攪拌摩擦焊對SA02鋁合金微觀組織及硬度的影響
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王 麗1，謝 非2，張 書1
（1．中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程學(xué)院，廣東中山528404，2．廣東明陽風(fēng)電產(chǎn)業(yè)集團有限公司，廣東中山528400）
摘要：通過對10 mm厚的SA02鋁合金板攪拌摩擦焊焊縫的宏觀組織、微觀組織及顯微硬度的觀察和分析，進一步明確攪拌摩擦焊接過程中的溫度分布和熱循環(huán)對焊縫組織特點及硬度分布的影響規(guī)律，對優(yōu)化焊接工藝，減小焊接中的變形及焊后殘余應(yīng)力，控制焊縫接頭的組織和性能，提高焊接質(zhì)量，具有重要的實用價值。
關(guān)鍵詞：攪拌摩擦焊；鋁合金；微觀組織；硬度
中圖分類號：TC457.14 文章編號：1007 - 7235（2016）03 - 0060 - 05
攪拌摩擦焊（Friction stir welding，F(xiàn)SW）是一種新型固相連接技術(shù)。攪拌摩擦焊的原理如圖1所示。它是利用一種耐高溫硬質(zhì)材料制成一定形狀的攪拌頭，旋轉(zhuǎn)著插入被焊零件，然后沿著被焊零件的焊縫中心線向前移動，通過對材料的攪拌、摩擦，使待焊材料加熱至熱塑性狀態(tài)，在攪拌頭高速旋轉(zhuǎn)并向前移動的過程中，處于塑性狀態(tài)的材料環(huán)繞攪拌頭由前向后流動，形成塑性金屬流，同時結(jié)合攪拌頭對焊縫金屬的擠壓，在熱一機械聯(lián)合作用下材料擴散連接形成致密的金屬間同相連接。
在整個焊接過程中，攪拌針周圍的材料一直處于熱塑性狀態(tài)而沒有熔化。因此，利用攪拌摩擦焊不僅能夠?qū)崿F(xiàn)用常規(guī)熔焊技術(shù)難以焊接的高強鋁合金、銅、鎂、鈦等合金的連接，避免了熔化焊中出現(xiàn)的焊接缺陷，而且其優(yōu)良的焊接性能受到了國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。
1 焊縫接頭宏觀組織分布特點
將被焊工件截取焊縫接頭橫截面進行粗磨、細磨、拋光制成金相試樣，用Keller試劑(鹽酸3 m L，硝酸20 m L，氫氟酸2 m L(48%)，水175 m L)腐蝕50 s后，在XJP-200光學(xué)顯微鏡下觀察焊縫橫截面上的組織形貌。
圖2所示為焊縫接頭橫截面宏觀組織，焊縫接頭分為焊核區(qū)( Weld nugget)、熱力影響區(qū)(Thermal-mechanical affected zone，TMAZ)和熱影響區(qū)(Heat af-fected zone，HAZ)。而組織結(jié)構(gòu)的變化與金屬材料經(jīng)歷的焊接熱循環(huán)關(guān)系密切。整個焊縫呈現(xiàn)“花瓶”狀，底部有一個“鼓形”區(qū)域，這是由于焊縫底部靠近墊板的金屬受攪拌針的攪拌作用不很明顯，只是受到攪拌針端面的摩擦擠壓作用，但由于摩擦溫度升高較慢，溫度相對較低；同時由于受到攪拌針端面的擠壓作用而向外向上流動，但它流動的距離不會太遠，從而呈現(xiàn)“鼓形”。
1.1 焊核區(qū)“洋蔥”圓環(huán)結(jié)構(gòu)的形成
圖3a所示為焊核區(qū)“洋蔥”圓環(huán)(onion ring)宏觀結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)并不對稱的扁平橢圓形“洋蔥”環(huán)狀結(jié)構(gòu)，這些明暗相間的圓環(huán)帶是由于攪拌過程中引起的粒子富集區(qū)和粒子貧乏區(qū)交替出現(xiàn)的結(jié)果，而粒子富集區(qū)在腐蝕后宏觀上顯示為暗區(qū)，而粒子貧乏區(qū)較亮。圖3b和c分別為前進側(cè)和返回側(cè)熱力影響區(qū)，其宏觀結(jié)構(gòu)特征表現(xiàn)為較高的塑性變形流線帶，這是由于攪拌頭的攪拌作用使得焊核區(qū)周圍的母材纖維狀組織產(chǎn)生明顯的塑性變形。
