高轉速FSW 工藝特征及焊縫組織性能演變規(guī)律研究

謝勝楠，張會杰，孫舒蕾，紀子杰，劉倩如，張育萱

（東北大學秦皇島分校 資源與材料學院，河北 秦皇島 066004）

隨著制造業(yè)的快速發(fā)展，針對復雜大型結構件的現(xiàn)場連接制造及維護維修日漸增多，并且對攪拌摩擦焊（Friction stir welding,FSW）這一高質量的焊接技術提出了迫切的應用需求[1]。傳統(tǒng)FSW 工藝所需的焊接載荷較高，導致常規(guī)FSW 設備的體積和重量都比較龐大[2]，從而極大限制了FSW 技術在現(xiàn)場焊接制造及就位修復等方面的應用。為了解決這一問題，開發(fā)具有低重量、小體積特征的小型FSW 設備已經(jīng)勢在必行。而要研發(fā)出這樣的FSW 設備，首要條件就是要從工藝的角度降低FSW 所需的焊接載荷，即開發(fā)出低載荷FSW 工藝技術[3]。

實驗室利用Axis PTZ相機，通過圖像檢測Rovio的像素重心，然后由坐標變換函數(shù)轉化為攝像頭姿態(tài)(pan,tilt)。通過支持向量機算法間接實現(xiàn)(pan,tilt)和固定坐標系(x,y)的轉換。具體定位步驟如下：

高轉速FSW 工藝是降低FSW 焊接載荷的有效手段[4—7]。所謂高轉速，是相對常規(guī)焊接轉速而言的。在常規(guī)FSW 中，焊具轉速一般不會超過3000 r/min，而高轉速FSW 則是指焊具在3000 r/min 以上實施焊接的過程。在這樣的工藝條件下，焊具的產熱速率較高，設備只需提供較低的焊接載荷，即可克服被焊材料對焊具所施加的阻力并完成焊接。

近年來，高轉速FSW 已得到了廣泛重視，國外已在焊縫成形控制、接頭力學性能、焊接過程模擬等方面進行了一系列的研究[5—7]，國內也已開展了鋁合金的高轉速焊接試驗，并分析了焊縫形態(tài)和溫度場的特征[8—9]。就這一工藝而言，轉速是決定焊接質量的最重要因素，但目前有關焊接轉速對工藝特性作用規(guī)律的研究還鮮見報道，這一關鍵問題亟待闡明。

文中以3A21 鋁合金為焊接對象，進行了高轉速FSW 工藝試驗研究。通過對焊接溫度場、焊縫成形特征及接頭組織性能與焊接轉速相關性進行深入分析，期望能更為深入地理解高轉速FSW 工藝的機理和本質，并為其優(yōu)化控制奠定技術基礎。

1 實驗

1.1 材料

焊接中，采用熱電偶記錄了焊縫底部溫度隨焊接時間的變化情況，并獲得了如圖2a 所示的熱循環(huán)曲線（4000 r/min）?？梢?，在1000～4000 r/min 的轉速區(qū)間內，隨著轉速的升高，焊縫溫度也逐漸升高；但當轉速繼續(xù)增大至5000 r/min 以上時，焊縫溫度隨著轉速的升高卻呈現(xiàn)出趨于穩(wěn)定的變化趨勢（見圖2b）。

表1 3A21-O 態(tài)鋁合金的化學成分Tab.1 Chemical compositions of 3A21-O-state aluminum alloy

圖1 3A21-O 態(tài)鋁合金的原始微觀組織Fig.1 Initial microstructure of 3A21-O-state aluminum alloy

1.2 設備

焊接過程在尺寸規(guī)格為150 mm×150 mm 的單個試片上進行，焊接方向為垂直于板材的軋制方向。焊接轉速范圍為1000～8000 r/min。在所有轉速下，焊接速度均為25 mm/min，焊具軸肩壓入量為0.05 mm，焊具傾角為0°。焊接中采用K 型熱電偶測量位于焊具攪拌針行進路徑正下方的工件下表面的熱循環(huán)。

1.3 方法

試驗設備為自行研制的高精度攪拌摩擦焊機床，通過在設備上安放主軸增速機構，可實現(xiàn)主軸高轉速的輸出。當焊具處于高速旋轉狀態(tài)時，易引起焊縫表面過熱，被焊材料容易被擠出焊具軸肩導致飛邊、孔洞等缺陷的產生[10]，因此，在高轉速FSW 中，焊縫成形控制是關鍵。文中所設計的焊具軸肩直徑是12 mm，軸肩端面上加工有螺旋槽結構，以保證能對被焊材料提供充分的向心驅動力，確保焊縫的優(yōu)質成形。焊具攪拌針為錐狀螺紋結構。在前期的焊接試驗研究中發(fā)現(xiàn)，高轉速焊接所形成的焊核的高度要明顯大于焊具對被焊工件的壓入深度，因此，為了保證焊接時攪拌針不會扎到被焊工件背部的墊板上，所選的焊具攪拌針長度要小于工件的厚度，其值為2.65 mm。

