5083-H321鋁合金板材攪拌摩擦焊縫焊核區(qū)組織特征*

劉 洪，袁鴿成，黃澤濤，梁春朗，吳 亞，吳紅輝

廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院，廣東 廣州 510006

5083-H321鋁合金板材攪拌摩擦焊縫焊核區(qū)組織特征*

劉 洪，袁鴿成，黃澤濤，梁春朗，吳 亞，吳紅輝

廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院，廣東 廣州 510006

采用攪拌摩擦焊接法對(duì)5083-H321鋁合金板材進(jìn)行焊接，借助光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡、背散射電子衍射分析儀、顯微硬度儀及取向顯微成像分析技術(shù)，對(duì)焊核區(qū)及母材的組織與性能進(jìn)行了對(duì)比性研究．結(jié)果表明:該合金板材的焊縫無(wú)宏觀缺陷；攪拌摩擦焊使該合金板材中大量的小角度晶界轉(zhuǎn)化為大角度晶界，母材和焊核區(qū)的晶粒尺寸分布范圍分別為6～55 μm和15～30 μm，晶?？v橫比分布范圍分別為2～8和1.5～3，焊核區(qū)組織呈現(xiàn)均勻化及等軸化的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶特征；焊縫表面硬度沿焊縫寬度方向分布不均勻，焊核區(qū)硬度略高，平均硬度接近母材硬度．

5083鋁合金；攪拌摩擦焊；組織特征

攪拌摩擦焊（FSW）是一種新型固相連接技術(shù)，焊縫成形性好，無(wú)傳統(tǒng)焊接過(guò)程中產(chǎn)生的裂紋及氣孔等缺陷，尤其適用于常規(guī)焊接法難以焊接的鋁合金等金屬材料，在航空、航天、船舶、汽車(chē)等制造業(yè)中有廣闊的應(yīng)用前景[1-2]．但是，在FSW過(guò)程中因材料受到擠壓、鍛造及剪切等復(fù)雜變形力作用，并且受強(qiáng)烈的摩擦熱和變形熱的影響[3-4]，使焊縫組織的變化過(guò)程較為復(fù)雜，雖然有關(guān)FSW鋁合金材料組織與性能的研究報(bào)道不少，但大多數(shù)研究集中在工藝參數(shù)對(duì)組織與性能的影響方面，而對(duì)FSW動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過(guò)程中晶粒與晶界的變化特征少見(jiàn)報(bào)道[5-8]．本文選取FSW較少涉及的5083-H321鋁合金板材作為研究對(duì)象，對(duì)比性地研究焊縫各區(qū)及母材的微觀組織特征，著重分析焊核區(qū)的晶粒演變行為，為了解或預(yù)測(cè)攪拌摩擦焊焊縫的微觀組織提供依據(jù)．

1 試驗(yàn)部分

試驗(yàn)板材為5083-H321鋁合金板材，其尺寸為250 mm×80 mm×4 mm．首先在小型機(jī)床上沿垂直于板材軋制方向?qū)Π宀倪M(jìn)行FSW焊接，焊接速度設(shè)定為80 mm/min，攪拌轉(zhuǎn)速為1000 r/min，其中攪拌頭軸肩直徑為22 mm，攪拌針長(zhǎng)3.4 mm、直徑約為7 mm．然后切取焊縫橫截面試樣若干，經(jīng)磨光及機(jī)械拋光后，分別使用堿性與酸性試劑侵蝕．經(jīng)處理后的試樣，用數(shù)碼相機(jī)拍攝其橫截面低倍形貌，再利用LeicaDMI-5000M光學(xué)顯微鏡觀察各區(qū)微觀組織；用掃描電鏡背散射電子衍射分析儀(EBSD)分析焊核與母材晶粒形狀、尺寸及界面取向差分布圖，其中取向差處于3～10°時(shí)為小角度晶界，超過(guò)10°時(shí)則為大角度晶界；用HVS-5硬度儀測(cè)定試樣表面的顯微硬度，以及分析硬度橫向分布特征．

