周　利，　韩　柯，　刘朝磊，　黄　诚，常志龙，　吴会强，　冯吉才,，　孟凡新

(1.哈尔滨工业大学(威海) 山东省特种焊接技术重点实验室， 山东 威海 264209； 2.哈尔滨工业大学 先进焊接与连接国家重点实验室， 哈尔滨 150001； 3.北京宇航系统工程研究所， 北京 100076； 4.天津航天长征火箭制造有限公司， 天津 300462)



2219铝合金搅拌摩擦焊接头缺陷补焊

周利1,2,4，韩柯2，刘朝磊1，黄诚3，常志龙3，吴会强3，冯吉才1,2，孟凡新4

(1.哈尔滨工业大学(威海) 山东省特种焊接技术重点实验室， 山东 威海 264209； 2.哈尔滨工业大学 先进焊接与连接国家重点实验室， 哈尔滨 150001； 3.北京宇航系统工程研究所， 北京 100076； 4.天津航天长征火箭制造有限公司， 天津 300462)

对2219铝合金搅拌摩擦焊接头中出现的未焊透和孔洞缺陷进行一次、二次搅拌摩擦补焊实验。结果表明：在合适的补焊工艺参数下，可有效消除接头原有缺陷，获得成形美观，性能良好的接头；随补焊次数的增加，接头软化区域显著增加；含有上述两种缺陷接头一次补焊后拉伸性能显著提高，二次补焊接头相比于一次补焊接头拉伸性能有所降低；含有缺陷的原始接头拉伸时均于缺陷处起裂导致接头塑性较低，补焊后接头都断裂于后退侧热影响区与热机影响区交界处，呈韧性断裂模式。

2219铝合金；搅拌摩擦焊；缺陷；补焊

搅拌摩擦焊(Friction stir welding，FSW)作为一种新型固相连接技术在铝合金焊接方面正获得广泛应用，但FSW过程中由于工艺参数不当、板厚不均等原因可能会形成沟槽、隧道、孔洞、未焊透等焊接缺陷[1-4]。其中，未焊透及孔洞缺陷属于接头内部典型缺陷，一旦形成会严重影响接头的力学性能，因而对上述两种缺陷的修复就显得异常重要[5-6]。

采用传统熔化焊修复搅拌摩擦焊接头缺陷会造成接头性能显著恶化，通过搅拌摩擦补焊方法不仅可以很好的修复原有缺陷，而且修复后接头保持了固相连接的优点。另一方面，采用这种修补工艺还可大大减少修复时间，降低生产成本[7-10]。刘会杰[11]和Martin等[12]分别采用FSW对不同铝合金搅拌摩擦焊沟槽及未焊透缺陷进行了修复研究，但国内外相关研究总体较少。本研究选用航空航天领域广泛应用的2219铝合金为研究对象，对其搅拌摩擦焊接头未焊透及孔洞两种缺陷进行FSW修复，研究补焊前后接头成形、微观组织及力学性能的变化，为搅拌摩擦补焊方法工程应用提供试验依据。

1　实验材料及方法

实验材料采用2219-T87铝合金板材尺寸为300mm×150mm×6mm，化学成分和力学性能如表1所示。焊前采用金相砂纸对板材对接面进行轻轻打磨后再用丙酮清洗，以清除表面氧化物、油污等。

表1　2219铝合金化学成分与力学性能Table 1　Chemical composition and mechanical properties of 2219 Al alloy

焊接实验在龙门式搅拌摩擦焊设备上进行，搅拌头采用锥形螺纹搅拌针。为模拟工程上多种不确定因素导致的焊接缺陷，现依据相关研究经验制定获得缺陷及其补焊工艺参数如表2所示，其中两次补焊均采用相同的焊接方向和参数。焊接完成后，沿试样横截面制备金相试样，金相打磨、抛光后使用Keller试剂(4ml HF+6ml HCl+10ml HNO3+190ml H2O)进行腐蚀，采用光学显微镜观察焊接接头的微观组织。按照GB/T 2649—1989,GB/T 228—2002沿垂直于焊接方向将焊接接头切成标准试样，每组实验三个试样，在Instron 1186电子力学性能试验机上进行拉伸试验，加载速率为3mm/min，采用扫描电子显微镜对拉伸断口进行扫描。采用MICRO-586型显微硬度计在板厚中部水平方向对接头的各个区域进行显微硬度测试：硬度测试点间距1mm，加载载荷200g，加载时间10s。

表2　含缺陷原始接头及其补焊接头工艺参数Table 2　Welding process parameters for initial joints with defects and repaired joints

2　结果与分析

2.1补焊前后接头成形

原始焊缝及其补焊焊缝外观如图1所示，可以看到所有情况下焊缝表面成形良好，弧纹清晰，匙孔处无可见缺陷，但随着补焊次数的增加飞边有所增多。飞边主要出现在焊缝后退侧(Retreating side，RS)，前进侧(Advancing side，AS)飞边相对较少。

