攪拌摩擦焊對接面附近材料流變行為研究

楊誠樂 陳高強(qiáng) 劉瞿 史清宇

摘要： 攪拌摩擦焊（FSW）過程中的對接面附近工件材料流動變形行為與許多缺陷的形成密切相關(guān)。通過開展攪拌摩擦焊試驗(yàn)，研究對接面附近材料在FSW過程中的流動與變形行為。針對AA2024T3鋁合金進(jìn)行研究，通過采用預(yù)制氧化膜為標(biāo)示材料的方法進(jìn)行標(biāo)示，并采用不同的焊接參數(shù)進(jìn)行FSW試驗(yàn)。結(jié)果表明，預(yù)制氧化膜在焊接過程中完全破碎，在焊縫中以氧化鋁顆粒的形式呈有規(guī)律的“S線”分布，并且隨著攪拌頭轉(zhuǎn)速的上升，宏觀上“S線”分布寬度降低，局部上氧化鋁顆粒尺寸越大，分布越緊密。標(biāo)示材料在接頭中的沉積特征體現(xiàn)出，在較低的攪拌頭轉(zhuǎn)速下，對接面附近工件材料在FSW過程中經(jīng)歷了劇烈的應(yīng)變，而隨著攪拌頭轉(zhuǎn)速的提高，總應(yīng)變量反而減小。

關(guān)鍵詞： 攪拌摩擦焊;對接面;材料流動;材料應(yīng)變

中圖分類號：TG 453

Research on the material flow and strain behavior near the initial butt surface in friction stir welding

Yang Chengle1，2， Chen Gaoqiang1，2， Liu Qu1，2， Shi Qingyu1，2

（1.State Key Laboratory of Tribology， Tsinghua University， Beijing 100084， China;2.Key Laboratory for Advanced Materials Processing Technology， Tsinghua University， Beijing 100084， China）

Abstract： During friction stir welding （FSW） ， the flow and deformation of parent material near the butt surface is closely related to the formation of many defects. The flow and deformation behavior of initial butt surface material were studied by carrying out an experiment of FSW. AA2024T3 aluminium alloy was utilized as parent material and processed under different welding condition. Oxide film was prefabricated on butt surfaces as marker material. All oxide films were broken into particles， deposited into the weld and formed a regular line named lazy S. The increasing rotation rate of the tool results in the decreasing of the width of the macro spread of lazy S， and meanwhile， in a specified area， the particles size is coarser and the spread of them is narrower. The deposition pattern of the marker material reveals that low rotation rate of the tool introduces severe strain to the parent material near the butt surface during FSW process. However， as the rotation rate increasing， the total strain in the same area decreases.

Key words： friction stir welding; butt surface; material flow; material strain

0 前言

攪拌摩擦焊（FSW）是一種環(huán)保、無消耗的固相焊焊接工藝[1-6]。經(jīng)過20多年的發(fā)展，F(xiàn)SW已從工藝開發(fā)逐漸走向大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用[7-8]。學(xué)術(shù)界與工程界普遍認(rèn)識到，F(xiàn)SW接頭中的一些特有的組織特點(diǎn)及缺陷形式，如對接面表面的氧化物在焊縫中富集形成的“S線”[9-14]、接頭底部材料焊合不充分形成的根部缺陷[15-19]等，均與對接面附近的材料流動變形行為密切相關(guān)。因此，為了縮短焊接工藝的開發(fā)周期，有必要專門針對FSW中對接面附近材料的流動變形行為及規(guī)律進(jìn)行深入研究。

由于FSW過程中固態(tài)金屬在高速旋轉(zhuǎn)攪拌頭周圍毫米級的薄層內(nèi)發(fā)生劇烈的塑性流變，因此采用試驗(yàn)手段直接獲取FSW過程中的材料塑性流變行為十分困難。盡管近年來在試驗(yàn)上發(fā)展出了原位觀察技術(shù)[20-22]，目前絕大多數(shù)試驗(yàn)仍采用焊后組織觀察的方式，間接獲得焊后接頭中與材料塑性流變相關(guān)的晶粒幾何尺寸[23-24]、標(biāo)示材料位置[25]、異種材料界面位置[26]、晶體學(xué)特征[27]等數(shù)據(jù)，進(jìn)而基于相關(guān)理論與假設(shè)，分析討論FSW過程中材料流變行為。

