分享：下压量对7N01铝合金搅拌摩擦焊接头性能的影响

周 平1,戴启雷2,周 林1,姚君豪1 

(1.江西工程学院 智能制造与能源工程学院,新余338000;2.华纬科技股份有限公司,诸暨311800) 

摘 要:在不同下压量(0.3,0.7,1.0mm)下对7N01铝合金进行搅拌摩擦焊,研究了下压量对 接头截面形貌、拉伸性能、抗撕裂性能及疲劳性能的影响。结果表明:下压量对7N01铝合金搅拌 摩擦焊接头的拉伸性能影响不大;当下压量为0.7,1.0mm 时,接头的启裂能、裂纹扩展能及撕裂 强度均相近,但当下压量为0.3mm时,接头焊缝区域的启裂能、裂纹扩展能及撕裂强度均显著降 低;随着下压量的增加,焊接接头疲劳强度增大;当下压量为1.0mm 时焊接接头的疲劳性能及抗 裂纹扩展性能最优。

 关键词:下压量;7N01铝合金;搅拌摩擦焊;性能 中图分类号:TG453 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2023)04-0023-05

0 引 言

 7N01铝合金具有强度高、焊接性好等特点,在 高速列车车体承重件上得到广泛应用[1]。采用常规 熔焊连接时会出现气孔、开裂、夹渣等缺陷,导致其 应用受限。搅拌摩擦焊(FSW)是一种新型固相连 接技术,和熔化焊相比具有接头晶粒细小、残余应力 低等优点,非常适合铝合金的焊接[2]。目前对搅拌 摩擦焊接7N01铝合金的研究主要集中在FSW 工 艺对其晶间腐蚀行为、应力腐蚀敏感性、显微组织及 力学性能等的影响上。方振邦等[3]研究了7N01铝 合金FSW 接头各区的晶间腐蚀行为,发现FSW 接 头各区域腐蚀形貌不同,热影响区腐蚀程度最严重。 王振苏等[4]对7N01铝合金FSW 接头组织与性能 进行分析,发现 FSW 接头焊核区是受热循环和机 械作用影响最严重的区域,组织变化程度最大,晶粒 发生细化。王禹[5]研究了7N01铝合金厚板 FSW 接头不同区域微观组织和性能的差异,发现在合适 的搅拌摩擦焊工艺下可获得性能良好、无缺陷的 接头,接头拉伸断裂处为前进侧热机影响区。搅拌 23 周 平,等:下压量对7N01铝合金搅拌摩擦焊接头性能的影响 图1 试样形状与尺寸 Fig 1 Shapeandsizeofspecimens a tensilespecimen b tearspecimenand c fatiguespecimen 摩擦焊主要工艺参数包括焊接速度、搅拌头转速及 下压量,其中下压量设置不当会引起沟槽、飞边等缺 陷,影响FSW 接头焊缝区的力学性能[6-10]。 为此,作者在不同下压量下对7N01铝合金进 行搅拌摩擦焊,研究了下压量对7N01铝合金FSW 接头组织与性能的影响,以期为7N01铝合金搅拌 摩擦焊的应用提供理论支撑。 

