超聲深滾對高強鋁合金超聲波焊縫組織與性能的影響

朱有利，謝俊峰，黃元林

(裝甲兵工程學院裝備再制造工程系，北京100072)

2A12鋁合金、2A11鋁合金屬于2×××系列高強鋁合金，具有優良的綜合機械性能，在航空工業領域應用廣泛。但2A12鋁合金、2A11鋁合金的可焊性較差，采用傳統熔焊工藝焊接時，出現熱裂傾向大、熱變形嚴重、焊接強度低等問題［1-2］。超聲波焊接技術是一種固態連接技術，具有焊接溫度低、焊接變形小等優點，比較適合進行鋁合金連接［3］。近年來，國內外學者對鋁合金超聲波焊接的組織和性能展開了較多的研究:Kong等［4-5］研究了3003和6061鋁合金超聲波焊縫的組織結構和拉伸力，并根據試驗結果優化了超聲波焊接工藝參數。熊志林等［6］研究了超聲波焊接工藝參數對焊后6061鋁合金剝離強度和硬度等力學性能的影響，并采用對焊接表面進行乙醇處理的方法提高了焊接接頭的結合強度。

超聲波焊接過程中，帶有紋理花紋的焊接工具頭壓入焊接箔材表面，將超聲波振動傳遞到結合界面上，使母材和箔材形成焊接結合［7］。但是焊接工具頭會在焊縫箔材表面形成焊接壓痕，當焊接件承受載荷時會產生較大的應力集中，從而導致在此壓痕處發生破壞［8］。超聲深滾工藝是一種新型表面機械強化技術，可在零件的表層和次表層形成強化層并引入殘余壓應力，同時還具有降低表面粗糙度和修復表面損傷的作用［9-10］。筆者采用超聲深滾工藝對超聲波焊縫進行了焊后處理，采用有限元方法分析了焊接壓痕的應力集中問題，對比研究了超聲深滾處理對焊縫組織結構和力學性能的影響，分析了相關的影響機理。

1 試驗材料與方法

如圖1所示，超聲波焊接試驗采用2塊尺寸為100 mm×20 mm×3 mm的2A12-T3鋁合金作為母材，以尺寸20 mm×20 mm×3 mm的2A11-O鋁合金作為箔材，通過搭焊的形式進行超聲波焊接。2A12-T3與2A11-O鋁合金的主要化學成分如表1所示。

焊后試樣分為A、B兩組，對B組試樣進行超聲深滾處理，而后與A組試樣進行對比研究。試驗設備為筆者自主研發的USW-Ⅰ型超聲波金屬焊接機和UDR-Ⅱ型超聲深滾機。超聲波焊接的主要工藝參數為:工具頭振幅30 μm;超聲頻率20 kHz;焊接時間0.2 s;法向壓力600 N。超聲深滾的主要工藝參數為:進給速度400 mm/min;步進間距0.1 mm;工具頭振幅20 μm;超聲頻率20 kHz;法向深滾力20 N;詳細工藝參考此前的相關研究［10］。

圖1 超聲波焊接示意圖

表1 超聲波焊接鋁合金材料的化學成分

對焊縫超聲深滾處理前后 (A、B兩組試樣)的組織進行分析，分別沿焊縫的斷面取樣，采用Nova NanoSEM 650型場發射掃描電子顯微鏡(SEM)和JEM-2100型高分辨率透射電鏡(TEM)觀察焊縫的斷面形貌和微觀組織。SEM試樣經鑲制、研磨和拋光后，采用體積配比為1%氫氟酸(HF)+1.5% 鹽酸(HCl)+2.5%硝酸(HNO3)+95%水(H2O)的混合酸進行腐蝕，使用的純氫氟酸、鹽酸和硝酸的分子濃度分別為45%、35%和65%，腐蝕時間為5 min。TEM試樣在焊縫母材與箔材的結合界面處取樣，首先由機械方法減薄至50 μm，然后制成直徑為3 mm的圓形試樣，在氬氣中進行離子減薄。

