趙小強(qiáng),許新猴,華鵬,李先芬,周偉,2

(1.合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,合肥230009; 2.新加坡南洋理工大學(xué)機(jī)械與宇航工程學(xué)院,新加坡639798)

6061鋁基碳化硅復(fù)合材料攪拌摩擦焊工藝研究

趙小強(qiáng)1,許新猴1,華鵬1,李先芬1,周偉1,2

(1.合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,合肥230009; 2.新加坡南洋理工大學(xué)機(jī)械與宇航工程學(xué)院,新加坡639798)

目的 研究攪拌道次對(duì)6061鋁基碳化硅復(fù)合材料的影響。方法 對(duì)6061鋁基碳化硅復(fù)合材料進(jìn)行了攪拌摩擦焊實(shí)驗(yàn)。結(jié)果 獲得了型面良好,表面光滑的焊接截面,焊核區(qū)組織為細(xì)小的等軸晶,熱機(jī)影響區(qū)為彎曲變形的晶粒,熱影響區(qū)組織發(fā)生了明顯的粗化。結(jié)論 攪拌次數(shù)越多,SiC顆粒分布越均勻,熱機(jī)影響區(qū)與熱影響區(qū)附近硬度最低,熱影響區(qū)硬度較低,焊核區(qū)硬度比母材稍高。

攪拌道次;攪拌摩擦焊;6061鋁合金;碳化硅;微觀組織;顯微硬度

攪拌摩擦焊(FSW)是英國(guó)焊接研究所于1991年發(fā)明的一項(xiàng)新型固相焊接技術(shù),具有焊接接頭成形美觀、綜合力學(xué)性能良好、焊接變形小、綠色環(huán)保和無需焊材等優(yōu)點(diǎn)。攪拌摩擦焊接技術(shù)憑借其巨大優(yōu)勢(shì),迅速成為了鋁合金、鎂合金等輕金屬焊接成形的先進(jìn)技術(shù),在航空、航天、造船、軌道交通等領(lǐng)域獲得了廣泛推廣和應(yīng)用[1—2]。SiC顆粒具有高硬度、高耐磨性、良好的熱穩(wěn)定性及化學(xué)穩(wěn)定性,常用來制備金屬基復(fù)合材料,但采用以往的制備方法產(chǎn)生的高溫,容易導(dǎo)致SiC顆粒與鋁基體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成脆性相,影響基體的性能。與之相比,攪拌摩擦加工可有效避免脆性相的生成[3—9]。

Wang[10]等人對(duì)SiC顆粒制備5A06軋制鋁合金表面復(fù)合材料層的組織和性能進(jìn)行了研究。Salehi[11]等人通過正交實(shí)驗(yàn)FSP方法,研究了攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度、行進(jìn)速度、軸肩下壓量對(duì)AA6061/SiC復(fù)合材料層組織和性能的影響。

目前,關(guān)于攪拌道次對(duì)6061鋁合金攪拌摩擦焊組織及性能的研究甚少。文中選用6 mm厚的6061鋁合金/SiC復(fù)合材料進(jìn)行攪拌摩擦焊實(shí)驗(yàn),并對(duì)接頭進(jìn)行微觀組織觀察及性能測(cè)試,研究攪拌道次對(duì)6061鋁合金攪拌摩擦焊接頭組織及性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)材料為6 mm厚的6061鋁合金平板,焊件尺寸為300 mm×150 mm,主要化學(xué)成分如表1所示,SiC為粉末狀。在鋁板上先用記號(hào)筆畫出打孔中心線,預(yù)先打點(diǎn)為后面鉆孔作準(zhǔn)備。用電鉆在鋁板上沿著打孔中心線,鉆出直徑2 mm、孔深3 mm、孔間距2 mm的一排孔,預(yù)置顆粒示意圖如圖1所示。接著孔中添加SiC粉并壓實(shí),壓實(shí)是為了最大限度減少SiC粉末在攪拌過程中的流出。夾具將試板固定在焊機(jī)的工作臺(tái)上,注意兩板板面應(yīng)保持在同一高度。調(diào)好攪拌頭傾角為2°,設(shè)定實(shí)驗(yàn)焊接工藝參數(shù)為750 r/min的攪拌速度和47.5 mm/min的進(jìn)給速度,下壓量為每道0.1 mm。攪拌頭旋轉(zhuǎn)方向:左旋、右旋,交替改變;第一道為左旋。實(shí)驗(yàn)過程中先用攪拌頭旋入工件后稍作停頓,待攪拌頭旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定后即可依據(jù)設(shè)定的工藝參數(shù)進(jìn)行焊接,直至焊接完畢。采用MH-3型數(shù)顯顯微硬度計(jì)測(cè)量焊接試樣顯微硬度,在距離焊縫表面2 mm處橫截面進(jìn)行顯微硬度分析,設(shè)定載荷為50 g,保載時(shí)間為10 s,點(diǎn)間隔為0.5 mm。