图2、图3分别为含未焊透及孔洞缺陷原始接头和补焊接头截面形貌，受焊接过程中热-力共同作用焊缝呈上宽下窄形态，且经过一次、二次补焊后各区域尺寸有所增大；未焊透缺陷是指在接头底部形成不完全连接或未形成连接而出现的“裂纹状”缺陷，如图2(a)所示；孔洞缺陷则是指由于搅拌摩擦焊接时内部材料未形成完全封闭流动而在焊核区(Nugget zone, NZ)留下的较小空腔[13，14]。在所选择的补焊工艺条件下进行一次、二次补焊后，原始接头中的未焊透及孔洞缺陷被消除，分别如图2(b)，(c)和图3(b)，(c)所示。

图1　含未焊透、孔洞缺陷接头补焊前后焊缝表面形貌(a)未焊透；(b)孔洞Fig.1　Surface appearance of weld in joints with defect of lack of penetration(a) and cavity (b)

图2　含未焊透缺陷原始及补焊接头截面形貌(a)原始接头；(b)一次补焊接头；(c)二次补焊接头Fig.2　Cross-section of original joints with lack of penetration and repaired joints(a)original joint;(b)primary repaired joint;(c)secondary repaired joint

图3　含孔洞缺陷原始及补焊接头截面形貌(a)原始接头；(b)一次补焊；(c)二次补焊Fig.3　Cross-section of original joints with cavity and repaired joints(a)original joint;(b)primary repaired joint;(c)secondary repaired joint

2.2补焊前后接头组织

由于轴肩下压量不足、搅拌头转速过低或焊速过快，使原始对接面未受到充分的搅拌和挤压作用，导致接头底部焊接热输入不足而未形成可靠连接[15-16]。由图4所示含未焊透缺陷接头补焊前后微观组织可知，补焊前原始接头未焊透缺陷周围仍然保留着原始母材的轧制组织，未焊透长度约为0.5mm，如图4(a)所示；经一次、二次补焊后，未焊透缺陷均被完全消除，如图4(b)，(c)所示，同时焊缝根部粗大的母材组织也变成细小的等轴晶。

孔洞缺陷也是由焊接热输入不足，塑性材料流动不充分而形成，通常位于接头前进侧的中下部或者表面附近[17]，孔洞直径约为0.15mm，如图5(a)所示。由图5(b)，(c)可知，采用合适工艺参数进行一次、二次补焊后，孔洞缺陷得到消除，且其周围细小裂纹也随之消失。

图4　含未焊透缺陷接头补焊前后微观组织(a)原始接头；(b)一次补焊接头；(c)二次补焊接头Fig.4　Microstructures of the joints with lack of penetration before and after repair welding(a)original joint;(b)primary repaired joint;(c)secondary repaired joint

图5　含孔洞缺陷部位补焊前后微观组织(a)原始接头；(b)一次补焊接头；(c)二次补焊接头Fig.5　Microstructures of the joints with cavity before and after repair welding(a)original joint;(b)primary repaired joint;(c)secondary repaired joint

2.3补焊前后接头力学性能

2.3.1显微硬度

由图6和图7所示含缺陷接头补焊前后显微硬度分布可知，含上述两种缺陷接头补焊前后均发生了不同程度的软化，其中母材区硬度值最大，焊缝区硬度最小，这是由于该区域发生再结晶软化及过时效所导致[18-19]；随补焊次数的增加，焊接热输入增大导致接头进一步软化，且软化区域明显扩大。

图6　含未焊透缺陷接头补焊前后显微硬度分布Fig.6　Micro-hardness distribution of joints with lack of penetration before and after repair welding

图7　含孔洞缺陷接头补焊前后显微硬度分布Fig.7　Micro-hardness distribution of joints with cavity before and after repair welding

图8　含未焊透缺陷接头补焊前后拉伸性能Fig.8　Tensile properties of joints with lack of penetration before and after repair welding

2.3.2拉伸性能

图8为含未焊透缺陷接头补焊前后拉伸性能，可以发现含未焊透缺陷原始接头的抗拉强度为248MPa，伸长率为2.6%，接头系数为56%；而经一次、二次补焊后，接头抗拉强度分别达到296.7MPa，294.2MPa，伸长率分别增至6.3%,5.73%。这是由于补焊前接头根部存在未焊透缺陷，当接头承受拉应力时，裂纹首先从根部缺陷处扩展，进而发生断裂，造成接头力学性能大幅下降；一次补焊后接头根部未焊透消除，同时根部粗大的母材组织得到充分细化，因此接头力学性能升高；而经过二次补焊后，接头的进一步软化及热影响区附近晶粒的粗化使接头力学性能有所降低。

由图9所示含孔洞缺陷接头补焊前后拉伸性能可知，一次、二次补焊接头抗拉强度由235MPa分别达到332MPa，326MPa，接头系数均达到74%以上，伸长率分别增至6.2%，5.6%。补焊前，由于接头中存在孔洞缺陷，使得焊核区材料不连续，因此在拉应力作用下发生应力集中，接头首先从此处断裂；补焊后，孔洞消失，虽然接头各区晶粒尺寸有所增大，但抗拉强度有很大提高；接头伸长率随焊接次数的变化规律与抗拉强度保持一致。

