

3

结论

1)在焊接速度200雠n／min、旋转速度1000r／Ⅱlin的条件下，成功实现了2mm厚铝合金LYl2的对接焊 接，焊接接头良好。

2)对LYl2铝合金搅拌摩擦焊后微观组织观察发现，焊核区有白色弯曲条带物质出现，组织细小致密； 热机影响区由于受到机械搅拌作用晶粒沿流线方向被明显拉长；热影响区由于焊接热作用品粒发生聚集长 大。

3)对LYl2铝合金搅拌摩擦焊后焊缝拉伸强度、弯曲强度进行了试验，发现拉伸试样断裂位置大多位 于焊缝后退侧；背弯试验裂纹也大多数发生于焊缝后退侧易，说明后退侧是整个焊缝中薄弱的部分。

4)对IJYl2铝合金搅拌摩擦焊后屁微硬度进行了测量，发现母材区比焊核区、热影响区、热机影响区 的显微硬度值大，主要是由于焊接过程中热作用焊缝中心区域晶粒长大，位错密度降低所致。显微硬度最 低值发生在焊缝中心后退侧部位。

5)由金相显微组织可知焊缝后退侧热影响区晶粒粗大，因此预计后退侧区域为焊缝力学性能较差的部 位。通过拉伸力学性能、弯曲力学性能试验，发现焊缝后退侧易发生断裂或出现裂纹，通过显微硬度的测 试结果，发现焊缝后侧退的显微硬度值偏低，从而证实了LYl2铝合金Fsw对接试验后退侧为焊缝薄弱部 位。

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