采用X-350A型X射線應力測定儀，通過逐層電解拋光的方法，測定焊縫超聲深滾處理前后深度方向的殘余應力分布，在距離箔材表面深度約1 mm的深度上測試10個點，每2點之間的深度距離約為100 μm。測定條件為:X射線靶材CrKα，衍射晶面(311)，X光管管流5 mA，X光管管壓20 kV，交相關法定峰。采用G200型納米硬度測試儀測量焊縫超聲深滾處理前后的微觀硬度，加載載荷為10 mN，保荷時間為15 s，在結合界面附近區域測試10個點，每2點的間距為15 μm。

采用ANSYS有限元分析軟件，分析拉伸試驗試樣承受拉伸載荷時，焊接壓痕產生的應力集中情況。分析過程中，采用8節點六面體Solid45單元，按照試樣和焊接壓痕的實際尺寸建模?？紤]試樣的對稱性，建立1/4對稱模型。焊接鋁合金的彈性模量E=206 GPa;泊松比υ=0.3。從A、B兩組中各取3個試樣進行結合拉伸試驗，采用CMT4304型電子萬能試驗機測量試樣的結合拉伸力。

2 試驗結果與分析

2.1 組織結構

圖2為超聲波焊縫超聲深滾處理前后的斷面形貌。對比圖2(a)、(b)，超聲深滾處理前，超聲波焊縫表面存在深度約為200 μm焊接壓痕;超聲深滾處理后，焊接壓痕基本被去除，形成了比較平整光滑的焊縫表面，改善了焊縫表面質量。這是因為超聲深滾處理在焊縫表面產生強烈的塑性變形，使焊接壓痕的凸峰和凹谷發生材料塑性流動，從而消除了焊接壓痕。

從圖2(c)、(d)觀察超聲波焊縫的結合界面可以發現:超聲深滾處理前后的結合界面(圖中波浪虛線所示)形貌基本相同，箔材與母材相互交錯地結合在一起，沒有出現氧化物;孔洞和裂紋等焊接缺陷;但超聲深滾處理后焊縫的箔材區域發生了更加強烈的塑性變形，使該區域的組織在焊縫斷面深度方向上排列更加致密。

圖3為超聲深滾處理前后結合界面微觀組織的TEM圖像，RD為超聲深滾處理的滾壓方向，ND為焊縫斷面深度方向。從圖3(a)、(b)可以看出:超聲深滾前的結合界面區域上，母材和箔材的微觀組織存在差異，結合界線(圖3(a)中黑色曲線)左側的母材組織以位錯纏結、位錯胞和亞晶為主，右側的箔材組織主要為尺寸約為1 μm左右的細小等軸晶粒，這分別是超聲波焊接過程中形成的動態回復和連續動態再結晶組織［11］;超聲深滾處理后，結合界面區域上無法觀察到母材與箔材晶粒之間的結合界線，這是因為母材與箔材形成了比較均勻一致的層狀亞晶組織。這表明:超聲深滾處理減小了結合界面區域的母材和箔材之間的組織差異，使二者晶粒之間結合得更加緊密。值得注意的是，圖3中結合界面區域基本未發現第二相粒子，這是因為超聲焊接過程中結合界面區域產生了較大的塑性變形和溫升，使結合界面處母材和箔材的第二相粒子破碎溶解［12］。

2.2 納米顯微硬度

圖4為超聲深滾處理前后超聲波焊縫的納米顯微硬度分布曲線，其中虛線代表結合界面處。超聲深滾前，結合界面兩側的箔材與母材的硬度基本相同。由于原始2A11-O鋁合金箔材的硬度小于2A12-T3母材的硬度，因此超聲波焊接過程中，相比母材，此區域箔材發生了更大的加工硬化。

圖4 超聲深滾處理前后超聲波焊縫微觀硬度

但是結合界面區域的硬度小于其兩側的母材和箔材，這是由于超聲焊接過程中，結合界面區域發生了動態回復，連續動態再結晶以及第二相粒子溶解，造成此區域硬度下降［11-12］。