Y. S. Sato 等人[28]對“S線”的形成規(guī)律成與FSW焊接參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)更高的熱輸入能夠使得對接面上的氧化物更加分散，不易出現(xiàn)“S線”。Dai Q L等人[10]對FSW焊縫中“S線”附近的材料進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在熱輸入較高時，“S線”上的氧化物顆粒附近存在孔洞與裂紋，在較低的熱輸入時則不會出現(xiàn)微缺陷。Chen H B等人[11]在焊前對接面上預(yù)制約40 μm厚的氧化膜作為標(biāo)示材料進(jìn)行FSW試驗(yàn)，在焊縫中觀察到類似“S線”的氧化物顆粒富集區(qū)域，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度明顯低于無預(yù)制氧化膜的焊接接頭，但是由于“洋蔥環(huán)”形貌的出現(xiàn)，未觀察到典型的“S線”形貌。由此可見，“S線”的形貌特征與FSW中對接面附近的材料流變行為密切相關(guān)。然而，研究還十分有限，不足以系統(tǒng)完整地認(rèn)識FSW中對接面附近材料的宏/微觀材料流變行為。

為進(jìn)一步認(rèn)識FSW中對接面附近材料的流動變形行為及規(guī)律，采用標(biāo)示材料法研究FSW中對接面附近材料流變行為，通過觀察不同F(xiàn)SW參數(shù)下原始對接面上標(biāo)示材料的焊后宏觀和微觀分布，分析標(biāo)示材料所體現(xiàn)出的對接面附近工件材料流變特征，討論攪拌頭轉(zhuǎn)速對焊前對接面附近材料在FSW過程中應(yīng)變的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)材料與方法

文中選取3 mm厚AA2024T3鋁合金為研究對象。AA2024T3鋁合金是典型的航空高強(qiáng)鋁合金，其主要成分如表1所示。焊接時采用對接形式。焊前采用銑削方式去除被焊工件外表面的原有氧化物并加工至所需尺寸。之后，采用局部陽極氧化的方法，在工件表面制備約20 μm厚的氧化膜，并打磨工件上、下表面，僅保留對接面的氧化膜作為標(biāo)示材料。圖1為原始標(biāo)示材料在工件材料對接面上的微觀形態(tài)，呈現(xiàn)出存在部分孔洞的連續(xù)結(jié)構(gòu)。由于對接面兩側(cè)均布置有預(yù)制氧化膜，標(biāo)示材料的初始厚度為約40 μm。攪拌摩擦試驗(yàn)中采用鋼質(zhì)攪拌頭，軸肩直徑13 mm;攪拌針為圓臺形，端部直徑3.5 mm，根部直徑4 mm，高2.8 mm。在其它參數(shù)一致的情況下，改變攪拌頭轉(zhuǎn)速進(jìn)行焊接試驗(yàn)，獲得了不同焊接工況下的接頭樣品以備檢測。試樣編號及其對應(yīng)的焊接工況見表2，焊接設(shè)置下壓量為0.5 mm，攪拌頭傾角2.55°。

切取垂直于焊接方向的接頭橫截面試樣，依次使用800#，1500#，2000#砂紙磨平，并用0.5 μm金剛石拋光劑拋光，使用Poulton試劑（2 mL HF+3 mL HCl+20 mL HNO3+175 mL 蒸餾水）進(jìn)行腐蝕;使用Olympus光學(xué)顯微鏡在不同倍數(shù)下觀測焊接接頭橫截面的宏觀和局部形貌，并對焊縫中的“S線”進(jìn)行測量分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 接頭中標(biāo)示材料的宏觀形貌分析

在FSW過程中，高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭與被焊工件發(fā)生劇烈的摩擦。在摩擦生熱作用下，被焊工件升溫而發(fā)生軟化，軟化的材料由于旋轉(zhuǎn)攪拌頭的帶動作用會發(fā)生劇烈的塑性流變，在攪拌頭臨近區(qū)域內(nèi)形成高速變形區(qū)。流變的材料在此后沉積在攪拌頭后方形成接頭。文中預(yù)置在對接面上的標(biāo)示材料在焊接過程中經(jīng)歷攪拌頭附近的高速變形區(qū)后沉積在接頭中。

含有標(biāo)示材料的FSW接頭橫截面宏觀形貌，如圖2所示。由圖2可見，在FSW接頭的攪拌區(qū)（SZ）存在深色的曲線，此為標(biāo)示材料在焊后接頭中的集中分布區(qū)域，一般稱為“S線”。焊縫中標(biāo)示材料的分布呈現(xiàn)一定的規(guī)則性，與O. Lorrain等人[29]的研究結(jié)果一致，具體表現(xiàn)為兩次彎折的曲線，從焊縫頂部向下，先向前進(jìn)側(cè)分布，在焊縫中部轉(zhuǎn)折繼而延伸至后退側(cè)，在接近焊縫底部時向原始對接面附近彎折。由于順著焊接方向?qū)M截面進(jìn)行觀察，“S線”呈現(xiàn)出“反S形”。在攪拌頭轉(zhuǎn)速變化時，標(biāo)示材料的焊后沉積曲線形狀并未發(fā)生明顯改變，說明試驗(yàn)中對接面附近的工件材料在FSW過程中的宏觀流動模式是統(tǒng)一的。

