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2219 铝合金搅拌摩擦焊接头组织与力学性能的不均匀性 1 1 1 2 白景彬 杜岩峰 田志杰 张彦华 （1．首都航天机械公司，北京，100076； 2．北京航空航天大学，北京，100083） 摘要：搅拌摩擦焊过程中局部材料经历了剧烈塑性变形和高速率粘性流动迁移，由此形成的接头组织结构和力学性能具有 较大的变异性。本文研究了 2219 铝合金搅拌摩擦焊接头的组织和力学性能，重点分析了接头区组织结构特征以及与之对应 的硬度分布、冲击韧性和强度的不均匀性。试验结果表明，FSW 接头非平衡的组织结构导致接头性能的力学不均匀性，FSW 接头断裂呈韧性，焊核区断裂韧性最好，热机影响区和热影响区次之，但均高于母材的断裂韧性。 关键词：搅拌摩擦焊，组织结构，力学性能，不均匀性 0 前言 采用锥形螺纹探针搅拌头焊接 2219 铝合金后， 接头宏观形貌如图 2 所示，从图中可以看出，焊缝 搅拌摩擦焊过程中局部材料在极端摩擦力热 中心形成一系列同心圆环状结构，很多文献将其称 耦合作用下经历了剧烈塑性变形和高速率粘性流 之为“洋葱环”。焊接后接头从组织上可以划分为4 动迁移，这种局部化强瞬态能量耗散必将引起材料 种不同的区域：焊核区(weld nugget)，热力影响区 微结构状态发生非平衡不可逆热力学变化，导致搅 （thermo-mechanically affected zone 简称 TMAZ ）， 拌摩擦焊接头的组织结构和力学性能具有较大的 热影响区（heat affected zone 简称 HAZ ）。 不均匀性。尽管搅拌摩擦焊接头在许多方面优于普 通熔焊接头，但是其组织和性能的不均匀性也是要 对结构的整体性能构成影响。因此，在搅拌摩擦焊 被广泛应用的同时，也必须重视对搅拌摩擦焊接头 组织和力学性能的不均匀问题的研究。 铝合金搅拌摩擦焊接头的组织结构和力学性 能一直是国内外的研究热点。Sato 等[1-2]研究了 6063 铝合金微观组织与接头拉伸强度及硬度之间的关 系。Heinz 等[3]将微观组织与 FSW 接头力学性能联 系起来考虑。W. B. Lee[4]研究 A356Al 合金 FSW 接 头拉伸性能。Mahoney[5]通过拉伸试验、断口分析 及微观组织分析等手段研究了 7075-T651 铝合金 FSW 焊接接头的性能。国内有关单位对铝合金搅拌 图 1 搅拌摩擦焊原理示意图 摩擦焊接头的组织结构开展了研究工作[6-9]，但是对 搅拌摩擦焊接头组织和力学性能的不均匀问题尚 缺乏深入的认识。本论文根据实际应用的需要，重 点研究了 2219 铝合金搅拌摩擦焊接头组织结构和 力学性能，深入认识搅拌摩擦焊接头的不均匀性问 题，为 2219 铝合金搅拌摩擦焊的质量控制提供基 础。 1. 2219 铝合金搅拌摩擦焊接头组织结构 图2 搅拌摩擦焊接头形貌 1.1 搅拌摩擦焊接头形貌 1.2 搅拌摩擦焊接头微观组织 搅拌摩擦焊的原理如图 1 所示，即通过搅拌头 图 3 是 2219 铝合金搅拌摩擦焊接头的显微组 轴肩、搅拌头探针与工件间的摩擦热使接合面处的 织，从微观组织可以进一步了解各个区域的特征。 金属塑性化并在探针和轴肩的共同牵引、搅动作用 焊核区位于接头的中心，该区由于受到搅拌头探针 下向后流动、挤压、填充形成焊缝。 的强烈搅拌作用，经历了较高温度的热循环，组织 发生动态再结晶，由母材原始的板条状组织转变为 细小的等轴再结晶组织。焊核区材料在搅拌头探针 的作用下得到了锻造碎化，因此焊核区组织的晶粒 十分细小。与焊核紧邻的热力影响区组织晶粒发生 了沿搅拌方向的变