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      基于多層研究的2017A和7075鋁合金攪拌摩擦焊異種焊縫特征

      基于多層研究的2017A和7075鋁合金攪拌摩擦焊異種焊縫特征

      Krzysztof Mroczka, Anna Wo ′jcicka, Adam Pietras

       

      本文對2017A/7075鋁合金攪拌摩擦焊接頭的結構進行了研究,分析了接頭的縱截面和橫截面。根據距焊縫表面的距離,確定了不同的合金攪拌方式和程度。此外,還證明了焊接微結構長度的顯著變化,反映了焊接工藝的變化。力學性能的研究還介紹了硬度在各層上的分布。塑性變形對7075合金的硬度有顯著影響,7075合金在變形區強化,熱影響區變弱。利用掃描電鏡分析了焊縫組織對靜態拉伸斷裂試樣斷裂的影響。在樣品的韌性斷裂中發現存在非變形區域。

      關鍵字:高級表征,鋁,連接,金相學,光學顯微鏡,焊接

       

      1.介紹

      攪拌摩擦焊接技術用于焊接鋁合金(使用傳統熔焊方法無法焊接)[1]和化學成分和微觀結構不同的材料,如Al-Cu和Al-steel[2]。攪拌摩擦焊的主要優點是該工藝是在固態[3]下進行的,并且與常規焊接[4]相比,材料暴露在更小的熱量(較低的工藝溫度)下。Al-Mg-Zn合金(7xxx系列)由于析出相結構的變化,在熱影響區(HAZ)往往會失去強度。這些材料主要是通過GP區和亞穩和穩定的MgZn2相進行沉淀強化(硬化)的,盡管需要補充的是,在300℃以下發生了向穩定相的轉變[5.6]。然而,因此,這些材料在焊接過程中很容易受到過飽和的影響,尤其是在FSW接頭的中間點(材料發生塑性變形,溫度較高),然后由于老化而加強[5-8]。這一過程在用銅(2xxx系列合金)相硬化的沉淀強化合金中發生得不那么容易,硬度通常只在這些合金接頭的焊接區域降低[7]。但是,必須記住,材料的強化不僅取決于硬化沉淀的條件和數量,而且還取決于晶粒度[9]和位錯密度[6]。FSW接頭中的這兩個因素都起著重要作用,因為動態再結晶產生了由小的等軸晶粒組成的微觀結構[在焊縫中心[1]],并且在位錯中觀察到密度增加(參考10)。攪拌摩擦焊接頭的宏觀和微觀組織都具有高度的不均勻性和多樣性。最后,FSW接頭的結構取決于許多因素,包括焊接參數[1]、FSW工具[11]、焊接材料、外部條件[5]、合金在工具移動方面的位置(對于不同的接頭)、工具軸相對于邊緣焊接材料的位置,對異種接頭微觀結構的分析提供了額外的信息,因為它更容易識別由明顯不同合金制成的接頭的特定區域。此外,利用參數空間和工具對2xxx和7xxx系列鋁合金FSW焊接進行的研究很少,多個縱向截面的結構特征也是如此。因此,下面我們介紹了在分析大量橫截面的基礎上開發的2017A/7075鋁合金FSW接頭的結構。

       

      2.實驗方法

      本研究中使用的材料為鋁合金2017A-T6和7075-T6,板材厚度為6 mm。2017A合金的化學成分如下:3.9%Cu、0.6%Mn、0.6%Mg、0.4%Si和剩余Al;而7075合金的化學成分為:1.63%Cu、5.72%Zn、2.49%Mg和剩余Al,均以wt%計。以450rpm的轉速和4.7mm/s的線速度平行于軋制方向制作對接接頭。焊接過程使用常規工具進行:直徑為8mm、長度為4.6mm的螺紋銷和直徑為25mm的肩部;工具肩與焊接板表面之間的角度為1.5°。焊縫向2017A合金移動了2 mm(?銷工具直徑)。因此,7075合金攪拌較少。研究樣品(接頭)在150℃下進行人工老化 8h(焊后熱處理)。