2 結(jié)果與分析

2.1 焊縫組織分布特征

圖1為FSW焊縫橫截面侵蝕后低倍形貌圖．從圖1可見(jiàn)，焊縫無(wú)宏觀焊接缺陷．焊縫包含焊核區(qū)(NZ)、熱力影響區(qū)(TMAZ)和熱影響區(qū)(HAZ)三個(gè)典型區(qū)域，BM為母材區(qū)，NZ區(qū)與TMAZ區(qū)的金屬塑性變形及流動(dòng)跡象較明顯，其中前進(jìn)側(cè)(AS)兩區(qū)界限比后退側(cè)(RS)的明顯，NZ區(qū)位于焊縫中間部位，呈現(xiàn)洋蔥環(huán)形貌，寬度略大于攪拌針直徑，且在前進(jìn)側(cè)左上方產(chǎn)生了材料體向上翻轉(zhuǎn)流動(dòng)行為，形成了洋蔥環(huán)尖特征．

圖1 5083-H321鋁合金焊縫橫截面形貌Fig.1 Cross sectional morphology of 5083-H321 aluminum alloy by friction stir welding

2.2 焊縫各區(qū)的微觀組織演變

焊縫區(qū)材料所受的變形力，主要來(lái)自于攪拌針對(duì)材料的旋轉(zhuǎn)攪拌作用以及軸肩的下壓力作用，熱量主要來(lái)自于攪拌工具與工件的摩擦熱及材料變形產(chǎn)生的變形熱，熱與變形力的共同作用使焊縫區(qū)組織產(chǎn)生變化．圖2為母材與焊縫各區(qū)高倍組織形貌圖．從圖2可見(jiàn)，焊縫各區(qū)晶粒特征明顯不同．這是由于焊縫各區(qū)的熱與力分布不均勻，導(dǎo)致各區(qū)組織呈現(xiàn)不同的晶粒形貌．其中母材的晶粒沿軋制方向呈板條狀（圖2（a）），熱作用及變形力對(duì)其組織沒(méi)有影響；焊核區(qū)晶粒為細(xì)小等軸晶（圖2（b）），組織變化較大，此區(qū)受攪拌針的直接旋轉(zhuǎn)攪拌作用，變形力及熱作用對(duì)其組織影響大；圖2（c）為熱力影響區(qū)組織形貌，該區(qū)晶粒較焊核區(qū)的粗大，具有明顯的流動(dòng)特征；熱影響區(qū)晶粒具有粗化現(xiàn)象（圖2（d）），由于與攪拌區(qū)距離遠(yuǎn)，變形力的作用不足以使晶粒產(chǎn)生塑性變形，但在焊接熱擴(kuò)散的作用下，發(fā)生了晶粒長(zhǎng)大的現(xiàn)象．

圖2 母材與焊縫各區(qū)金相組織(a)母材；(b)焊核區(qū)；(c)熱力影響區(qū)；(d)熱影響區(qū)Fig.2 Metallographic structure of base metal and welding(a)base metal；(b)nugget zone；(c)thermal-mechanical affected zone；(d)heat affected zone