1 试样制备与试验方法 

试验材料采用厚度为5.5mm 的7N01铝合金 板,由铝业生产厂家提供,轧制态,化学成分如表1 所示。在7N01铝合金板上取尺寸为150 mm× 52.5mm×5.5mm的待焊单边试样,试样长边沿轧 制方向。在用数控铣床改造的搅拌摩擦焊机上,采 用6542高速钢搅拌头进行搅拌摩擦对接焊,焊接 方向沿试样长度方向,搅拌针为四棱柱带螺纹型, 根部直径为5mm,针长为4.4mm。焊接时搅拌 针正对着试样连接界面,无偏移。搅拌头转速为 1100r·min-1,搅 拌 头 倾 角 为 2.5°,焊 接 速 度 为 100mm·min-1,下压量分别为0.3,0.7,1.0mm。 表1 7N01铝合金的化学成分 Table1 Chemicalcompositionof7N01aluminumalloy 元素 Mg Si Mn Fe Cu Ti Zn Cr Al 质量分数/% 1.5 0.3 0.6 0.35 0.2 0.2 4.5 0.3 余 垂直于焊接方向在焊接接头上取样,经砂纸打 磨,机械抛光后,在 MEF4A型光学显微镜下观察截 面形貌。以焊缝为中心,垂直于焊接方向截取尺寸 为105mm×20mm×5.5mm 的拉伸试样,取样位 置和试样形状如图1(a)所示。根据 GB/T228- 2002,采用CSS1100型电子万能试验机进行室温拉 伸试验,拉伸速度为1mm·min-1,各测3个试样。 采用JSM-6064LV 型扫描电镜(SEM)观察接头拉 伸断口形貌。在焊接接头母材和接头区域截取如图 1(b)所示的撕裂试样,试样上开 V 型缺口,缺口分 别位于热影响区(距焊缝边缘0.5mm)、远离焊缝区 (距焊缝边缘3mm)、焊缝中心,其中母材试样以及 缺口在热影响区和远离焊缝区试样的缺口垂直于焊 接方向,缺口在焊缝中心试样的缺口平行于焊接方 向。根据 ASTM E1820-2001,采用 CSS1100型 电子万能试验机进行室温撕裂试验,撕裂速度为 1mm·min-1,加载前对其施加400N预载荷,以消除 夹具和试样间的间隙。以焊缝为中心,垂直于焊接方 向截取尺寸如图1(c)所示的疲劳试样,根据 ASTM E466-2015,采用 MTSLandmark型高频疲劳试验机 进行疲劳试验,按照成组法进行疲劳寿命测试,确定 疲劳强度和应力-疲劳寿命(S-N)曲线,应力循环比 R 取0,循环次数最高为107 次,各测3个试样。以循 环107 周次对应的应力为疲劳强度。

 2 试验结果与讨论

 2.1 接头截面形貌 

图2中虚线部分为焊缝区域。由图2可见,当 下压量为0.3mm 时,焊缝根部存在明显的未焊透 部位。随着下压量的增大,根部未焊透现象得到显 著改善。 

2.2 对拉伸性能的影响

 7N01铝合金母材的抗拉强度为434.65MPa, 屈服强度为295.56MPa,断后伸长率为16%。由 图3计算可知:当下压量为0.3,0.7,1.0mm时,7N01 铝合金搅拌摩擦焊接头的抗拉强度分别为351.78, 324.82,352.70MPa;屈服强度分别为241.72,232.13, 243.63MPa。在3种不同下压量下,接头的抗拉强 24 周 平,等:下压量对7N01铝合金搅拌摩擦焊接头性能的影响 图2 不同下压量下FSW 接头的截面形貌 Fig.2 Cross-sectionalmorphologyofFSWjointwithdifferentpressamounts 图3 不同下压量下FSW 接头的拉伸载荷-位移曲线 Fig.3 Tensileload-displacementcurvesofFSWjointunderdifferentpressamounts 度与母材相比变化不大,均可达到母材的 80% 左右。 在3种下压量下,接头的拉伸断裂位置均位 于焊缝中心,宏观断裂形貌相似,选取下压量为 0.7mm时的接头进行拉伸断口分析。由图4可 见,整体拉伸断口包括上中下3个部分,上部和下 部断口均较粗糙,中部断口撕裂条纹比较明显,这 是因为焊缝中心由于搅拌作用存在洋葱环的形貌 特征,在断裂过程中裂纹会沿洋葱环扩展。上部 和下部的断口具有明显的韧窝特征,这说明在试 样上下表面附近发生塑性断裂。中部断口撕裂条 纹上也存在明显韧窝,在条纹的斜面部分也具有 明显的小尺寸韧窝特征。综上可知,接头整体上 属于塑性断裂。 图4 下压量为0.7mm时FSW 接头拉伸断口的SEM 形貌 Fig 4 SEM morphologyoftensilefractureofFSWjointat0 7mmpressamount a whole b upperenlargement c middleenlargementand d lowerenlargement 