      微觀結構的研究是使用帶有Nomarski微分干涉對比度的OLYMPUS GX51光學顯微鏡和Philips 525M掃描電子顯微鏡(SEM)進行的。對橫截面和縱截面層(平行于焊縫表面)進行光學顯微鏡觀察,這些層被機械研磨和拋光,然后用2ml HF、4ml硝酸和94ml H2O溶液蝕刻。宏觀結構是由32張從光學顯微鏡上拍攝的圖像合成而成,這些圖像已被整合到微軟的ICE軟件中。創建宏觀結構的ICE軟件應用程序由Wojcicka等人描述[12]。

      對靜態斷裂過程中形成的斷裂進行了掃描電鏡研究。試樣垂直于焊接線切割。對機械性能進行研究,以確定在距離表面(焊縫表面)0.8、1.6、2.4、3.2、4.0、4.9和5.5 mm處的截面層(上述)的硬度剖面lHV0.2,且方向也垂直于焊縫。

       

      3.結果與討論

      3.1宏觀/微觀結構

      為了更好地了解FSW焊接接頭的結構和焊接時材料的流動,進行了顯微組織分析和顯微硬度測量。調查是在許多縱向截面上進行的,這些截面位于距焊縫表面不同距離處,以及橫截面。測試焊縫的橫截面如圖1所示。7075鋁合金放置在前進側(圖1的左側)。在該圖中,標記了與表面(層L1-L5)接合面(0.8,2.4,3.2,4.0,4.9mm)的距離。對這些層進行了顯微鏡觀察和顯微硬度測量。宏觀結構分析顯示了常規FSW接頭的典型元素:缺乏對稱性,前進側區域通過再結晶過程轉變的清晰邊界(平面)和后退側微觀結構的柔和變化,焊縫熔核主要由前進側的合金組成,焊縫中部再結晶轉變。焊縫的前進側由再結晶合金7075(圖1中的區域1)組成,但中心和后退側由2017A合金(也在再結晶后)組成。7075合金中有2017A合金的分離區域(圖1中的區域2-明亮區域)在焊核內。半微觀結構的所有不連續性也觀察到(區域3,圖1)。熔核不包含文獻中所述的“洋蔥圈/結構”多層結構的任何跡象,這種結構在鋁合金(2xxx、5xxx、6xxx系列)和鎂[13.14]的許多類型的接頭中都可以觀察到。根據dasilva等人[15],這種類型的鋁合金(2024/7075)的接頭中可能出現“洋蔥”微觀結構,但在刀具旋轉速度較高(1000和1400 rpm)的焊接接頭中觀察到。然后,過程的溫度會隨著材料強度的增加而增加。

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      圖1焊縫橫截面的宏觀組織;焊縫表面在頂部

       

      焊縫各層(L1-L5)的宏觀組織如圖2、3、4和6所示,并在橫截面處標記(圖1)。第一個分析層(L1,距焊縫表面的距離為0.8 mm)如圖2所示。在靠近表面的這一區域,可以預期材料會大量混合,材料通過銷釘混合,但首先是通過刀架肩[16]混合。同時,顯微組織中含有許多離散區域,邊界明顯。從左側(前進側)看,焊縫由母材(7075合金)、熱影響區和熱機械影響區(1號區,圖2)和銷工作區組成,其邊界用虛線標記(圖2)。此邊界的指定是基于對微觀結構(如沉淀帶)的詳細分析。微觀結構相當精確(分辨率)圖像是由光學顯微鏡拍攝的32幅圖像合成而成。反過來,引腳工作區由包含合金7075的區域(但合金2017A(較輕的帶)的參與不相等的區域3)和合金2017A的區域2組成,如圖2所示。該圖中的虛線表示焊接前接觸板(7075/2017A)的大致位置,請記住,焊接是在合金2017A方向上使用移位焊線(工具的對稱軸)進行的。