2.3 焊核區(qū)的晶粒與晶界演變

焊核區(qū)是整個(gè)焊縫區(qū)域中組織變化最大的區(qū)域，利用取向顯微成像技術(shù)(OIM)對(duì)試樣的EBSD測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析（圖3）．圖3(a)和圖3(b)分別為母材和焊核區(qū)的EBSD圖像，該區(qū)的晶粒大小及形狀產(chǎn)生了明顯的變化，晶粒尺寸分布（圖4）及晶?？v橫比分布（圖5）也更清楚地顯示出了晶粒的這種變化特征．通過(guò)圖4發(fā)現(xiàn)，母材的晶粒尺寸分布范圍較寬，且多數(shù)處于6～55 μm之間，焊核區(qū)晶粒尺寸分布相對(duì)集中，多數(shù)晶粒尺寸分布范圍為15～30 μm．表明，攪拌摩擦焊能使晶粒得到明顯地細(xì)化、均勻化．同時(shí)，通過(guò)圖5發(fā)現(xiàn)，母材中大多數(shù)晶?？v橫比大于2，且分布范圍寬，而焊核區(qū)的晶?？v橫比分布范圍窄，大多處于1.5～3范圍內(nèi)，說(shuō)明焊核區(qū)晶粒較母材產(chǎn)生了明顯地等軸化．

圖3 EBSD圖像(a)母材；(b)焊核Fig.3 EBSD maps(a)base metal；(b)nugget zone

圖4 母材與焊核區(qū)晶粒尺寸分布Fig.4 Grain size distribution of base

圖5 母材與焊核區(qū)晶粒縱橫比分布Fig.5 Grain aspect ratio distribution of

晶粒取向差分布反映了晶界特性的變化規(guī)律，圖6為晶粒取向差分布圖．從圖6可見(jiàn):母材與焊核區(qū)大角度晶界分別占35%和64%，說(shuō)明在攪拌摩擦焊作用下，母材小角度晶界轉(zhuǎn)化成了大角度晶界；在10°～50°范圍內(nèi)，焊核區(qū)大角度晶界所占比例高于母材，而當(dāng)取向差小于10°時(shí)，焊核區(qū)小角度晶界低于母材，說(shuō)明了在攪拌摩擦焊接過(guò)程中晶粒發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，使小角度晶界轉(zhuǎn)變成了大角度晶界，從而導(dǎo)致晶粒被細(xì)化；而當(dāng)取向差大于50°時(shí)，無(wú)論是母材還是焊核區(qū)大角度晶界比例并未發(fā)生明顯變化，說(shuō)明高角度晶界并未發(fā)生明顯轉(zhuǎn)動(dòng)．

圖6 母材與焊核區(qū)晶粒取向差分布Fig.6 Grain orientation distribution of base metal and nugget zone

2.4 焊縫硬度分布特征

圖7為5083-H321鋁合金FSW焊縫表面硬度沿焊縫橫向分布圖．從圖7可見(jiàn)，母材硬度約為98 MPa，經(jīng)過(guò)攪拌摩擦焊后，焊縫各區(qū)硬度出現(xiàn)了較小波動(dòng)，波動(dòng)范圍約為9 MPa，焊縫平均硬度約為94 MPa，接近母材的硬度，其中在攪拌針作用區(qū)和前進(jìn)側(cè)洋蔥環(huán)尖部位出現(xiàn)了最高硬度，這是由于這些區(qū)域?qū)儆诤负藚^(qū)，在焊接過(guò)程中晶粒發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶且生成了細(xì)小的等軸晶．

圖7 5083-H321鋁合金攪拌摩擦焊縫硬度橫向分布Fig.7 The horizontal distribution of the FSW weld hardness in 5083-H321 aluminum alloy

據(jù)霍爾-佩奇公式:σs=σo+Kd-1/2（d為晶粒直徑），可以推測(cè)出細(xì)小的晶粒能使焊核區(qū)的強(qiáng)度增加．一般來(lái)說(shuō)，強(qiáng)化后硬度亦應(yīng)升高，但由于在焊接熱變形過(guò)程中發(fā)生的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶降低了晶粒內(nèi)位錯(cuò)密度，使位錯(cuò)強(qiáng)化作用降低．綜合兩因素，最終致使焊核區(qū)的硬度與母材的硬度相當(dāng)．其它區(qū)晶粒尺寸較大，軟化占主要地位，因而硬度明顯低于母材，但整個(gè)焊縫的平均硬度仍接近母材．