圖3a中左側(cè)為攪拌頭前進側(cè)，右側(cè)為返回側(cè)，且右高左低。顯然，返回側(cè)與前進側(cè)相對于焊核的( weld nugget)中心并不對稱。返回側(cè)焊核區(qū)與熱力影響區(qū)有很明顯的分界線，且返回側(cè)洋蔥環(huán)狀結(jié)構(gòu)較明顯，同心環(huán)數(shù)目也比前進側(cè)的多，這與FSW塑性金屬流場關(guān)于焊縫中心并不對稱，焊縫金屬在前進側(cè)和返回側(cè)流動模式并不相同是相吻合的，也說明了在厚度方向上塑性金屬流動情況是不相同的，而造成流動不對稱的原因是前進側(cè)與返回側(cè)的溫度場關(guān)于焊縫中心并不對稱，即返回側(cè)溫度高于前進側(cè)溫度，這是因為塑性材料在攪拌頭的旋
轉(zhuǎn)、擠壓作用下從前進側(cè)流動到返回側(cè)，同時也將前進側(cè)一部分熱量隨著塑性金屬轉(zhuǎn)移到返回側(cè)，從而使得返回側(cè)的溫度稍高于前進側(cè)的。由于返回側(cè)溫度高，塑性金屬軟化程度高，其流動性能比前進側(cè)好，因此返回側(cè)的“洋蔥環(huán)”結(jié)構(gòu)要比前進側(cè)的明顯，且同心環(huán)數(shù)目也較多。與此同時，由于前進側(cè)攪拌針端部區(qū)域附近熱量不足，所以前進側(cè)的底部熱影響區(qū)容易出現(xiàn)隧道形缺陷。
“洋蔥”圓環(huán)環(huán)間距從焊核中心向兩側(cè)逐漸減小，這是因為靠近攪拌針部位的金屬溫度高，軟化程度高，軟化層相對厚；相反，距離攪拌針越遠的部位的軟化層溫度低，軟化程度低，層間距相對小。在溫度場、應(yīng)力場及攪拌的作用下，攪拌頭橫截面厚度方向上塑性金屬的流動并不一致，由于攪拌頭軸肩壓力及摩擦作用，在攪拌針中心靠近軸肩部位的軟化層材料受到的摩擦熱大于攪拌針下部所受到的摩擦熱，同時受到軸肩的壓力影響較大，呈現(xiàn)層與層不規(guī)則的混合，故無明顯的“洋蔥”環(huán)出現(xiàn)。圖3所示的洋蔥環(huán)不對稱結(jié)構(gòu)同時說明攪拌針后方半徑兩側(cè)的塑性材料不是沿同一個方向流動的，而是大體以攪拌針為中心偏向前進側(cè)向兩個相反的方向流動。
1.2焊縫區(qū)微觀組織特點及形成
圖4為焊縫接頭各區(qū)組織放大圖。圖4a是母材的微觀組織，呈明顯方向性的板條狀組織，這是由于軋制過程中的變形引起的。晶粒的長度可達到幾百微米，厚度約20 μm～50μm。由圖4a可以看出焊核區(qū)( Weld Nugget)組織為非常均勻細小的等軸再結(jié)晶，晶粒大小約2 μm～5μm，這是因為FSW攪拌頭高速旋轉(zhuǎn)并以一定的速度向前移動，使得被焊工件經(jīng)歷了較高溫度的熱循環(huán)，由測溫數(shù)據(jù)可知焊核區(qū)達到了再結(jié)晶溫度（0.6Tm），且加熱速度快，并伴隨有強烈的攪拌作用，在熱與力的共同作用下，焊核區(qū)金屬發(fā)生強烈的塑性變形和流動，相互攪拌和混合，相互擴散和滲透，在高溫和大變形程度、大變形速度條件下，發(fā)生再結(jié)晶的晶粒來不及長大就在攪拌針的作用下發(fā)生破碎，形成等軸、細小的晶粒；同時，由于變形晶粒中的位錯密度急劇增大，并形成許多作為再結(jié)晶核心的胞狀亞結(jié)構(gòu)，進而通過這些再結(jié)晶晶核直接形成新的再結(jié)晶晶粒。在熱輸入量適當(dāng)時，熱力影響區(qū)( TMAZ)的組織在焊接過程中同時經(jīng)受攪拌針的機械攪拌和焊接熱循環(huán)的雙重作用，但是由于在位置上，接近焊核區(qū)的小部分區(qū)域在攪拌頭的劇烈攪拌作用引起的塑態(tài)鋁的粘附作用下，發(fā)生了局部破碎和粘附長大現(xiàn)象，而其他區(qū)域由于距離攪拌針較遠，受到攪拌針作用遠小于焊核區(qū)組織，且金屬黏度較低，易于流動、成形，所以攪拌針在高速旋轉(zhuǎn)時該區(qū)易出現(xiàn)被拉長或彎曲變形的組織，因此，局部區(qū)域在熱循環(huán)的作用下發(fā)生回復(fù)反應(yīng)，在板條狀組織內(nèi)形成了回復(fù)晶粒組織。并且在彎曲拉長的晶粒內(nèi)部開始有新的晶粒形成，且越靠近焊核區(qū)越明顯。這表明，熱力影響區(qū)經(jīng)歷了回復(fù)和部分再結(jié)晶過程，然而其再結(jié)晶晶粒較焊核區(qū)的大，如圖4c所示。