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      圖2焊縫L1層宏觀組織—距焊縫表面0.8 mm

       

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      圖3焊縫L2層宏觀組織——距焊縫表面2.4 mm

       

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      圖4焊縫L4層宏觀組織——距焊縫表面4.0 mm

       

      分析表明,細晶粒(再結晶)微觀結構、缺陷(微觀結構區域4的不連續性——可能是由于材料塑性不足)和裂紋(用箭頭表示),這可能與7075合金的脆性有關;如Rajakumar等人的報告[8],合金7075 FSW接頭可能包含各種類型的缺陷??梢缘贸鲞@樣的結論:在焊縫表面附近,材料在結構上是不均勻的,并且微觀結構的不同區域具有尖銳的邊界(以平面的形式)。很難明確指出材料微觀結構的原因。然而,焊接過程中的變化條件,可能是由于鋼板形狀的缺陷(其平整度、不均勻邊緣)造成的,可以考慮在內。文獻[15,17,18]中所述的異種鋁合金接頭中未發現這些類型的微觀結構元素。由于層的尺寸較小,且其位置靠近樣品邊緣(靠近表面和焊縫底部),因此很難在橫截面上對其進行檢查。

      距離焊縫表面較遠的材料層主要由銷釘變形,當然,工具肩在這些區域材料微觀結構形成中的參與也很重要。在圖3中,顯示了L2層微觀結構。焊縫橫截面上的L2層位置如圖1所示。在圖2的一角可以看到由于刀具的移動而導致的物流方向。物質流動的方向是根據沉淀物標記的圖案,如前面提到的圖3中的箭頭所示。但應記住,這些只是在分析層的XY平面上觀察和標記的合成方向,它們是三維中實際流向的組成部分。然而,盡管事實上只進行了二維分析,但可以進行一些重要的觀察。在大頭針的邊緣區域在工作場所(前進側),材料變形方向與刀具方向產生的材料流動方向相反旋轉-圖3,圖的底部。合金在2017A區域的流動方向都清楚地顯示在2017A上的工作場所。根據FSW工具(朝向圖的頂部),我們可以看到沉淀的不同布局,表明流線區域1的收斂-圖3。在該區域附近,我們可以看到7075合金(區域2)中2017A合金的明亮區域,這表明大量材料從后退側運輸。此外,觀察到一些區域(標記為3號),無法清楚地指示材料(合金2017A)的流動方向。這些觀察結果再次證實了焊接條件的可變性,從而確定了攪拌摩擦焊期間材料流動的方向。文獻中描述的焊縫橫截面分析,例如[19],表明焊縫前進側的各個區域之間存在明顯的邊界??赡艿脑蚯∏∈遣糠植牧系牧鲃臃较蛳喾矗▓D3),這提供了一個非常好的連接-典型的摩擦連接。TMAZ中相反的材料流動可能是FSW工具后面溫度稍高和應力較低的結果。Hamilton[20]等展示了FSW焊縫中的溫度分布模型。