表1 6061鋁合金板合金成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)Tab le 1 The com position of 6061 p late alloy

圖1 預(yù)置顆粒示意圖Fig.1 Preset particles schematic

2 結(jié)果與分析

2.1 焊縫表面成形特征

在進(jìn)行單道攪拌摩擦焊時(shí),由于前進(jìn)側(cè)壓力較大,在攪拌頭的攪拌下前進(jìn)側(cè)金屬流動(dòng)到后退側(cè),并在后退側(cè)形成飛邊,前進(jìn)側(cè)幾乎沒有飛邊。實(shí)驗(yàn)由于采用左右旋交替作用,故飛邊在兩側(cè)面都存在,且焊縫上表面紋理細(xì)致,表面成形良好,如圖2所示。

圖2 焊縫上表面Fig.2 Upper surface of the weld

攪拌摩擦焊根據(jù)金相組織,根據(jù)力學(xué)性能的差異分為焊核區(qū)(NZ)、熱機(jī)影響區(qū)(TMAZ)、熱影響區(qū)(HAZ),如圖3所示[5]。

圖3 焊縫宏觀形貌Fig.3Weld macro-morphology

2.2 金相組織分析

圖4a是攪拌6道焊核區(qū)組織,圖4b是攪拌4道焊核區(qū)組織。從圖4a,b中可以看出,焊核區(qū)組織由等軸晶組成,晶粒細(xì)小。這主要是因?yàn)楹负藚^(qū)受到軸肩的壓力和旋轉(zhuǎn)摩擦力還有攪拌頭的旋轉(zhuǎn)摩擦和剪切力,導(dǎo)致晶粒被拉長(zhǎng),再加上攪拌作用將晶粒打碎,形成塑性軟化層,使得破碎的晶粒組織發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶和回復(fù),由于鋁合金導(dǎo)熱率比較大,散熱快,晶粒來不及長(zhǎng)大,最后形成細(xì)小的等軸晶組織[12—13]。攪拌6道SiC顆粒聚齊程度很小,其分布比攪拌4道要均勻,可以得出攪拌次數(shù)越多,SiC顆粒分布越均勻。

圖4c為攪拌6道TMAZ-HAZ區(qū)組織,圖4d為攪拌4道TMAZ-HAZ區(qū)組織。從圖4c,d可以看出,緊鄰NZ區(qū)的是TMAZ區(qū),其晶粒受到焊核區(qū)的塑性流動(dòng)和攪拌頭轉(zhuǎn)動(dòng)的雙重作用,晶粒被拉長(zhǎng),部分組織發(fā)生了較大的變形。HAZ區(qū)域晶粒尺寸較粗大。這主要是因?yàn)樵搮^(qū)域受到焊核區(qū)焊接熱循環(huán)的作用,晶粒發(fā)生部分再結(jié)晶,再結(jié)晶沿著原晶界形成,使得原晶粒得到回復(fù)和長(zhǎng)大。