在工程項目的實際測量中，GPS-RTK測量技術的應用顯著提高了測量精度。在實際的測量過程中，雖然不可避免地會產生一定的系統(tǒng)性誤差，但是只要科學、合理地選取測量設備和測量工作站，控制好測量外界的影響，就可有效提高GSPS-RTK技術的測量精度和可靠性，進而推動GPS-RTK技術的發(fā)展與應用。

一篇習作完成后，不要讓孩子成為唯一的讀者。游戲習作的主角是孩子自己，怎樣讓孩子的游戲故事在兒童的言語世界中鮮活、靈動起來？快樂聯(lián)動是一種很好的交往情境機制。每一次習作完成后都有分享課，讓孩子通過讀自己的習作，明白自己也可以成為課堂的主體，“我”也可以成為話語的中心，“我”的話語也可以對別人有意義。傾聽的孩子學會了關注他人的存在，明白習作就是用言語和別人進行交往，讓他人一起分享自己的生活。孩子在聽到別人的優(yōu)秀習作時，會自覺鼓掌，大家在這樣的互相被肯定的過程中，獲得自信，獲得快樂。

2 結果與分析

2.1 焊接溫度場

試驗材料為5 mm 厚的3A21-O 態(tài)鋁合金，其主要微量元素的質量分數(shù)見表1。母材的晶粒為板條狀結構（見圖1），尺寸為181.1±41.2 μm。由于試驗材料經(jīng)歷了退火過程，其內部位錯密度較低，小角度晶界數(shù)量所占比例僅為9%。

FSW 過程產熱包括摩擦產熱和塑性變形產熱兩部分，在假定焊具周圍材料的塑性變形層為面熱源，且變形層的摩擦切應力和屈服切應力相等的前提下，可以將摩擦產熱和塑性變形產熱統(tǒng)一為式（1）[11—12]。

水利普查文件材料的歸檔應該符合如下要求：①紙質文件材料歸檔，應該字跡工整、數(shù)據(jù)準確、圖樣清晰，簽字蓋章、日期等完整齊備。書寫和裝訂材料應符合耐久性要求。翻譯為少數(shù)民族文字的水利普查文件材料，應將原件及翻譯文一同歸檔。②實物與音像文件材料歸檔，應該規(guī)定注明時間、地點、事件、人物等相應的文字說明。③電子文件材料歸檔，應符合 《電子文件歸檔與管理規(guī)范》的要求。

式中：q為熱流密度；ω為焊具轉速；r為焊具表面上任一點到焊具軸線的距離；τ(T)為與溫度相關的材料切應力。

從上述分析可見，高轉速FSW 中，隨著轉速的增大，焊接溫度一直都是決定焊縫組織演變的重要因素，使得焊縫焊核區(qū)的晶粒尺寸及亞結構比例等微觀組織特征隨轉速增大呈現(xiàn)出與溫度類似的演變規(guī)律。

可見，轉速增大時，決定焊接產熱的主導因素會發(fā)生變化，最終使焊縫溫度顯現(xiàn)出了圖2b 所示的變化特征。正是由于高轉速FSW 能夠顯著降低材料切應力，焊縫溫度在轉速升高至一定程度時才能達到穩(wěn)定狀態(tài)。這與常規(guī)FSW 中常見的焊縫溫度隨轉速增大而升高的變化趨勢是不同的[13]。

圖2 焊接溫度場測量結果Fig.2 Measurement results of welding temperature field

2.2 焊縫成形特征

為顯示焊縫的成形情況，圖3 給出了焊縫橫截面的照片。需說明的是，所有橫截面的左側均為后退側，右側均為前進側。在所研究的轉速范圍內，均獲得了無內部缺陷的焊縫成形。進一步觀察發(fā)現(xiàn)，轉速對焊縫的焊核形態(tài)產生了顯著的影響。在轉速較低時（如2000 r/min 和4000 r/min），由于焊具軸肩對被焊材料的攪拌作用較弱，焊核顯現(xiàn)出上窄下寬的形態(tài)特征；而當轉速較高時（如6000 r/min 和8000 r/min），焊縫上部受到了焊具軸肩較為強烈的熱機作用，從而觀察到了上寬下窄的焊核形狀。