      在距離焊縫表面約4 mm的層中進行了更有趣的觀察,該層穿過所謂的熔核-圖4??梢郧宄囟x銷工具直接影響的范圍。對微觀結構的分析也顯示了為什么一些作者報告熔核是由前進側的材料制成,而另一些作者則聲稱它是由從后退側得到的材料組成的。材料在該區域的混合方式非常多樣化,可能與焊接板的表面和邊緣質量以及它們的質量密切相關機械性能。在測試時,我們可以確定7075合金的存在(大部分)(從前進側)焊接熔核中。在FSW接頭處?焊縫熔核區域的橫截面相似和不同,通常在結構上具有粘性[無明顯邊界[19]],再結晶材料的彎曲從前進側延伸到熔核。該彎管被稱為“流動臂”。流動臂可在這些區域[19]之間無明確邊界的情況下連接到熔核上,或與單獨的熔核區域[14]連接,尤其是在具有“洋蔥”結構的接頭處。還應注意的是,材料主要在兩個方向(接縫兩側)運輸。材料的運輸既涉及較大的體積(圖5中的區域1和區域3——合金2017A和合金7075)也涉及少量,最終形成圖5中多層區域2的模式。Cavaliere等人報道了一種類似的、顯著的物質混合,宏觀上可見[18]關于鋁合金6082/2024的不同接頭。由于混合了焊接合金(圖5),不能排除分析焊縫中由新化學成分組成的區域的形成。最后,在熔核內,可以觀察到三種類型的顯微組織:2017A和7075合金的單獨區域,以及兩種焊接材料混合的結果區域(不同程度和混合方式)。此外,在推進側(圖的左側),在熱機械影響區內,可以得出結論,與靠近接合面的區域不同,與FSW刀具移動相關的沒有平行流動材料(見圖3)。

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      圖5 圖4所示攪拌區的微觀結構

       

      可能討論的焊縫不同區域的材料流動方向是材料塑化的結果,其運輸取決于FSW工具類型。本文主要研究2024/7075鋁合金攪拌摩擦焊[15]展示了材料從工具臺肩向下流動到焊縫底部,以及FSW工具螺紋槽中材料(在本例中為7075合金)的運輸(常規工具表面帶有圓柱銷和螺紋)。這在很大程度上解釋了觀察到的微觀結構布局。為了補充上述考慮,應注意微觀結構的最終狀態(結構和外觀)是由相互作用的眾多因素造成的。工具特定部分的形狀設定了特定的材料流動。材料流動也取決于其塑性,這與焊接合金在焊接過程中的(機械和物理)特征(例如,強化狀態)有關,因此在特定溫度下。這意味著較高的溫度會增加材料的塑性,同時也是(塑性變形)的結果,也是影響變形的一個因素。最后,焊接過程中的條件是所有產生特定微觀組織影響的因素的疊加。不幸的是,因素之間的關系不能用簡單的函數來表示。由于這些原因,盡管對攪拌摩擦焊技術進行了大量的研究,但是攪拌摩擦焊工藝的一般模型還沒有建立起來。同時,由于這些原因,大多數研究都是采用試錯法進行的,其結果在文獻中有描述。同時,采用這種方法,發現焊縫向2017A合金的移動以及合金的應用位置(前進和后退側)結合設定的焊接參數,都能得到滿意的結果。

      最后一個分析層(L5)位于熔核下方,因此該區域不會被焊接工具直接攪拌。這是位于焊縫根部附近的熱機械影響區。然而,可以觀察到銷刀具移動的影響。在整個寬度上可以看到材料的流動方向,這是由銷工具的直徑決定的(其中一些用黑色箭頭標記)-圖6。焊接板的接觸區域清晰可見(白色箭頭所示)。雖然FSW接頭內缺乏連接被視為缺陷,但通過對這種微觀結構的分析,可以補充此類焊縫的特點和焊接過程中材料流動的方式。使用一個長銷的工具可以消除這種缺陷。但是,所使用的工具和焊接條件(如上所述)可以在不改變厚度約為5.5 mm的元件的焊接的情況下使用。

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      圖6焊縫L5層宏觀組織——距焊縫表面4.9mm

       

      可通過透射電鏡(透射電鏡)對焊縫的深度進行評估。然而,TEM分析是基于一些顆粒;在多層和每層的不同區域進行測試將是非常費力的,盡管這樣的評估是有趣和有價值的。目前工作的重點是特定區域的流動方向,這可以用光學顯微鏡進行評估。