超聲深滾處理后，焊縫箔材區域的硬度明顯增大，這是由于超聲深滾處理在焊縫的表層和次表層產生滾壓塑性變形，使得焊縫箔材區域進一步發生加工硬化。由于超聲深滾處理產生塑性變形主要集中在距離焊縫表層較近的箔材區域，對母材區域影響較大，因此母材區域的硬度變化不大。

2.3 殘余應力

圖5為超聲深滾處理前后超聲波焊縫的殘余應力分布，圖中豎直虛線處約為焊縫的結合界面。圖中顯示:超聲深滾處理后，超聲波焊縫結合界面的殘余應力由56 MPa減小為-44 MPa，而且超聲波焊縫表層和次表層的最大殘余壓應力值由85 MPa增大到144 MPa，殘余壓應力層的深度由處理前的0.4 mm增加到處理后的1 mm。

圖5 超聲深滾處理前后超聲波焊縫殘余應力分布

2.4 焊接壓痕應力

圖6為承受拉伸載荷時，對具有焊接壓痕的結合拉伸試驗試樣進行有限元應力分析所得的第一主應力云圖?？梢钥闯?試樣箔材的焊接壓痕處存在應力集中，最大應力值為230 MP，而箔材的名義應力僅為126 MPa。因此，計算得出焊接壓痕形成的最大局部應力與名義應力的比值［13］，即應力集中系數KT約為1.8。有限元應力分析表明:焊接壓痕形成了明顯的應力集中，成為試樣的危險部位，在試樣承受載荷時容易發生斷裂，降低了試樣的力學性能。

圖6 結合拉伸試驗試樣第一主應力云圖

2.5 結合拉伸力

圖7 結合拉伸力試驗試樣

圖7中試樣A、B分別為超聲深滾處理前后的結合拉伸試驗試樣。通過超聲波焊接將箔材分別與2塊母材焊接在一起。從圖7中可以看出:超聲深滾處理前試樣的箔材表面存在明顯的焊接壓痕;而超聲深滾處理后試樣的箔材表面產生了明顯的塑性變形，基本去除了焊接壓痕。拉伸試驗后觀察發現:超聲深滾處理前試樣的斷裂位置位于焊接壓痕處;而處理后試樣的箔材與基材在結合界面處脫落。

圖8為超聲深滾前后試樣的結合拉伸力，可以看出:超聲深滾處理前試樣的平均結合拉伸力為1.012 kN，而處理后的平均結合拉伸力為1.652 kN，表明超聲深滾處理使超聲波焊縫的平均結合拉伸力提高了36%。其中，超聲深滾處理前，試樣平均結合拉伸力的相對標準偏差為19.5%，處理后的相對標準偏差減小為12.1%，這是由于焊接壓痕使試樣的結合拉伸力產生了較大的不確定性。

圖8 超聲深滾前后試樣的結合拉伸力

2.6 超聲深滾對焊縫組織和性能的影響

超聲深滾處理在超聲波焊縫表面產生材料塑性流動，基本消除了表面焊接壓痕，形成較為光滑平整的焊縫表面，而拉伸試驗中焊縫的斷裂位置由焊接壓痕處轉移到箔材與母材的結合界面處。表面超聲深滾處理很大程度上降低了焊接壓痕所形成的應力集中，這是超聲深滾處理提高焊縫結合力的主要原因。

另外，超聲深滾處理在焊縫的表層和次表層產生沿RD方向伸長的塑性變形，并形成層狀亞晶組織。超聲深滾處理結束后，未發生塑性變形的區域回復收縮，使塑性變形區域產生殘余壓應力，因此增大了焊縫殘余壓應力的深度和應力值。超聲深滾處理前，結合界面上存在焊接殘余拉應力，會降低焊縫結合性能。而超聲深滾處理消除了結合界面上的焊接殘余應力，并形成一定的殘余壓應力。這是超聲深滾處理提高焊縫結合力的另一原因。

超聲深滾處理產生的塑性變形使得焊縫組織進一步發生動態回復，處理前存在差異的結合界面組織轉變為處理后均勻的層狀亞晶組織，使母材與箔材晶粒之間結合得更加緊密，這也有助于增強焊縫的結合力。

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