图9　孔洞缺陷接头补焊前后拉伸性能Fig.9　Tensile properties of joints with cavity before and after repair welding

由图10含未焊透缺陷接头补焊前后拉伸断裂位置图可看出，含未焊透缺陷原始接头拉伸时于缺陷位置处起裂并扩展至焊核区；一次及二次补焊接头拉伸断裂位置在接头后退侧热机影响区与热影响区交接处，并且断裂方向与焊缝表面呈45°。

图11为含孔洞缺陷接头补焊前后拉伸断裂位置。由图可知，补焊前接头拉伸断裂位置位于焊缝中部偏向于前进侧的缺陷处；经一次、二次补焊后，接头断裂位置均位于焊缝后退侧热机影响区与热影响区交界处，通过对比硬度分布可知此处为整个接头的薄弱区。

2.3.3拉伸断口分析

图12和图13分别为含未焊透缺陷、孔洞缺陷接头补焊前后拉伸断口形貌，可知两种情况下原始接头缺陷处断口均无明显韧窝特征，尤其孔洞处断口存在大量光滑剪切平面，为典型的脆性断裂，接头整体均为分层混合型断裂。经一次、二次补焊后接头拉伸断口上均布满大量韧窝和撕裂棱，呈韧性断裂模式。

图10　未焊透缺陷接头补焊前后拉伸断裂位置(a)原始接头；(b)一次补焊接头；(c)二次补焊接头Fig.10　Fracture location of joints with lack of penetration before and after repair welding(a)original joint;(b)primary repaired joint;(c)secondary repaired joint

图11　含孔洞缺陷接头补焊前后拉伸断裂位置(a)原始接头；(b)一次补焊接头；(c)二次补焊接头Fig.11　Fracture location of joints with cavity before and after repair welding(a)original joint;(b)primary repaired joint;(c)secondary repaired joint

图12　含未焊透缺陷接头补焊前后拉伸断口形貌(a)原始接头缺陷处;(b)一次补焊;(c)二次补焊Fig.12　SEM image of fracture morphology of joints with lack of penetration before and after repair welding(a)defect location of original joint;(b)primary repaired joint;(c)secondary repaired joint

图13　含孔洞缺陷接头补焊前后拉伸断口形貌(a)原始接头缺陷处;(b)一次补焊;(c)二次补焊Fig.13　SEM image of fracture morphology of joints with cavity before and after repair welding(a)defect location of original joint;(b)primary repaired joint;(c)secondary repaired joint

3　结论

(1)采用合适焊接工艺参数对含未焊透和孔洞缺陷接头进行搅拌摩擦补焊后，能够获得表面光滑美观、成形良好的接头。补焊后，焊缝飞边增大、减薄明显，接头横截面各区域宽度有所增大；一次、二次补焊后由于焊接热输入量的增加，材料流动性变好，缺陷均被完全消除；此外，除焊核外其它各区晶粒有一定程度的长大。

(2)补焊前后，接头硬度均呈现出母材区最大，焊缝区最小的特征；随着补焊次数的增加，热输入量

随之增加，接头软化倾向加剧，且软化区域增加；一次补焊后接头抗拉强度可以达到母材的67%以上，但二次补焊导致接头力学性能有所下降。

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Repair Welding of Defects in 2219 Al Alloy Friction Stir Welded Joints

ZHOU Li1,2,4，HAN Ke2，LIU Chaolei1，HUANG Cheng3，CHANG Zhilong3，WU Huiqiang3，FENG Jicai1,2，MENG Fanxin4

( 1.Shandong Provincial Key Laboratory of Special Welding Technology, Harbin Institute of Technology at Weihai, Weihai 264209, Shandong China； 2. State Key Laboratory of Advanced Welding and Joining, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China；3. Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering, Beijing 100076, China； 4. Tianjin Aerospace Long March Rocket Manufacturing Co., Ltd, Tianjin 300462)

The primary and secondary friction stir repair welding experiments had been untaken for the lack of penetration and cavity of 2219 aluminum alloy joints welded by friction stir welding. The results show that the original defects can be removed with proper welding process parameters and thus we can achieve joints with smooth appearance and good properties. But the area of joint softened zone is increased dramatically by the increase of repair welding times. The tensile properties of primary repaired joints are satisfactory and better than that of secondary repaired for both lack of penetration and cavity defects. In the original joints, fractures all are started in the defects which led to a low ductility. However, after repair, joints fractured show a ductile fracture character at the interface of heat-affected zone and thermal-mechanical affected zone in retreating side.

2219 aluminium alloy；friction stir welding；defect；repair welding

2015-06-09；

2015-08-02

山东省自主创新及成果转化专项(2014CGZH1003)；威海市产学研合作创新示范工程资助计划项目(2014CXY02)；威海市科技发展计划项目(2014DXGJ17)；先进焊接与连接国家重点实验室开放课题研究基金资助项目(AWJ-M13-11)

周利(1982—)，男，博士，副教授，主要从事搅拌摩擦焊等先进连接技术研究，(E-mail)zhouli@hitwh.edu.cn。

10.11868/j.issn.1005-5053.2016.1.005

TG456.9

A

1005-5053(2016)01-0026-07