      除微觀結構研究外,還對靜態拉伸試驗中斷裂試樣的表面微觀結構進行了研究。試驗采用掃描電鏡進行。焊接前,試樣的斷裂位置與接觸板一致。樣品的特征是該區域的強度最低,因為工具沒有在整個焊縫橫截面上攪拌材料,如圖1和L5層微觀結構圖6所示。然而,樣品在這一點上的破裂(圖7)允許觀察穿過上述所有層的斷裂面。使用SEM觀察焊縫的后退側(圖7中的右側)。圖8顯示了L4層的微觀結構(熔核)。斷裂主要是韌性的,盡管程度有限。但是,可以將其定義為延性斷裂,其結構與參考文獻18中描述的類似,其與不同的FSW焊縫(包括2024鋁合金)有關。然而,在中間部分(圖8),可見光滑表面的區域(如區域1),沒有塑性變形的跡象。這意味著這些區域內的凝聚力相對于周圍材料的屈服強度要小得多??紤]到觀察位置(熔核)和L4層宏觀和微觀結構分析(圖4和圖5),可以得出可見表面是單獨存在的合金之間的邊界。在這種情況下,斷口(平面)上的可見區域可能是由合金2017A包圍的7075合金或這些合金的混合物組成。這一結論來自于對位于斷裂處的顆粒(圖8中的區域2)的SEM-EDS分析-顆粒主要包含鋁和銅。這表明合金2017A中存在Al2Cu型顆粒。

      4.機械性能

      FSW焊縫橫截面上的顯微硬度分布是一種被認可和廣泛應用的揭示單個焊接區域力學行為的方法。在研究中,硬度的分布而不是單個區域的硬度。這樣就可以測定樣品在靜態拉伸試驗中通常斷裂的最薄弱區域的硬度。因此,采用顯微硬度測量來研究焊縫的力學性能。分析了L1-L5層和兩個附加層(距離焊縫表面1.6和5.5 mm處)。在距離樣品邊緣2.2 mm(測量1)和3.7 mm(測量2)的每個層上進行兩次測量(從圖2、3、4和6中的邊緣頂部)。測量軌道穿過結構(如圖所示為水平位置)。L1層(靠近焊縫表面的層)、L4層(熔核)和L5層(靠近焊縫根部的一層)的測量結果如圖9所示。每層的硬度分布表明前進側(7075合金)的硬度更高。但是,報告的焊縫兩側的硬度值小于母材的硬度(7075合金-195 HV0.1;2017A合金-136 HV0.1),在焊接過程中,母材的微觀結構不會發生變化。L1層(靠近焊縫表面)兩側的硬度最高(前進和后退)。該層硬度大的原因可以解釋為FSW刀肩沖擊引起的大塑性變形。在焊縫的后退側,高硬度也會受到該側7075合金的很大比例的影響。測量1是在距離樣品上邊緣約2.2 mm處進行的,該樣品從前進側運輸到那里(圖2,區域3-4和3)。測量2(在另一區域運行)確認L1層(焊縫兩側)的最大硬度。指定的低層L4和L5的硬度剖面顯示了前進側硬度增加的狹窄區域。由此可見,7075合金的顯微組織不僅受焊接溫度的影響,而且還受焊接過程中的塑性變形的影響。因此,在塑性變形區,這種合金將趨于強化。這一結論的證實是7075合金在熱影響區的硬度較低,因此該區域沒有發生塑性變形。FSW焊接過程中發生的如此大的塑性變形的影響,可能會由于溶解顆粒中元素的擴散(更高密度的晶體缺陷、晶格變形、材料流動)而促進沉淀物的溶解。如Rajakumar等人所述[8],在鋁合金7075中,材料的強化主要基于沉淀MgZn2和Al2CuMg。然而,對于Al-Zn-Mg合金,與包括銅在內的合金相比,足以溶解強化顆粒的溫度相對較低。傅瑞東等報道[5],微觀結構從過飽和狀態轉變為具有硬化相的微觀結構狀態如下:過飽和固溶體- GP區-?(MgZn2)-?(MgZn2)。這種轉變發生在溫度低于300℃。 然而,漢密爾頓等人[21]報道了7042-T6鋁合金攪拌摩擦焊微觀組織的轉變溫度可能高于300因為快速升溫。因此,在焊接過程中出現過飽和的區域,合金將趨于硬化(焊縫中間硬度較高)。受低溫影響且塑性無變形(塑性變形可能形成過飽和狀態)的區域只會由于部分轉變為穩定相而表現出弱化(硬度降低)的趨勢。這包括高度精細的彌散強化GP區的消失,與基體的一致性喪失,以及它們可能的部分凝固。這樣,可以解釋焊縫(7075合金)前進側硬度曲線的形狀(圖9),特別是熱影響區硬度的顯著降低。7050鋁合金攪拌摩擦焊的硬度分布與上述文獻[4]所述相似。

