2519铝合金搅拌摩擦焊工艺研究

2519铝合金厚板搅拌摩擦焊工艺研究

材料科学与工程学院

金属材料工程专业

7411102

张汉杰

200704111065

2519铝合金厚板搅拌摩擦焊工艺研究

1 前言

随着航空工业的快速发展， 对材料的要求也越来越高。一方面重量要轻，另一方面又要求强度高，2519 铝合金就是这种要求下的产物。2519是美国继5083 (Al-Mg合金)、7039(Al-Zn-Mg合金)后于20世纪80年发的一种新型装甲铝合金， 具有轻质、高强等特点，且有良好的抗应力腐蚀性能，主要用于飞机蒙皮、火箭、舰船等的结构件和两栖装甲突击车、空降车等的装甲材料。美国用其作两栖突击车的装甲材料，被称为第三代装甲铝合金。

搅拌摩擦焊(FSW)是有英国焊接研究所TW1针对铝合金、镁合金等轻质有色金属开发的一种新型的固相连接技术，具有焊接变形小，无裂纹、气孔、夹杂等常见焊接缺陷，使得以往通过传统熔焊方法无法实现焊接的材料通过搅拌摩擦焊技术得以实现，被誉为“继激光焊之后又一次性的焊接技术”。搅拌摩擦焊不需要填充材料和保护气体，能耗低，对环境无污染，是一种理想的绿色连接技术。搅拌摩擦焊一出现就受到了航空界的青睐，波音公司已将搅拌摩擦焊技术应用于运载火箭推进剂存储箱。在航空航天、高速舰船、高速轨道列车、汽车等轻型化结构及各种铝合金型材拼焊结构制造中， 已展示出显著的技术和经济效益。

国内对铝合金FSW焊接性能的工艺已有一些研究。如LY12铝合金搅拌摩擦焊工艺研究、LF15铝合金搅拌摩擦焊工艺及性能研究等。本文主要是对2519铝合金厚板的搅拌摩擦焊的焊接性和焊接接头进行研究。

2 实验材料及原理

实验用材料为10mm厚的2519高强铝合金(Al-Cu-Mn系)轧制板，试件尺寸为250mm×150mm，主要强化相为Al2Cu等。其主要化学成分（质量分数，%） 为：5.60Cu，0.19Mg，

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0.28Mn，0.19Zr，0.15Fe，其余为Al。

图1 搅拌摩擦焊原理示意图

搅拌摩擦焊是一种新型的塑化连接工艺，其基本原理如图1所示。图2为搅拌摩擦焊的设备。搅拌摩擦焊是利用特殊形状的搅拌头，将其插入待焊材料的结合面进行摩擦搅拌，结合界面的金属在摩擦热的作用下处于热塑性状态，并在搅拌头的驱动下，从其前端向后部塑性流动，在压力作用下形成塑化连接。与传统熔化焊相比，FSW无飞溅、烟尘，不需添加焊丝和保护气体，焊缝成形美观，可消除熔焊的缺陷。

图2 搅拌摩擦焊设备

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3 2519铝合金焊接性分析

铝及铝合金焊接具有一下特点：

(1) 强的氧化能力 铝在空气中极易与氧结合生成致密结实的Al2O3膜薄，厚度约0.1μm。Al2O3的熔点高达2050℃，远远超过铝及铝合金的熔点（约660℃），而且体积质量大，约为铝的1.4倍。焊接过程中，氧化铝薄膜会阻碍金属之间的良好结合，并易形成夹渣。氧化膜还会吸附水分，焊接时会促使焊缝生成气孔。

(2) 较大的热导率和比热容 铝及铝合金的热导率和比热容约比钢大1倍，焊接过程中大量的热量被迅速传导到基体金属内部。因此，焊接铝及铝合金比钢要消耗更多的热量，焊前常需采取预热等工艺措施。

(3) 热裂纹倾向大 线膨胀系数约为钢的2倍，凝固时的体积收缩率达6.5%左右，因此焊接铝合金时，往往由于过大的内应力而产生热裂纹。生产中常用调整焊丝成分的方法来防止产生热裂纹，如使用焊丝HS311。

