赵亚东，段 非，朱西伟，葛继平

(1.安阳工学院 机械工程学院，河南 安阳 455000；2.大连交通大学 材料科学与工程学院，辽宁 大连 116028)

5083铝合金搅拌摩擦焊接头的微观组织与力学性能

赵亚东1，段 非1，朱西伟1，葛继平2

(1.安阳工学院 机械工程学院，河南 安阳 455000；2.大连交通大学 材料科学与工程学院，辽宁 大连 116028)

通过金相分析、拉伸及断口形貌观察等方法研究8 mm厚5083铝合金搅拌摩擦焊接头的显微组织和力学性能。金相观察结果表明：焊核区由细小的等轴晶组织构成；热机影响区受机械和热的双重作用组织发生了较大程度的变形；热影响区仅受热循环的作用，与母材组织相似，但组织稍微有粗化现象。力学试验表明：焊接速度为160mm／min时，接头的抗拉强度可以达到327.3MPa，为母材强度的95.6%。断口形貌分析显示，接头的断裂模式为韧性和脆性的混合型断裂。

搅拌摩擦焊；5083铝合金；接头组织；力学性能

0 前言

5083铝合金具有高的比强度、断裂韧性、良好的耐腐蚀性和易加工等特点，被广泛应用于各种工业领域中。目前该合金的焊接主要采用熔化极氩弧焊，但是在焊接过程中易产生气孔、裂纹等缺陷，降低力学性能，限制了该合金在工业领域中的应用。

搅拌摩擦焊是由英国焊接研究所(TWI)于1991年发明的新型连接技术[1]，是自激光焊接技术以后的又一项革命性的连接技术，优点众多[2-4]，应用前景广阔。本研究采用搅拌摩擦焊进行5083铝合金对接焊，研究接头的微观组织和力学性能。

1 试验材料和方法

试验用材料为8 mm厚的5083铝合金轧制板，焊件尺寸300 mm×150 mm×8 mm，已经过淬火和人工时效处理，其力学性能为：σ0.2＝162.5 MPa，σb＝342.5 MPa，断面收缩率ψ＝21.6%，化学成分如表1所示。焊前用酒精擦拭试件，将试件刚性固定在专用夹具上，搅拌头以旋转速度400 r／min挤入试件结合面内，然后分别以80～160 mm／min焊接速度沿结合线方向行走。试验用搅拌头的轴肩直径为20mm；搅棒根部直径8 mm，长7.6～7.7 mm。焊后在拼焊板上沿焊缝横向制取金相试样和拉伸试样。在BX51M金相显微镜下观察接头显微组织，在WE-30型液压式万能材料试验机上进行拉伸试验，在JSM-6460LV扫描电镜下观察接头的断口形貌。

表15083 铝合金化学成分 %

2 试验结果和分析

2.1 显微组织

采用优化的焊接工艺参数可以获得优良的搅拌摩擦焊焊缝。焊后接头形成三种不同的区域，分别为焊核区(weld nugget)、热机影响区(thermo-mechanically affected zone，TMAZ)和热影响区(heat-affected zone，HAZ)，如图1所示。在焊核区可以看到明显的“洋葱环”组织，焊核是最接近轴肩的区域，组织结构通常有较大的变化。前进边(advancing side，AS)为搅拌头旋转方向与搅拌头行进方向一致的侧面，回撤边(retreating side，RS)为搅拌头旋转方向与搅拌头行进方向相反的侧面。焊核与热机影响区的分界线在前进边与回撤边是不相同的。前进边分界明显，TMAZ中的塑性流动痕迹也很清晰，回撤边分界则比较模糊。出现这种现象与焊接过程中两侧金属的塑性流动状态有关[5]。

5083铝合金FSW接头各区域显微组织如图2所示。接头组织与母材组织差异较大。5083铝合金母材的显微组织是典型的轧制经淬火加人工时效的组织，晶粒为呈明显方向性的板条状，这是由轧制过程中的变形引起的(见图2a)。焊核区位于接头的中间部位，该区受到搅拌头强烈的机械搅拌作用和剧烈摩擦产生的局部高温作用，组织发生动态再结晶，由母材原始的带状组织转变为细小的等轴晶组织(见图2b)。与接头中的另外区域相比较，热机影响区组织变化最为剧烈，在剧烈变化的粘附力和焊接热循环综合作用下，形成了从粘附长大的破碎组织到弯曲变形的带状组织的变化梯度，其中还混合有再结晶晶粒和回复晶粒(见图2c)。热影响区的晶粒为典型受热长大组织(见图2d)。此处主要受热影响，受力很小或完全不受力，畸变能很低。