2.3 对抗撕裂性能的影响 

母材的启裂能为(43±2)kN·mm,裂纹扩展能 为(13±2)kN·mm。由图5(a)可见:缺口在焊缝中 心试样在下压量为1.0mm 和0.7mm 时的启裂能 均与母材相近,说明此时焊缝区域具有较好的纵向 抗启裂能力,但下压量为0.3mm 时的纵向抗启裂 能力较差;缺口在热影响区试样在3种下压量下的 启裂能相近,但与母材相比均下降较多,说明热影响 区属于接头的性能薄弱部位;缺口在远离焊缝区试 样在3种下压量下的启裂能相近,与母材相近,说明 远离焊缝区(距焊缝边缘3mm)具有优良的抗启裂 能力。由图5(b)可见:缺口在焊缝中心试样在下压 25 周 平,等:下压量对7N01铝合金搅拌摩擦焊接头性能的影响 图5 不同下压量和不同缺口位置试样的启裂能和裂纹扩展能 Fig 5 Crackinitiationenergy a andcrackpropagationenergy b ofspecimenswithdifferentnotchpositionsunderdifferentpressamounts 量为1.0mm 和0.7mm 时焊缝的裂纹扩展能均高 于母材,说明焊缝区域具有较好的纵向抗裂纹扩展 能力,但当下压量为0.3mm 时焊缝的纵向抗裂纹 扩展能力低于母材;缺口在热影响区试样的裂纹扩 展能随着下压量增大而提高,且3种下压量下的裂 纹扩展能较母材均有所提高,说明热影响区具有优 良的抗裂纹扩展能力;对于缺口在远离焊缝区的试 样,在3种下压量下接头裂纹扩展能相比母材都有 较大提高,说明远离焊缝区(距焊缝边缘3mm)具 有优良的抗裂纹扩展能力。 结合图5(a)和(b)可知:在相同下压量和缺口 位置的条件下试样的裂纹扩展能均小于启裂能,说 明接头和母材的抗裂纹扩展能力都低于其抗启裂能 力。综合考虑不同下压量和不同缺口位置接头的启 裂能和裂纹扩展能,当下压量为0.7,1.0mm 时,接 头的启裂能和裂纹扩展能相近。 图6 不同下压量和不同缺口位置试样的撕裂强度 Fig.6 Tearstrengthofspecimenswithdifferentnotchpositions underdifferentpressamounts 母材的撕裂强度为(580±10)MPa。由图6可 见:在下压量为1.0mm 和0.7mm 时,缺口在焊缝 中心试样的撕裂强度均与母材相近,说明焊缝区域 具有较好的纵向抗撕裂性能,但下压量为0.3mm 时焊缝的纵向撕裂强度明显低于母材;3种下压量 下缺口在热影响区试样的撕裂强度均低于母材,说 明接头的热影响区抗撕裂性能较差,是薄弱部位;在 3种下压量下缺口在远离焊缝区试样的撕裂强度均 低于母材但高于缺口在热影响区试样,说明远离焊 缝区(距焊缝边缘3mm)具有优良的抗撕裂性能。 综上可知,当下压量为0.7,1.0mm 时接头具有较 高的撕裂强度。

 2.4 对疲劳性能的影响 

由图7可见,当下压量分别为0.3,0.7,1.0mm 时,7N01铝合金搅拌摩擦焊接头的疲劳强度分别为 69.50,103.60,119.02MPa;疲劳强度随下压量增加 而增大。造成疲劳性能差别的原因可能是接头不同 部位的抗启裂和抗裂纹扩展能力不同,随着下压量 的增加,接头抗启裂和抗裂纹扩展能力逐渐增大,导 致接头整体疲劳强度提高。 图7 不同下压量FSW 接头的S-N 曲线 Fig.7 S-NcurvesofFSWjointwithdifferentpressamounts 下压量的增加,可有效减少根部未焊合缺陷,增 强接头根部抗裂纹启裂和裂纹扩展能力,从而增大 接头的疲劳强度。下压量为1.0mm 时7N01铝合 金FSW 接头的疲劳性能及抗裂纹扩展性能最优。

 3 结 论

 (1)当下压量为0.3,0.7,1.0mm 时,7N01铝 合金搅拌摩擦焊接头的拉伸断裂位置均位于焊缝中 心,其抗拉强度分别为351.78,324.82,352.70MPa, 均达到母材的80%左右,下压量对接头抗拉强度影 26 周 平,等:下压量对7N01铝合金搅拌摩擦焊接头性能的影响 响不显著。 (2)当下压量为0.7,1.0mm 时,7N01铝合金 搅拌摩擦焊接头的启裂能、裂纹扩展能及撕裂强度 相近,但当下压量为0.3mm 时,接头焊缝区域的启 裂能、裂纹扩展能及撕裂强度显著降低。 (3)当下压量为0.3,0.7,1.0mm 时,7N01铝 合金搅拌摩擦焊接头的疲劳强度分别为 69.50, 103.60,119.02MPa,随下压量的增加,接头的疲劳 强度增大。

来源：材料与测试网