焊后沿垂直于焊接方向截取接頭橫截面，經(jīng)粗磨、精磨和拋光處理后，用Keller 試劑對試樣進行腐蝕，并用光學顯微鏡分析焊縫成形特征。焊縫晶粒形態(tài)采用電子背散射衍射（EBSD）的分析方法予以觀察。在拋光后的焊縫橫截面上進行顯微硬度測試，分析位置位于焊具扎入深度的中部所在的截面上，硬度測試載荷及停留時間分別為200 g 和10 s。

圖3 焊縫橫截面顯微形貌Fig.3 Micro morphology of weld cross section

另外，焊核寬度也與轉速存在很強的相關性。圖4 匯總了焊具在扎入深度的中心位置所對應的焊核寬度值?？梢姡斵D速位于1000～4000 r/min 區(qū)間時，焊核寬度較小，略大于對應位置的攪拌針直徑；而繼續(xù)增大到5000 r/min 以上時，焊核寬度發(fā)生突變，急劇增大了50%以上，并在5000～8000 r/min 范圍內保持了一個比較穩(wěn)定的狀態(tài)。焊核寬度的突然增大實際上是由焊接產熱機制發(fā)生突變所引起的。在1000～4000 r/min 的轉速范圍內，焊具周圍大多數(shù)材料的流動速度要低于焊具旋轉速度，即焊具/被焊材料的界面相互作用以滑動摩擦為主；而當轉速升至 5000 r/min 以上時，被焊材料應變速率增大，較多的塑性變形材料能夠粘著到焊具表面，并隨之高速旋轉，焊具/被焊材料的界面產熱就轉變?yōu)橐哉持Σ翞橹鞯漠a熱機制[14—15]；此時焊具周圍材料塑性變形能力得到顯著增強，較大體積范圍的材料都能夠在焊具的旋轉帶動下發(fā)生塑性流動[15]，并參與到焊核組織的形成過程當中，從而引起焊核寬度的突然增大。

內生菌與病原菌之間的競爭主要包括對物理位點侵入的競爭、對生態(tài)位點搶占的競爭以及對營養(yǎng)物質和氧氣的競爭。內生菌作為拮抗菌可以通過與病原菌競爭果實表面的營養(yǎng)物質及侵染位點，達到降低果蔬表面病原真菌數(shù)量的效果[20]。

圖4 焊核寬度隨轉速的變化情況Fig.4 Evolutions of nugget zone width with rotation speed

2.3 焊縫微觀組織

高轉速FSW 熱機作用的特殊性必然會影響到焊縫微觀組織特征。圖5 給出了焊核區(qū)晶粒照片，圖6統(tǒng)計了晶界取向差的分布情況。在晶粒照片中，大角度晶界（晶界取向差大于15°）用黑色實線表示，小角度晶界（晶界取向差位于2°和15°之間）用紅色實線表示。

為闡明高轉速FSW 接頭力學性能的分布情況，在焊縫橫截面上沿焊具扎入深度的中部位置進行了顯微硬度測量，結果如圖7 所示。需要說明的是，硬度曲線中，實心點所標記的是焊核區(qū)的硬度，空心點所反映的則是焊縫其他區(qū)域的硬度。很顯然，在3 組轉速下，焊核區(qū)的硬度都高于母材，顯示出了不可熱處理強化鋁合金FSW 接頭硬度分布的一般特征。對比來看，2000 r/min 焊縫的焊核區(qū)硬度較低，而5000 r/min 及8000 r/min 焊縫的硬度較高且比較接近。結合圖6 可知，焊核區(qū)的硬度值與其組織特征存在一定的相關性，具體分析如下。

圖5 不同轉速下焊縫微觀組織Fig.5 Microstructures of welds at different rotation speeds

圖6 不同轉速下的晶粒尺寸及小角度晶界數(shù)量百分比Fig.6 Grain sizes and fractions of low angle grain boundaries at different rotation speeds

由于FSW 中發(fā)生了塑性變形、位錯增殖、動態(tài)回復等過程，與母材相比，焊縫焊核區(qū)晶粒的小角度晶界數(shù)量有所提高，且其數(shù)量比例同樣受到了焊接轉速的影響。當轉速為2000 r/min 時，小角度晶界所占比例為17.7%，而在5000 r/min 和8000 r/min 的轉速下，小角度晶界所占比例分別為22.9%和21.6%。高轉速下小角度晶界的比例之所以提高，是因為高轉速下劇烈的塑性變形會產生大量變形位錯，且這些變形位錯在高溫下更容易發(fā)生多邊形化（即動態(tài)回復），從而有利于形成小角度晶界。

