激光重熔对高强铝合金搅拌摩擦焊焊缝
摘 要摘 要随着机械设备功能要求的不断提高，对铝合金的综合性能也提出了更高的标准。现有的铝合金材料的耐腐蚀性能与实际需求还有相当大的差距。根据现有的研究，已经发现激光重熔在一定程度上可以提高铝合金的耐蚀性，但是激光重熔在搅拌摩擦焊焊缝上的应用研究较少。本文针对2219高强铝合金材料，先采用不同工艺参数的搅拌摩擦焊进行焊接，焊后通过试验并选取优化的激光重熔参数进行表面重熔，对试样进行标线切割。切好以后将样品用有机溶剂浸泡并在超声波下洗涤，水磨抛光并借助金相显微镜（OM）和扫描电子显微镜（SEM）对焊缝截面的组织形貌进行观察和分析。在室温3.5%NaCl溶液中对激光重熔前后的接头截面进行电化学腐蚀试验以对比分析了激光重熔前后搅拌摩擦焊焊缝表面的耐腐蚀性差异。试验结果表明：（1）焊缝表面重熔层的自腐蚀电流Icorr显著降低，与未重熔的搅拌摩擦焊焊缝相比腐蚀速率降低，耐腐蚀性提高；（2）激光重熔降低表面Cu含量，改善表面层的均匀性，因此激光重熔提高高强铝合金搅擦焊接头的耐腐蚀性。关键词：高强铝合金，搅拌摩擦焊，激光重熔，微观组织，腐蚀性能 目 录
第一章 绪 论 1
1.1 课题背景 1
1.2 搅拌摩擦焊 2
1.2.1 搅拌摩擦焊原理 2
1.2.2搅拌摩擦焊的特点以及应用情况 3
1.2.3 搅拌摩擦焊在铝合金焊接中的应用 4
1.3 铝合金的耐蚀性 5
1.3.1 腐蚀类型 5
1.3.2 高强铝合金搅拌摩擦焊接头的腐蚀性能研究进展 6
1.4 激光重熔技术概况 7
1.4.1 简介 7
1.4.2 激光器与铝合金表面的作用机制 8
1.4.3 激光处理三种强化机制 8
1.4.4. 国内外研究现状 9
1.5 本论文的主要研究内容及意义 9
第二章 试验材料、设备与方法 10
2.1 试验材料 11
2.2 试验设备 11
2.3 试验内容 14
2.3.1 高强铝合金的搅拌摩擦焊 14
2.3.2 搅拌摩擦焊焊缝表面激光重熔 15
2.3.3 金相观
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
1.4.4. 国内外研究现状 9
1.5 本论文的主要研究内容及意义 9
第二章 试验材料、设备与方法 10
2.1 试验材料 11
2.2 试验设备 11
2.3 试验内容 14
2.3.1 高强铝合金的搅拌摩擦焊 14
2.3.2 搅拌摩擦焊焊缝表面激光重熔 15
2.3.3 金相观察及扫描电子显微镜 17
2.3.4 焊接接头腐蚀性试验 18
第三章 试验结果以及分析 19
3.1激光重熔对FSW焊缝组织的影响 19
3.1.1激光重熔后焊缝不同位置的表面形貌 19
3.1.2 不同处理方式后的组织形貌比较 21
3.1.3 激光重熔后焊缝的扫描电镜分析 22
3.2 激光重熔对FSW焊缝腐蚀性能的影响 24
结 论 27
致 谢 28
参考文献 29
第一章 绪 论
1.1 课题背景
搅拌摩擦焊是由英国焊接研究所在1991年发明的新型固相连接技术，简写为FSW[1] , 这项技术在最初诞生阶段主要解决铝、镁等低熔点合金的焊接问题，在后来的运用发展过程中，人们逐渐意识到这种新型焊接工艺不仅可以完成材料的多种复杂的接头方式，还可以在很大程度上提高焊接接头的综合性能，并且没有熔焊等传统焊接工艺所带来的焊接缺陷。由于FSW在高强铝合金的焊接中所具有的极大潜力，使得其在铝合金构件加工领域中得到广泛的应用。
典型的2xxx铝合金牌号有2219、2024等，这一系铝合金属于AlCu系合金[2],它们的优点是密度小,强度高并且加工性能好，可以通过热处理方式使其强化变形，同时还拥有优异的耐热性,2xxx系铝合金广泛应用于航空航天工业、国防制造业等领域，但是在2XXX铝合金中存在Fe、Si等杂质，而且这些杂质可以生产一系列脆性较大的的杂质粒子和未溶的CuAl2粒子，造成合金的力学性能以及耐腐蚀性能的能力下降。在2xxx系高强铝合金的实际应用中，经常需要利用搅拌摩擦焊的焊接工艺来焊接例如零件、气缸塞、螺旋桨、飞机机轮轮毂、压缩机的叶轮与配件、火箭的焊接件等。但是，到目前仍不清楚搅拌摩擦焊焊缝在应用环境中的腐蚀失效机制，这在很大程度上阻碍了搅拌摩擦焊在高强铝合金加工领域中的应用[3]。所以，解决该问题的关键之一就是摸索高效的焊缝腐蚀的控制方法，利用激光重熔技术来提高FEW焊缝的耐腐蚀性能具有很大的应用潜力，但是对于FSW焊缝的激光表面重熔后的性能研究还比较少。