圖4 FSW各區(qū)域顯微組織Fig.4 FSW microstructure

2.3 顯微硬度分析

如圖5所示,攪拌4道和攪拌6道的硬度分布沿焊核中心對(duì)稱分布。攪拌6道顯微硬度分布呈“W”形分布,最低硬度在焊接的熱影響區(qū),最高硬度出現(xiàn)在焊核區(qū),母材稍次之。其原因是熱影響區(qū)受到焊接熱循環(huán)的作用,其晶粒長(zhǎng)大,且母材強(qiáng)化相粒子發(fā)生溶解和聚集粗化,導(dǎo)致熱影響區(qū)硬度變低。焊核區(qū)晶粒雖由于強(qiáng)化粒子相溶解,但晶粒經(jīng)過再結(jié)晶和回復(fù),再加上SiC顆粒的強(qiáng)化作用,焊核區(qū)硬度比母材要稍高。攪拌4道的熱影響區(qū)的顯微硬度比攪拌6道要高。其原因是攪拌次數(shù)越多,母材中的強(qiáng)化相粒子溶解和粗化的越多,最終硬度會(huì)變低。攪拌4道的焊核區(qū)硬度變化較大,較高的硬度點(diǎn)是SiC顆粒沒攪勻,團(tuán)聚在一起,導(dǎo)致硬度較大;比母材硬度要低的3個(gè)點(diǎn)是由于強(qiáng)化相粒子的溶解和聚集粗化,SiC顆粒在此處沒有強(qiáng)化作用,導(dǎo)致硬度比母材要低[14—16]。攪拌6道和攪拌4道硬度最低點(diǎn)都出現(xiàn)在熱影響區(qū)和熱機(jī)影響區(qū)交界處附近。

圖5 顯微硬度分布Fig.5 Microhardness profile

3 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)金相的微觀組織和顯微硬度的研究,得到以下結(jié)論。

1)攪拌摩擦焊分為4個(gè)區(qū)域:焊核區(qū)、熱機(jī)影響區(qū)、熱影響區(qū)。焊核區(qū)形成了細(xì)小的等軸晶組織,熱機(jī)影響區(qū)組織發(fā)生了彎曲變形,熱影響區(qū)晶粒發(fā)生粗化。

2)攪拌次數(shù)越多,SiC顆粒聚集程度越低,分布越均勻。

3)攪拌6道接頭顯微硬度在橫向上呈“W”形分布,熱機(jī)影響區(qū)與熱影響區(qū)附近硬度最低,熱影響區(qū)硬度較低,焊核區(qū)硬度比母材稍高。

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Friction Stir Welding of 6061 Silicon Carbide Composite Materials

ZHAO Xiao-qiang1,XU Xin-hou1,HUA Peng1,LIXian-fen1,ZHOUWei1,2
(1.School of Material Science and Engineering,Hefei University of Technology,Hefei230009,China; 2.School of Mechanical and Aerospace Engineering,Nanyang Technological University,Singapore 639798,Singapore)

The aim of this study was to investigate the influence of Stirred passes of6061 SiC composites by FSW.The FSW experimentswere carried out on 6061 silicon carbide composites.Good surface and smooth surface welding section was acquired,fine equiaxed grainswere formed in nugget zone,and significant coarseningwas observed in HAZ.SiC particle distribution wasmore uniform withmore times of stir.Therewasminimum hardness near the heat affected zone,and the hardness in weld nuggetwas slightly higher than that of basemetal.

stir passes;FSW;6061alloy;SiC;microstructure;microhardness

10.3969/j.issn.1674-6457.2015.04.011

TG453+.9

:A

:1674-6457(2015)04-0053-04

2015-04-10

趙小強(qiáng)(1990—),男,安徽安慶人,碩士,主要研究方向?yàn)橄冗M(jìn)焊接技術(shù)。

李先芬(1969—),女,安徽人,博士,教授,主要研究方向?yàn)橄冗M(jìn)焊接材料及焊接工藝。