6082鋁合金攪拌摩擦焊焊接過程中晶粒取向演化

張亮亮，王希靖,2，劉 驍

(1 蘭州理工大學(xué) 省部共建有色金屬先進(jìn)加工與 再利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730050; 2 蘭州理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，蘭州 730050)

6082-T6鋁合金屬于可熱處理強(qiáng)化的Al-Mg-Si系合金，主要強(qiáng)化相為Mg2Si，具有焊接性、耐腐蝕性良好等優(yōu)點(diǎn)，可作為一種輕質(zhì)新型材料來代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼鐵材料在交通運(yùn)輸及結(jié)構(gòu)工程工業(yè)中的應(yīng)用[1]。采用傳統(tǒng)熔焊工藝焊接鋁合金時(shí)，容易產(chǎn)生氣孔、熱裂紋等缺陷，限制了鋁合金在工業(yè)中的應(yīng)用；攪拌摩擦焊 (FSW) 作為一種新型固相連接方法，有焊接變形小、殘余應(yīng)力小、無焊接熱裂紋等優(yōu)點(diǎn)[2]，因此采用FSW焊接鋁合金，可獲得優(yōu)質(zhì)的焊接接頭[3]；王文等[4]采用水下攪拌摩擦焊對7A04鋁合金進(jìn)行水下焊接，郝亞鑫等[5]對焊接接頭進(jìn)行熱處理，經(jīng)熱處理后的焊接接頭強(qiáng)度高達(dá)母材的96.1%。在FSW焊接過程中，材料受到擠壓、鍛造以及摩擦熱的作用，焊核區(qū)晶粒取向發(fā)生復(fù)雜的變化，嚴(yán)重影響焊接接頭的性能[6]，故深入研究FSW焊接過程中晶粒取向演化，對進(jìn)一步了解焊接過程中金屬塑性流動(dòng)及預(yù)測焊接接頭性能具有重要的意義[7-8]。 有學(xué)者不僅深入研究FSW焊接接頭的性能[9]，還分析了焊接過程中金屬的塑性流動(dòng)，其研究結(jié)果表明[10]，F(xiàn)SW焊接過程中晶粒取向的演化可分為攪拌針前方的塑性變形和焊后的靜態(tài)熱處理兩個(gè)過程，在塑性變形過程中，晶粒內(nèi)部聚積了大量的應(yīng)變，使母材晶粒細(xì)化；而在隨后的靜態(tài)熱處理過程中，細(xì)化的晶粒發(fā)生了連續(xù)或非連續(xù)動(dòng)態(tài)回復(fù)再結(jié)晶，晶粒有擇優(yōu)生長趨勢，產(chǎn)生織構(gòu)。Suhuddin等[11]發(fā)現(xiàn)軸肩對焊核區(qū)上表面晶粒的取向有著顯著的影響，但其只分析了焊核區(qū)最終存在的織構(gòu)，并沒有揭示在焊接過程中織構(gòu)的演化規(guī)律。

本工作以6082-T6鋁合金FSW為研究對象，應(yīng)用瞬間急停-迅速冷卻技術(shù)[12]，凍結(jié)焊接過程中焊核區(qū)上表面出現(xiàn)的晶粒取向；采用電子背散射衍射(EBSD)技術(shù)，研究焊接過程中晶粒形貌、晶粒尺寸、織構(gòu)組分以及晶界取向差的演化。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)材料選用厚度為2mm的6082-T6鋁合金，焊接板尺寸為100mm×50mm×2mm，成分如表 1所示。

表1 6082 鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Chemical compositions of the 6082 aluminum alloy (mass fraction/%)

使用柱狀攪拌頭將鋁合金板沿軋向進(jìn)行對接，軸肩直徑 10mm，攪拌針直徑2mm，針長 1.8mm, 焊接速率80mm/min，旋轉(zhuǎn)速率 1200r/min，攪拌頭傾角3°，下壓量0.1mm。當(dāng)攪拌頭行走80mm時(shí)，立即按下急停按鈕，啟動(dòng)急停系統(tǒng)，同時(shí)采用冰水混合物凍結(jié)其動(dòng)態(tài)組織。急停后，主軸的驅(qū)動(dòng)力將會(huì)完全被移除，但由于慣性，主軸仍在旋轉(zhuǎn)，此慣性旋轉(zhuǎn)階段為過渡期，即攪拌頭停留在焊縫終點(diǎn)的旋轉(zhuǎn)期。Prangnell等[12]研究表明，軸肩與被焊工件表面的摩擦阻力使得主軸在0.1s內(nèi)停止，當(dāng)旋轉(zhuǎn)速率為1200r/min時(shí)，相當(dāng)于主軸旋轉(zhuǎn)2圈，故在這個(gè)0.1s的過渡期，軸肩對其晶粒取向的影響不大。因此，采用瞬間急停冷卻技術(shù)，能保留焊接過程中的動(dòng)態(tài)組織。在焊接過程中，軸肩及攪拌針的旋轉(zhuǎn)，匙孔周圍的焊核區(qū)晶粒，經(jīng)歷了大的塑性變形及動(dòng)態(tài)回復(fù)再結(jié)晶，晶粒被細(xì)化；而遠(yuǎn)離匙孔的晶粒，不僅僅被細(xì)化，還經(jīng)歷了更多的熱循環(huán)，晶粒有所長大，同時(shí)，晶粒之間的應(yīng)力也得到了釋放，進(jìn)一步影響晶粒的取向。為此本工作重點(diǎn)研究鄰近匙孔焊核區(qū)(區(qū)域1)，以及距匙孔40mm 處焊核區(qū)(區(qū)域2)上表面的晶粒取向，以探討在FSW過程中晶粒取向的演化。