铝合金的激光重熔处处理技术在国外已经成熟并且也真正应用在实际生产当中，而在国内的研究却仍处于起步阶段。这项技术是一个通过具有高能量的激光束对铝合金表面进行快速熔化并快速冷却的过程，使试样表层的结构特征、成分分布均发生变化，最终来提高材料的耐腐蚀的能力。根据现有的试验成果，已经知道激光重熔技术可以提高铝合金表层的耐蚀性能[4]。但是这项技术应用于FSW焊缝的研究较少，因此本次研究对于获得提高搅拌摩擦焊焊缝接口的耐蚀性方法具有非常积极的影响。
1.2 搅拌摩擦焊
1.2.1 搅拌摩擦焊原理
搅拌摩擦焊（Friction stir weldingFSW）由英国焊接研究所（The Welding InstituteTWI）发明[1],这是一种在金属材料不熔化的情况下，以其塑性流动的方式实现焊接的固相连接技术，并且不会产生如熔焊过程中出现的电弧、飞溅等有害现象，所以可以说这是一项具有划时代意义的连接技术。
搅拌摩擦焊的操作过程比较简单（如图11所示），它的实质是根据实际要求而应用的搅拌头以高的转动速率在待焊工件表面旋转，以摩擦的方式产生足够的热能使得金属发生塑化，从而另工件的两部分连接在一起。这种方式并不是使金属熔化，而是使表面氧化物破坏而进行分子间接合[5]。焊接之前，为了避免材料因受力而发生相对滑动，用刚性工作台固定住两块待焊材料。由于搅拌针的快速旋转而产生的摩擦热令工件塑化，但并没有达到材料的熔点，因此搅拌针可以继续向待焊方向发生移动，同时利用搅拌针的自转方向与待焊方向相同，使得塑性变形较大的金属随着搅拌针的旋转而向后面快速流动，最后，两件材料在焊接终点处被连接起来。由于搅拌针的快速旋转，会在其所经过的区域生成相应的小孔，所以，这也是一种固相孔连接技术。
图11 搅拌摩擦焊接原理示意图
经测验发现，搅拌摩擦焊可达到的最高温度大概只是铝合金熔点的0.70.9倍[6]，另外，由于材料因摩擦热产生的塑性变形，导致生成了更细的等轴晶粒[3],这种等轴微观组织增强了焊缝的机械性能，所以搅拌摩擦焊技术能够完美实现铝、镁、钛等焊接性能不好的材料的焊接要求。
1.2.2 搅拌摩擦焊的特点以及应用情况
搅拌摩擦焊有以下主要优点：
（1）工件在搅拌摩擦焊过程中变形量以及残余应力小。
（2）母材本身的冶
第一章 绪 论 1
1.1 课题背景 1
1.2 搅拌摩擦焊 2
1.2.1 搅拌摩擦焊原理 2
1.2.2搅拌摩擦焊的特点以及应用情况 3
1.2.3 搅拌摩擦焊在铝合金焊接中的应用 4
1.3 铝合金的耐蚀性 5
1.3.1 腐蚀类型 5
1.3.2 高强铝合金搅拌摩擦焊接头的腐蚀性能研究进展 6
1.4 激光重熔技术概况 7
1.4.1 简介 7
1.4.2 激光器与铝合金表面的作用机制 8
1.4.3 激光处理三种强化机制 8
1.4.4. 国内外研究现状 9
1.5 本论文的主要研究内容及意义 9
第二章 试验材料、设备与方法 10
2.1 试验材料 11
2.2 试验设备 11
2.3 试验内容 14
2.3.1 高强铝合金的搅拌摩擦焊 14
2.3.2 搅拌摩擦焊焊缝表面激光重熔 15
2.3.3 金相观
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
1.4.4. 国内外研究现状 9
1.5 本论文的主要研究内容及意义 9
第二章 试验材料、设备与方法 10
2.1 试验材料 11
2.2 试验设备 11
2.3 试验内容 14
2.3.1 高强铝合金的搅拌摩擦焊 14
2.3.2 搅拌摩擦焊焊缝表面激光重熔 15
2.3.3 金相观察及扫描电子显微镜 17
2.3.4 焊接接头腐蚀性试验 18
第三章 试验结果以及分析 19
3.1激光重熔对FSW焊缝组织的影响 19
3.1.1激光重熔后焊缝不同位置的表面形貌 19
