2219铝合金搅拌摩擦焊接头组织与力学性能的不均匀性

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。 1

关键词：搅拌摩擦焊，组织结构，力学性能，不均匀性

0 前言

搅拌摩擦焊过程中局部材料在极端摩擦力热耦合作用下经历了剧烈塑性变形和高速率粘性流动迁移，这种局部化强瞬态能量耗散必将引起材料微结构状态发生非平衡不可逆热力学变化，导致搅拌摩擦焊接头的组织结构和力学性能具有较大的不均匀性。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

1.1 搅拌摩擦焊接头形貌

搅拌摩擦焊的原理如图1所示，即通过搅拌头轴肩、搅拌头探针与工件间的摩擦热使接合面处的金属塑性化并在探针和轴肩的共同牵引、搅动作用下向后流动、挤压、填充形成焊缝。

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，焊缝中心形成一系列同心圆环状结构，很多文献将其称之为“洋葱环”。焊接后接头从组织上可以划分为4种不同的区域：焊核区(weld nugget)，热力影响区（thermo-mechanically affected zone简称TMAZ），热影响区（heat affected zone简称HAZ）。

2219铝合金搅拌摩擦焊接头组织与力学性能的不均匀性