      反過來,在L4層,7075合金所在焊縫的后退側觀察到更高的硬度(見圖4)。在2017A合金中,在FSW工具直接混合的區域和熔核下方(靠近焊縫根部),硬度降低(平均125 HV)。這意味著焊接過程中發生的條件不會導致材料的強化,甚至是削弱母材中存在的強化機制的原因。根據陳等[7](鋁合金攪拌摩擦焊接頭2219的研究),在焊接過程中,只有在熱影響區產生亞穩沉淀的條件。這解釋了2017A合金熱影響區和攪拌區下方各層硬度的可見降低。熔核區域包含平衡相(穩定)和小的過飽和晶粒[7]。這證明了塑性變形過程在2xxx系列合金的沉淀轉變中占有重要的份額,沉淀強化,主要涉及銅相。根據從所有[7]個研究層的硬度剖面獲得的數據(匯總圖10)計算的平均值分析表明,焊縫表面附近區域的強化程度最大。觀察到攪拌材料區域以下的層的最低硬度(通過FSW工具)。這種硬度分布表明,當接頭向上彎曲晶粒時(拉伸力發生在焊縫表面(冠側)的上層)時,三點彎曲的阻力更大。此外,應注意的是,在兩個測量系列(測量1和測量2)中獲得的平均值的微小差異(對于每個輪廓進行的約60次測量,大約為0.5-2 HV),除了在L1層(圖10)中發現微觀結構的顯著差異(圖2)。

      上面討論的SEM微觀結構(圖8)是靜態拉伸試驗的結果。盡管焊縫底部存在缺陷,但該焊縫的極限抗拉強度(UTS)足夠好(290 MPa),盡管UTS是根據焊縫的整個橫截面計算的,不包括焊縫底部的缺陷。

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      圖7拉伸斷裂試樣

       

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      圖8第4層(L4)斷口的掃描電鏡微觀結構

       

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      圖9 L1、L4、L5層硬度分布;圖2中1區

       

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      圖10各層平均硬度


      5.結論

      通過對所研究異種焊縫多個截面的顯微組織和力學性能的分析,確定了以下幾點:

      1.在靠近焊縫表面的層中,FSW工具導致材料混合,但程度有限。由兩種合金組成的組織區域主要位于焊縫前進側的材料(7075合金)。其寬度與放置在該材料中的FSW工具的寬度相對應。但是,除此之外,觀察到的事實是這些區域發生在焊縫的中間,這也證實了焊接條件是不同的。

      2.在焊縫中間,在前進側,材料的流動方向與熱機械影響區內FSW工具的旋轉方向相反,因此也與材料直接攪拌區內的材料流動方向相反。

      3.將材料運輸到熔核處會產生三種類型的區域:含有合金2017A的單獨體積、含有合金7075的單獨體積以及含有合金混合物的區域。這些區域的邊界可以是平面,這些平面的內聚力較小,這使得開裂更容易。

      4.焊接過程導致焊縫內材料硬度的顯著變化。焊接過程中的條件導致7075合金在塑性變形區域內有增強的趨勢,而在熱影響區,其硬度顯著下降??拷缚p表面的區域比靠近焊縫根部的區域硬度更大。


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