隨著攪拌頭轉(zhuǎn)速的提高，“S線”在焊縫中的宏觀分布跨度變窄。在攪拌頭轉(zhuǎn)速為500 r/min下，富集氧化鋁顆粒的“S線”在焊縫中的跨度約為8.5 mm，幾乎貫穿了整個焊縫橫截面，如圖2a所示。隨著攪拌頭轉(zhuǎn)速的上升，“S線”在焊縫中的跨度逐漸收斂，更加接近原始對接面的縱向豎直分布，前進(jìn)側(cè)與后退側(cè)的兩個轉(zhuǎn)折點(diǎn)都更加接近原始對接面。在攪拌頭轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時，如圖2d所示，“S線”只在焊縫中線附近分布，在焊縫中的跨度僅約1.5 mm。攪拌頭轉(zhuǎn)速在1 200 r/min時，如圖2e所示，雖然“S線”形狀與前幾組相似，但是跨度異常變寬，這一異常表明FSW過程中工件材料流動的復(fù)雜性。

2.2 接頭中標(biāo)示材料的局部形貌分析

在焊接過程中，與發(fā)生高溫軟化的工件材料不同，作為標(biāo)示材料的氧化鋁仍然保持脆、硬的特征。標(biāo)示材料經(jīng)過攪拌頭附近高速流變區(qū)，在劇烈塑性變形作用下自身破碎，且與工件材料發(fā)生混合。局部尺度下接頭中標(biāo)示材料顆粒的尺寸及其與周圍金屬的混合程度可以反映該區(qū)域在FSW過程中材料塑性流變行為的局部特征。

放大觀察圖1中各個轉(zhuǎn)速下焊縫高度方向中部附近的“S線”局部形貌，如圖3所示。由圖3可見，經(jīng)過FSW過程，原始預(yù)制氧化膜完全破碎為大小不一的氧化鋁顆粒，分布在寬度大約為50～150 μm不等的區(qū)域內(nèi)，在金相照片中表現(xiàn)為棕灰色顆粒。由于標(biāo)示材料采用脆性的預(yù)制氧化膜，通過對標(biāo)示材料的局部沉積寬度以及破碎的標(biāo)示材料顆粒的尺寸，能夠十分直觀地了解到標(biāo)示材料附近區(qū)域的工件材料應(yīng)變積累情況。在不同的攪拌頭轉(zhuǎn)速下，統(tǒng)計測量得到圖3所示區(qū)域內(nèi)的標(biāo)示材料顆粒的沉積區(qū)域?qū)挾龋鐖D4所示。使用Image Pro Plus圖像識別軟件測量得到的標(biāo)示材料顆粒平均等效直徑結(jié)果如圖5所示。

在500 r/min轉(zhuǎn)速下，破碎的標(biāo)示材料幾乎布滿了整個顯微鏡視野，寬度約為101.6 um，大約是原始對接面兩側(cè)預(yù)制氧化膜厚度的2.5倍，說明在此轉(zhuǎn)速下，對接面附近的工件材料經(jīng)歷了十分劇烈的變形。而在1 200 r/min轉(zhuǎn)速下，標(biāo)示材料集中分布在約57.9 μm的寬度內(nèi)，大約是預(yù)制氧化膜的1.4倍，變形情況明顯減弱。在500 r/min轉(zhuǎn)速下，標(biāo)示材料顆粒的平均等效直徑約為2.49 μm;在較高轉(zhuǎn)速1 200 r/min下，平均顆粒直徑為4.34 μm，是低轉(zhuǎn)速下的1.7倍。隨著攪拌頭轉(zhuǎn)速的增加，在局部尺度下，焊后標(biāo)示材料破碎后顆粒尺寸逐漸增大，分布的區(qū)域逐漸收窄。

攪拌頭驅(qū)動的工件材料流動過程中產(chǎn)生的應(yīng)變是破碎、分散預(yù)制氧化膜的直接驅(qū)動力。標(biāo)示材料破碎的嚴(yán)重性且分布區(qū)域的廣泛性說明在較低的攪拌頭轉(zhuǎn)速下，對接面附近的工件材料流動經(jīng)過區(qū)域發(fā)生更加劇烈的應(yīng)變。相反，在較高的攪拌頭轉(zhuǎn)速下，對接面附近工件材料流經(jīng)區(qū)域的應(yīng)變反而減輕。