熱力影響區(qū)以外為熱影響區(qū)( HAZ)，熱影Ⅱ向區(qū)晶粒為典型的受熱長大組織，如圖4d所示，該區(qū)主要是受熱影響，受機械作用很小，所以畸變能很低。由于鋁及其合金的層錯能高，變形時擴展位錯的寬度窄，位錯交滑移和攀移容易進行，而使異號位錯相互抵消，位錯密度下降，畸變能易降低。所以此處不會發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，而是發(fā)生動態(tài)回復(fù)，所以在焊縫緩慢冷卻的過程中組織仍會沿變形方向長大，而其亞晶粒仍保持等軸狀。
2 焊縫接頭硬度分布特點
接頭的微觀組織決定接頭的力學(xué)性能，而接頭各區(qū)在組織上的差異又會在硬度上反映出來。圖5a~c分別為距離焊縫上表面不同深度即2 mm、5mm、8 mm處的維氏硬度分布，其中左側(cè)為攪拌摩擦焊焊縫的前進側(cè)，右側(cè)為攪拌摩擦焊焊縫的返回側(cè)。
Yutaka S．Sato等根據(jù)Hall-Petch公式，金屬材料的屈服強度（Rp0.2）與晶粒尺寸有關(guān)，即
屈服強度隨晶粒尺寸的減小而增加。沒有機械硬化時，材料的硬度( HV)與屈服強度成正比
所以，沒有機械硬化時，材料的硬度公式可以表示為
圖5分別為距焊接表面不同深度處接頭的顯微硬度分布。從圖中可以看出，同一焊縫的不同部位的微觀硬度值有所不同。實際上，F(xiàn)SW接頭的這種非均勻性是焊縫不同部位所受的熱力學(xué)行為不同引起的，根據(jù)前面試驗中對宏觀組織和微觀組織的觀察及分析，由于焊縫頂部同時受到攪拌針和軸肩的摩擦、攪拌作用，焊核區(qū)晶粒非常均勻細小，所以硬度較高且分布近似為均值，符合硬度公式(3)；而在熱力影響區(qū)，焊接熱循環(huán)及應(yīng)力應(yīng)變導(dǎo)致其組織晶粒大小極不均勻，從而導(dǎo)致硬度值下降；而熱影響區(qū)的晶粒為受熱長大組織，硬度逐步降低，所以形成由焊縫中心向兩側(cè)，硬度值逐漸減小的分布（如圖5a所示）。然而在焊縫的中部和下部，金屬只受到攪拌針圓周面的摩擦剪切作用，所以其熱量的輸入較上部要小，同時由于焊核區(qū)“洋蔥”圓環(huán)的形成，產(chǎn)生粒子的富集區(qū)和貧乏區(qū)，其組織呈帶狀（如圖3a所示），從而使焊核區(qū)整體硬度偏低，而硬度的最高值出現(xiàn)在熱力影響區(qū)，這是因為攪拌頭在旋轉(zhuǎn)時，最快的線速度出現(xiàn)在軸肩或攪拌針圓周的邊緣處，所以在熱力影響區(qū)和熱影響區(qū)，由于溫度和應(yīng)力應(yīng)變的共同作用，一方面材料發(fā)生的軟化程度超過了硬化程度，焊縫金屬經(jīng)歷了動態(tài)回復(fù)或動態(tài)再結(jié)晶，根據(jù)晶粒尺寸與硬度的關(guān)系(見公式(3))，動態(tài)回復(fù)或動態(tài)再結(jié)晶使晶粒得到細化，從而有助于提高焊縫的硬度值；另一方面由于熱和力的作用可能使彌散分布的細小強化相發(fā)生了叢聚，使硬度升高，如圖5b和圖5c所示。
總體而言，焊縫區(qū)的硬度較母材的硬度有很大提高，這意味著接頭在攪拌摩擦焊接過程中得到了強化。
3 結(jié)論
對SA02鋁合金攪拌摩擦焊后焊縫接頭的宏觀組織、微觀組織特點及硬度分布進行分析，得出如下結(jié)論：
1)整個焊縫接頭橫截面的組織分布呈現(xiàn)“花瓶”狀，底部出現(xiàn)“鼓”形區(qū)域，這與材料的流動狀況有關(guān)，但這對焊縫的溫度分布不會產(chǎn)生顯著的影響。
2)焊核區(qū)呈現(xiàn)不對稱的扁平橢圓形“洋蔥”圓環(huán)( onion ring)狀結(jié)構(gòu)，返回側(cè)與前進側(cè)相對于焊核中心并不對稱，返回側(cè)洋蔥環(huán)狀結(jié)構(gòu)較明顯，且同心環(huán)的數(shù)目比前進側(cè)同心環(huán)多；“洋蔥”圓環(huán)環(huán)間距從焊核中心向兩側(cè)逐漸減小。
3)焊核區(qū)( Weld nugget)組織為均勻細小的等軸再結(jié)晶晶粒，熱力影響區(qū)( TMAZ)為拉長晶粒和等軸再結(jié)晶晶粒的混合，熱影響區(qū)( HAZ)為典型受熱長大組織。
4)焊接接頭不同部位的硬度分布有所不同，在焊縫頂部，焊核區(qū)的硬度較高，從中心向兩側(cè)逐漸降低。焊縫中部和底部，焊核區(qū)的硬度較低，然后從中心向兩側(cè)硬度值先增加后降低，最后達到母材的硬度水平。
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