图1 FSW接头组织分布[2]

图2 FSW接头的显微组织

2.2 拉伸试验结果

其他规范参数相同，不同焊接速度焊接的5083铝合金接头力学性能如表2所示。当搅拌头旋转速度一定时，随着焊接速度的增加，焊接接头平均抗拉强度增大，在旋转速度400r／min、焊接速度160mm／min时，接头的抗拉强度为327.3MPa，达到母材的95.6%；断面收缩率20.3%，达到母材的95.3%，但是接头表面产生较大的飞边。

表2 不同焊接速度焊接接头拉伸测试结果

2.3 断口形貌

搅拌摩擦焊接接头断口形貌如图3所示，试件断裂于前进侧热影响区处。从整体形貌来看(见图3a)，断口表面光滑平整，局部区域有少量的纤维状特征。从断口可以看出，断口上大面积存在较大较深的等轴状韧窝和撕裂棱，显示出接头具有较好的塑性，为塑性断裂。在断口上还可见到细小的第二相粒子剥离后留下的非常细小的光滑韧窝，在晶界上出现微裂纹，为沿晶断裂。在大韧窝中还存在粗大的第二相粒子断裂后留下的断面，为穿晶断裂。根据断口形貌分析，接头断裂模式为穿晶+沿晶混合型断裂。

3 结论

(1)采用搅拌摩擦焊实现了8mm厚度5083Al合金的连接。接头由不同的三部分区域构成：焊核区发生动态再结晶，形成了细小的等轴晶组织；热机影响区在搅拌针机械挤压和热循环的双重作用下发生较大程度的变形；热影响区仅受热循环的作用，与母材组织相似，但组织稍微有粗化现象。

(2)搅拌头行走速度为160 mm／min时，接头的抗拉强度最大，最大值327.3 MPa，相当于母材强度的95.6%。

(3)分析接头断口形貌，接头的断裂形式为穿晶+沿晶混合型断裂。

图3 接头断口形貌

[1] Dawes C J.Introduction to Friction Stir Welding and Its Development[J].Welding and Metal Fabrication，1995，63(1)：13-15.

[2] MISHRA RS，MA ZY.Friction stir welding and processing[J].Materials Science and Engineering，2005，50(12)：178-185.

[3] ThomeasWM，NicholasED.Frictionstirweldingforthetransportation industries[J].Materials and Design，1997，18(16)：269-273.

[4] Dawes C J，Thomas W M.Friction stir process welds aluminum alloys[J].Welding Journal，1996，75(3)：41-45.

[5]傅志红，贺地求，周鹏展，等.7A52铝合金搅拌摩擦焊焊缝的组织分析[J].焊接学报，2006，27(5)：65-68.

Microstructures and mechanical properties of friction stir welding joint of 5083 aluminum alloy

ZHAO Ya-dong1，DUAN Fei1，ZHU Xi-wei1，GE Ji-Ping2
(1.School of Mechanical Engineering，Anyang Institute of Technology，Anyang 455000，China；2.School of Materials Science and Engineering，Dalian Jiaotong University，Dalian 116028，China)

Microstructure and properties of friction stir welding joint of 5083 Al alloy in 8 mm thickness were investigated by metallographic analysis，roomtemperature tensile and fracture analysis.The metallographic analysis demonstrated that the weld nugget was characterized by the dynamic recrystallization，which consist of refined，equiaxed grains.The microstructure in TMAZ，consist of highly deformed grains and those in HAZ consist of coarse grains.Mechanical property demonstrated that the tensile strength of the joint can reach 327.3 MPa，as much as 95.6%of the metal.The fracture analysis showed that the fracture mode of the joints is ductile／brittle mixed fracture.

friction stir welding；5083 Al alloy；joint microstructures；mechanical property

TG453+.9

A

1001-2303(2011)12-0032-03

2010-10-22

赵亚东(1983—)，男，河南安阳人，硕士，主要从事铝合金搅拌摩擦焊工艺研究。