2.3 攪拌頭轉(zhuǎn)速對工件材料流動與應(yīng)變的影響

在試驗(yàn)中，在較低的攪拌頭轉(zhuǎn)速下，標(biāo)示材料有更廣泛的分布與更嚴(yán)重的破碎。雖然較低轉(zhuǎn)速下FSW過程中焊接熱輸入較低，工件材料流動速度也較低，但是試驗(yàn)顯示，在此過程中，對接面附近的工件材料反而經(jīng)歷了更大的應(yīng)變，而與此相對，在攪拌頭轉(zhuǎn)速更高的情況下，即使攪拌頭帶來更大的熱輸入與更加劇烈的攪拌作用，對接面附近工件材料所經(jīng)歷的應(yīng)變反而更小。這種矛盾體現(xiàn)出FSW過程中流動的復(fù)雜性。因此，針對對接面材料在FSW過程中所經(jīng)歷的應(yīng)變不能簡單地通過攪拌頭轉(zhuǎn)速對工件材料在焊接區(qū)域的應(yīng)變速率的影響來解釋，還需要考慮在不同轉(zhuǎn)速下對接面附近工件材料的流動行為受攪拌頭的影響。

結(jié)合陳高強(qiáng)等人[30]的研究，有種理解可能是，攪拌頭轉(zhuǎn)速的變化不僅改變了焊接區(qū)域應(yīng)變速率的分布，還改變了對接面附近工件材料的流動行為。在較低的攪拌頭轉(zhuǎn)速下，熱輸入較低，僅僅在緊靠攪拌頭的狹窄區(qū)域產(chǎn)生高溫使工件材料軟化、變形抗力降低。在攪拌頭的攪拌作用下，此狹窄區(qū)域會產(chǎn)生很高的應(yīng)變速率。對接面附近工件材料繞過攪拌頭的路徑必然是充分軟化的區(qū)域，在較低的攪拌頭轉(zhuǎn)速下，這樣的區(qū)域同時發(fā)生了軟化作用以及劇烈的塑性變形，導(dǎo)致對接面工件材料在FSW過程中積累了較大的應(yīng)變量。而在較高的攪拌頭轉(zhuǎn)速下，熱輸入較大，高溫區(qū)域較寬，工件材料軟化的區(qū)域也較寬。攪拌頭驅(qū)動的流動在軟化的工件材料中不易傳遞，較大的應(yīng)變速率只會發(fā)生在靠近攪拌頭的相對狹窄的區(qū)域，攪拌區(qū)中存在較寬的低應(yīng)變速率區(qū)。對接面附近工件材料從此低應(yīng)變速率區(qū)域流經(jīng)攪拌區(qū)，因此積累的總應(yīng)變量較少?；谶@樣的解釋，高、低兩種轉(zhuǎn)速情況下的應(yīng)變速率分布情況，如圖6所示。

綜上所述，攪拌頭轉(zhuǎn)速的提高帶來工件材料流動速度增加的同時，由于熱輸入的增加使得工件材料軟化區(qū)域增大，因此工件材料流場應(yīng)變速率分布與對接面附近工件材料流動行為同時被改變，造成在較低攪拌頭轉(zhuǎn)速下對接面附近工件材料應(yīng)變劇烈，而較高轉(zhuǎn)速下的應(yīng)變反而減小。雖然該試驗(yàn)并不足以精確描述復(fù)雜的FSW材料流動行為，但是工件材料的變形帶來的標(biāo)示材料分散、破碎現(xiàn)象十分顯著，能夠清晰地描述對接面附近工件材料在流動過程中的總應(yīng)變量。

3 結(jié)論

（1）FSW焊后接頭中，原始對接面上的標(biāo)示材料在焊縫中的宏觀分布呈現(xiàn)為“S線”的不規(guī)則形狀，即在焊縫上部偏向前進(jìn)側(cè)而在焊縫下部偏向后退側(cè)，形成兩次彎折的曲線。隨著攪拌頭轉(zhuǎn)速的升高，該曲線的宏觀分布寬度接近原始對接面位置，從500 r/min轉(zhuǎn)速時的8.5 mm降低到1 000 r/min時的1.5 mm。

（2）原始對接面上的標(biāo)示材料在FSW過程中被破碎并分散到一定微觀寬度的范圍中。攪拌頭轉(zhuǎn)速從500 r/min升高到1 200 r/min的過程中，焊縫中部標(biāo)示材料局部寬度顯著降低，同一位置標(biāo)示材料顆粒尺寸顯著提升。隨著攪拌頭轉(zhuǎn)速的提高，試驗(yàn)中沉積在接頭中部的標(biāo)示材料經(jīng)歷的總應(yīng)變反而降低。

（3）標(biāo)示材料的沉積形貌顯示，攪拌頭轉(zhuǎn)速的提高會帶來變形局域化的現(xiàn)象，即在高轉(zhuǎn)速下，劇烈的應(yīng)變僅發(fā)生在緊鄰攪拌頭的區(qū)域，而標(biāo)示材料流經(jīng)的區(qū)域應(yīng)變較低。

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