(4) 容易形成气孔 氢在液态铝中的溶解度为0.7mL/100g，而在660℃凝固温度时，氢的溶解度突降至0.04ml/100g，使原来溶解于液态铝中的氢大量析出，形成气泡。焊前必须严格做好焊件的表面清理工作。

(5) 接头不等强度 铝及铝合金的热影响区由于受热而发生软化、强度降低使接头与母材无法达到等强度。纯铝及非热处理强化铝合金接头的强度约为母材的75%～100%；热处理强化铝合金的接头强度较小，只有母材的40%～50%。

(6) 合金易损失 合金中含有的低沸点元素(Mg、Mn等)，在熔化焊时极易挥发损失。

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铝合金在生产过程中一般通过焊接方法进行连接，但铝合金2519 采用传统熔焊方法焊接时，存在热裂倾向大、气孔敏感性高等问题。由于铝合金2519对焊接热输入比较敏感，工艺规范控制不当会使接头组织发生变化，影响焊缝及热影响区的性能，进而严重降低焊接结构件的总体强度和使用寿命。

4 对2519铝合金焊接的方案

对铝合金2519 采用传统熔焊方法焊接时，存在热裂倾向大、气孔敏感性高等问题，故应采用非熔焊的特种焊接方法。在本实验中采用搅拌摩擦焊接技术。

由于是对板材焊接，接头可采用对接方式的直焊缝焊接。焊前不需进行表面处理，由于搅拌摩擦焊接过程自身特性，可以将氧化膜破碎、挤出。

搅拌摩擦焊最重要的焊接参数是旋转速度R、焊接速度v、焊接压力p、搅拌头倾角、搅拌头插入速度和保持时间。

本实验采用旋转速度R为905 r/min时、焊接速度v为36. 3 mm /min、焊接压力p为48 N /mm2、，搅拌头倾斜角0度、保持时间为15s和适宜的插入速度。

5 焊接接头的组织和性能

按上述实验方法进行搅拌摩擦焊接， 图3为FSW 焊缝外观形貌，可看出，焊缝成形良好，较为平整，飞边少，匙孔内侧面比较光滑。

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图3 FSW焊缝外观形貌

实验结果表明，当焊接的工艺参数选择合适时，10mm的铝合金板材可单面一次成形，

而且焊缝较美观，焊后板材几乎无变形，取焊缝横截面检查焊缝内部，无

图4 2519焊接接头形貌

孔洞、裂纹等缺陷。腐蚀后的接头横截面的金相照片如图4所示。可看出焊缝区的晶粒比母材细。一般将焊接接头分为4个区域：焊核区、热机械影响区、热影响区和母材。

对焊接接头进行硬度、拉伸和弯曲的力学性能测试。结果表明：通过搅拌摩擦焊后的接头，硬度明显低于母材；接头的抗拉强度和弯曲强度均低于母材。这是因为铝合金母材处于轧制状态，受冷作硬化的影响，板材的硬度较高，焊接过程中连接处材料被加热而使硬化效果部分消失，导致焊缝的硬度略比母材硬度低。而经过退火处理以后，退火处理消除了轧制状态下材料的冷作硬化现象，可以使接头的抗拉强度明显提高。

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6 结论

(1) 采用高速搅拌摩擦焊，当旋转速度ω为905 r/min，焊接速度υ为36.3 mm /min，肩部压力P为48 N /mm2左右时，可以实现对10mm的2519铝合金板材的搅拌摩擦焊对接，焊接过程平稳，焊缝成型良好，内部无缺陷，接头机械性能优良。

(2) 采用FSW技术焊接2519铝合金，焊缝区金属在热机作用下发生动态再结晶，焊缝区晶粒尺寸较母材区细小。

(3) 采用FSW技术焊接轧态硬铝合金，热输入可部分消除母材的冷作硬化现象，导致焊缝区的硬度比母材区的硬度低。

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