3 結(jié)論

(1)5083-H321鋁合金板材經(jīng)攪拌摩擦焊接后，獲得了無(wú)缺陷的焊縫．焊縫成形區(qū)的組織呈現(xiàn)出與母材明顯不同的特征，焊核區(qū)顯現(xiàn)攪拌摩擦焊接所特有的洋蔥環(huán)形貌．

(2)攪拌摩擦焊使5083-H321鋁合金板材中大量的小角度晶界轉(zhuǎn)化為大角度晶界，母材和焊核區(qū)的晶粒尺寸分布范圍分別為6～55 μm和15～30 μm，晶粒縱橫比分布范圍分別為2～8和1.5～3，焊核區(qū)呈現(xiàn)明顯均勻化與等軸化的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶組織．

(3)焊縫表面硬度沿焊縫寬度方向分布不均勻，由于動(dòng)態(tài)再結(jié)晶及晶粒等軸化細(xì)化，焊核區(qū)硬度略高，但平均硬度接近母材硬度，約為94 MPa，這種硬度分布特征與焊縫區(qū)微觀組織分布不均相關(guān)．

[1]曹麗杰．鋁合金攪拌摩擦焊接技術(shù)的研究進(jìn)展[J]．電子工藝技術(shù)，2009，30:99-103．

[2]曾平．?dāng)嚢枘Σ梁冈诖娩X合金結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用[J]．船海工程，2010，39:55-57．

[3]MCNELLEY T R，SWAMINATHAN S．Recrystallization mechanisms during friction stir welding/processing of aluminum alloys[J]．Scripta Materialia，2008，58:349-354．

[4]SCHMIDT H B．Thermal modelling of friction stir welding[J]．Scripta Materialia，2008，58:332-337．

[5]ARORA K S，PANDEY S，SCHAPER M．Microstructure evolution during friction stir welding of aluminum alloy A2219[J]．Journal of Materials Science and Technology，2010，26:747-753．

[6]束彪，國(guó)旭明，張春旭．2195鋁鋰合金攪拌摩擦焊接頭組織及性能[J]．航空材料學(xué)報(bào)，2010，30（4）:13-15．

[7]傅志紅，賀地求．7A52鋁合金攪拌摩擦焊焊縫的組織分析[J]．焊接學(xué)報(bào)，2006，27:65-68．

[8]SUTTON M A，YANG B．Microstructural studies of friction stir welds in 2024-T3 aluminum[J]．Materials Science and EngineeringA，2002，323:160-166．

The microstructural characteristics of nugget zone in 5083-H321 aluminum alloy plates by friction stir welding

LIU Hong，YUAN Gecheng，HUANG Zetao，LIANG Chunlang，WU Ya，WU Honghui
Faculty of Materials and Energy，Guangdong University of Technology，Guangzhou510006，China

The 5083-H321 aluminum alloy plate was jointed by friction stir welding.The comparative studies on the microstructure and hardness of both nugget zone and base metal were investigated using optical microscopy,scanning electron microscopy,electron back scattered diffraction and orientation imaging microscopy,and micro-hardness tester.The results showed that there were no macroscopic defects in the weld.A large number of low-angle grain boundaries were transformed into high-angle grain boundaries in the nugget zone by the technique of friction stir welding.The grain size of base metal and nugget zone was 6-55μm and 15-30μm,respectively,and the shape aspect ratio was 2-8 and 1.5-3,respectively.The grains in nugget zone showed homogeneous and equiaxed morphology with characteristic of dynamic recrystallization.The transverse hardness distribution of welded joint surface is not homogeneous.The hardness of nugget zone is slightly higher than others and the average hardness is close to that of base metal.

5083 aluminum alloy；friction stir welding；microstructural characteristic

TG457.14

A

1673-9981(2012)02-0114-05

2012-02-22

廣東省重大科技專(zhuān)項(xiàng)（2008A090300004）；廣東省教育廳211工程學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目

劉洪（1986-），男，湖南常德人，碩士研究生.