在轉速較高時，焊具對被焊材料的加熱速率也較高，使位于焊具前沿的被焊材料迅速受熱并被軟化至較低的應力狀態(tài)。這也正是高轉速FSW 能夠降低焊接載荷的本質原因。由式（1）可知，F(xiàn)SW 過程產熱由轉速ω和材料切應力τ來決定?？梢酝茢啵?000～4000 r/min 的轉速范圍內，轉速的增大對焊接產熱量的影響起到了主導作用，而在轉速從4000 r/min 增大到8000 r/min 的過程中，材料切應力的減小應該是影響產熱的主要因素，從而導致逐漸趨于穩(wěn)定的溫度變化趨勢。

2.4 焊縫力學性能

從圖6 所示的晶粒尺寸計算結果來看，與2000 r/min 的常規(guī)轉速相比，在5000 r/min 和8000 r/min的高轉速下，焊核晶粒有所粗化，這是由于在高轉速參數(shù)下，焊縫區(qū)溫度較高，高溫停留時間長，更有利于焊后焊核區(qū)組織的長大。

本文對近代青島城市建設中的對景手法進行研究，其作為城市景觀組織的主要手法對城市空間特色的形成起到了積極作用：

圖7 焊縫硬度分布曲線(實心標記數(shù)據(jù)為焊核區(qū)硬度)Fig.7 Hardness distribution profiles of the welds (the data points marked by solid symbols are located in the nugget zone)

3A21 鋁合金作為一種不可熱處理強化鋁合金，特別是在退火狀態(tài)下，其內部第二相質點對材料力學性能的貢獻很小，焊縫性能主要由晶粒尺寸和位錯密度來決定，這已經(jīng)在已有的一些有關防銹鋁合金FSW工藝的研究結果中得到了證實[13]。從圖5 和圖6 可知，當轉速由2000 r/min 提高至5000 r/min 和8000 r/min的高轉速時，焊核區(qū)晶粒尺寸有所增大。根據(jù)Hall-Petch 公式所描述的晶粒尺寸與顯微硬度的關系推斷，晶粒增大將降低焊縫硬度，因此，圖7 所示的焊核區(qū)顯微硬度的提高，應該是由轉速增高時小角度晶界數(shù)量的增多所引起的。小角度晶界是由變形增殖位錯發(fā)生多邊形化所形成的，較多的小角度晶界體現(xiàn)了焊核內儲存著較高的塑性變形能，從而對焊核區(qū)產生了亞結構強化效果。

通過對焊接熱機特征及焊縫組織性能的分析可知，高轉速FSW 這種特殊工藝體現(xiàn)出了與常規(guī)FSW不同的焊接特性。由于它能顯著降低材料變形抗力，導致焊縫溫度能夠在轉速增大到一定范圍后保持穩(wěn)定狀態(tài)，并使焊核區(qū)組織演變呈現(xiàn)出類似的規(guī)律，從而提高焊縫性能并使其在較寬的轉速區(qū)間內保持穩(wěn)定。這說明當轉速提高至一定程度時，高轉速FSW顯現(xiàn)出較寬范圍的優(yōu)質工藝參數(shù)調控區(qū)間，這一優(yōu)異的工藝可控性非常有利于高轉速FSW 在實際焊接制造中的應用。

定義集合Bμ(R,R2)={C(R,R2)|Φ(·)|μ<+∞},其中 μ>0, Φ(ξ)=(φ1(ξ),φ2(ξ)) 且

3 結論

1）當轉速由1000～4000 r/min 區(qū)間增大至5000～8000 r/min 區(qū)間時，焊核寬度急劇增大了近50%。分析認為這是高轉速FSW 產熱機制由以滑移摩擦產熱為主，轉變?yōu)橐哉持Σ廉a熱為主所導致的。

2）隨著轉速的增大，高轉速FSW 焊縫的溫度呈現(xiàn)出特殊的先升高而后趨于穩(wěn)定的變化趨勢。造成這一變化特征的原因在于，當轉速升高至一定值時，主導焊接產熱的因素由焊具轉速轉變成了被焊材料的切應力。

3）焊縫溫度直接決定了焊縫組織特征及力學性能。焊核區(qū)晶粒尺寸及小角度晶界所占比例都隨著轉速增大表現(xiàn)出先增大而后趨于穩(wěn)定的變化趨勢。對于不可熱處理強化鋁合金而言，亞結構強化是決定焊核區(qū)硬度的主要因素，因此，提高轉速有利于增大小角度晶界比例并提高焊縫焊核區(qū)的力學性能。