3.1.2 不同处理方式后的组织形貌比较 21
3.1.3 激光重熔后焊缝的扫描电镜分析 22
3.2 激光重熔对FSW焊缝腐蚀性能的影响 24
结 论 27
致 谢 28
参考文献 29
第一章 绪 论
1.1 课题背景
搅拌摩擦焊是由英国焊接研究所在1991年发明的新型固相连接技术，简写为FSW[1] , 这项技术在最初诞生阶段主要解决铝、镁等低熔点合金的焊接问题，在后来的运用发展过程中，人们逐渐意识到这种新型焊接工艺不仅可以完成材料的多种复杂的接头方式，还可以在很大程度上提高焊接接头的综合性能，并且没有熔焊等传统焊接工艺所带来的焊接缺陷。由于FSW在高强铝合金的焊接中所具有的极大潜力，使得其在铝合金构件加工领域中得到广泛的应用。
典型的2xxx铝合金牌号有2219、2024等，这一系铝合金属于AlCu系合金[2],它们的优点是密度小,强度高并且加工性能好，可以通过热处理方式使其强化变形，同时还拥有优异的耐热性,2xxx系铝合金广泛应用于航空航天工业、国防制造业等领域，但是在2XXX铝合金中存在Fe、Si等杂质，而且这些杂质可以生产一系列脆性较大的的杂质粒子和未溶的CuAl2粒子，造成合金的力学性能以及耐腐蚀性能的能力下降。在2xxx系高强铝合金的实际应用中，经常需要利用搅拌摩擦焊的焊接工艺来焊接例如零件、气缸塞、螺旋桨、飞机机轮轮毂、压缩机的叶轮与配件、火箭的焊接件等。但是，到目前仍不清楚搅拌摩擦焊焊缝在应用环境中的腐蚀失效机制，这在很大程度上阻碍了搅拌摩擦焊在高强铝合金加工领域中的应用[3]。所以，解决该问题的关键之一就是摸索高效的焊缝腐蚀的控制方法，利用激光重熔技术来提高FEW焊缝的耐腐蚀性能具有很大的应用潜力，但是对于FSW焊缝的激光表面重熔后的性能研究还比较少。
铝合金的激光重熔处处理技术在国外已经成熟并且也真正应用在实际生产当中，而在国内的研究却仍处于起步阶段。这项技术是一个通过具有高能量的激光束对铝合金表面进行快速熔化并快速冷却的过程，使试样表层的结构特征、成分分布均发生变化，最终来提高材料的耐腐蚀的能力。根据现有的试验成果，已经知道激光重熔技术可以提高铝合金表层的耐蚀性能[4]。但是这项技术应用于FSW焊缝的研究较少，因此本次研究对于获得提高搅拌摩擦焊焊缝接口的耐蚀性方法具有非常积极的影响。
1.2 搅拌摩擦焊
1.2.1 搅拌摩擦焊原理
搅拌摩擦焊（Friction stir weldingFSW）由英国焊接研究所（The Welding InstituteTWI）发明[1],这是一种在金属材料不熔化的情况下，以其塑性流动的方式实现焊接的固相连接技术，并且不会产生如熔焊过程中出现的电弧、飞溅等有害现象，所以可以说这是一项具有划时代意义的连接技术。
搅拌摩擦焊的操作过程比较简单（如图11所示），它的实质是根据实际要求而应用的搅拌头以高的转动速率在待焊工件表面旋转，以摩擦的方式产生足够的热能使得金属发生塑化，从而另工件的两部分连接在一起。这种方式并不是使金属熔化，而是使表面氧化物破坏而进行分子间接合[5]。焊接之前，为了避免材料因受力而发生相对滑动，用刚性工作台固定住两块待焊材料。由于搅拌针的快速旋转而产生的摩擦热令工件塑化，但并没有达到材料的熔点，因此搅拌针可以继续向待焊方向发生移动，同时利用搅拌针的自转方向与待焊方向相同，使得塑性变形较大的金属随着搅拌针的旋转而向后面快速流动，最后，两件材料在焊接终点处被连接起来。由于搅拌针的快速旋转，会在其所经过的区域生成相应的小孔，所以，这也是一种固相孔连接技术。
图11 搅拌摩擦焊接原理示意图
经测验发现，搅拌摩擦焊可达到的最高温度大概只是铝合金熔点的0.70.9倍[6]，另外，由于材料因摩擦热产生的塑性变形，导致生成了更细的等轴晶粒[3],这种等轴微观组织增强了焊缝的机械性能，所以搅拌摩擦焊技术能够完美实现铝、镁、钛等焊接性能不好的材料的焊接要求。
1.2.2 搅拌摩擦焊的特点以及应用情况
搅拌摩擦焊有以下主要优点：
（1）工件在搅拌摩擦焊过程中变形量以及残余应力小。
（2）母材本身的冶
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