母材及焊核區(qū)采用線切割截取EBSD試樣，取樣位置如圖1所示，試樣上表面經(jīng)砂紙粗磨、機(jī)械拋光后，在10%高氯酸無水乙醇溶液中進(jìn)行電解拋光，拋光電壓為20V，拋光液溫度為-20℃，拋光時(shí)間為40s。采用帶有 EBSD 探頭(AztecX-Max80)和 Channel 5 取向分析系統(tǒng)的場發(fā)射掃描電子顯微鏡(Quanta 450 FEG)進(jìn)行EBSD實(shí)驗(yàn)，測試電壓 20kV。分析過程中，參考坐標(biāo)系如圖1所示，焊接方向(WD)，橫向(TD)和法向(ND)，織構(gòu)以(hkl)[uvw]形式表達(dá)，其中(hkl)為垂直于ND方向的晶面，[uvw]為平行于WD方向的晶向。

圖1 焊接過程中焊接方向和軸肩旋轉(zhuǎn)方向以及EBSD試樣取樣位置示意圖Fig.1 Schematic diagram showing welding direction,shoulder rotation direction and the sample position for the EBSD map

2 結(jié)果與分析

2.1 晶粒形貌分析

圖2(a)～(c)分別為母材、區(qū)域1、區(qū)域2的晶粒形貌及晶界分型圖，定義取向差為2°～15°的晶界為小角度晶界，大于15°則為大角度晶界，EBSD圖中用紅色線表示小角度晶界，黑色線表示大角度晶界，按等效直徑法計(jì)算平均晶粒尺寸，母材的平均晶粒尺寸為25μm，其晶粒間的取向差接近于自由取向差(如圖3所示)，晶粒沒有明顯的擇優(yōu)取向；圖2(b)顯示焊核中心(區(qū)域1)晶體形貌，可以看出細(xì)小的等軸晶粒均勻地分布于焊核區(qū)，其平均晶粒尺寸為5μm，這是由于在焊接過程中，由軸肩及攪拌針?biāo)氲募羟袘?yīng)力，首先使母材晶粒發(fā)生塑性變形，然后經(jīng)歷動(dòng)態(tài)回復(fù)再結(jié)晶所致[10,13-15]；圖2(c)顯示焊核中心(區(qū)域2)晶體形貌, 與區(qū)域1相比，區(qū)域2經(jīng)歷了更多的熱循環(huán)，晶粒有一定的長大趨勢，平均晶粒尺寸為6μm。

2.2 晶界特征分析

圖3給出了測試區(qū)的晶粒取向差分布，由圖3 可知，區(qū)域2小角度晶界組分明顯高于區(qū)域1，而大角度晶界組分略低，區(qū)域1中小角度晶界組分為40.58%，大角度晶界組分為59.42%；區(qū)域2中小角度晶界組分為50.47%，大角度晶界組分為49.53%。

區(qū)域1、區(qū)域2均位于焊縫上表面軸肩影響區(qū)，軸肩對其晶粒取向的影響較大，區(qū)域1經(jīng)歷了塑性變形，使得小角度晶界的組分增加，但在隨后的動(dòng)態(tài)回復(fù)再結(jié)晶過程中，通過形核生成新的晶粒，形成大角度晶界，最終導(dǎo)致小角度晶界的組分減少，從小角度晶界向大角度晶界的轉(zhuǎn)變過程，也是焊接過程中焊核區(qū)細(xì)化晶粒的過程。區(qū)域2 中的晶粒不僅經(jīng)歷了塑性變形以及動(dòng)態(tài)回復(fù)再結(jié)晶，而且還經(jīng)歷了軸肩所引入的剪切應(yīng)力，使細(xì)化晶粒再次變形，從而使其小角度晶界的組分明顯高于區(qū)域1。

2.3 織構(gòu)分析

采用Channel 5 軟件進(jìn)行織構(gòu)分析，表2 是通過此軟件計(jì)算得出的區(qū)域1、區(qū)域2中織構(gòu)組分，同時(shí)計(jì)算出各種織構(gòu)在焊核區(qū)所占的體積分?jǐn)?shù)，圖4為不同織構(gòu)在焊核區(qū)中的分布，其顏色與表2中的色型相對應(yīng)，不同的顏色代表不同的織構(gòu)，即不同的歐拉角或取向。

表2 焊縫上表面不同區(qū)域織構(gòu)及含量Table 2 Texture in different areas of weld upper surface and corresponding content

圖4 不同織構(gòu)的晶粒分布 (a)區(qū)域1；(b)區(qū)域2Fig.4 Grain distributions of different textures (a)region 1;(b)region 2

圖5 焊接過程中形成的湯普森四面體示意圖Fig.5 Schematic illustration showing the formation of Thompson tetrahedrons during the welding process

3 結(jié)論