6082鋁合金摩擦塞補(bǔ)焊接頭焊核區(qū)晶體特征

李德福,王希靖

(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)實驗室,甘肅 蘭州 730050;2.蘭州理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730050;3.蘭州交通大學(xué) 鐵道技術(shù)學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)

攪拌摩擦焊是一種綠色環(huán)保的高效固相焊接技術(shù),適應(yīng)于鋁合金等輕質(zhì)材料焊接.焊后殘余應(yīng)力小、接頭性能高[1].而攪拌摩擦焊在焊縫結(jié)束位置會形成“匙孔”,影響接頭整體性能[2].攪拌針回抽技術(shù)雖能填充匙孔,但會使接頭承載厚度變薄[3],影響整體接頭性能.在工業(yè)生產(chǎn)中,常采用加引出板之后進(jìn)行機(jī)加工的方法消除“匙孔”,而對于環(huán)形焊縫,“匙孔”往往是不可避免的[4].英國焊接研究所發(fā)明的摩擦塞補(bǔ)焊技術(shù)雖能有效填充“匙孔”類體積型缺陷[5],但該方法要求主軸轉(zhuǎn)速高、頂鍛力大,故對設(shè)備要求也高.在填充式攪拌摩擦焊匙孔修復(fù)技術(shù)基礎(chǔ)上[6],課題組采用軸肩輔助加熱的方法實現(xiàn)了對6082鋁合金匙孔類體積型缺陷的修復(fù)[7],獲得了成形良好的摩擦塞補(bǔ)焊接頭,接頭性能理想.而在摩擦塞補(bǔ)焊過程中,軸肩輔助加熱對接頭性能的影響,以及在軸肩輔助加熱作用下塞棒與塞孔熱力耦合作用的機(jī)理仍不清楚.

在摩擦塞補(bǔ)焊研究領(lǐng)域,欒國紅等[8]分析了LY12 鋁合金摩擦塞焊接頭的金相組織、硬度分布和材料流動方式.結(jié)果表明：在摩擦塞焊過程中,塑化區(qū)材料發(fā)生回復(fù)和再結(jié)晶,晶粒被細(xì)化,材料顯微硬度與母材相當(dāng).Beamish[9]研究了6082-T6鋁板的摩擦塞焊工藝,得到了焊接參數(shù)對焊接質(zhì)量的影響規(guī)律.Metz等[10-11]對2195鋁鋰合金進(jìn)行摩擦塞焊試驗,分析了焊接接頭力學(xué)性能.劉凱旋等[12]對 2219-T87鋁合金攪拌摩擦焊縫進(jìn)行摩擦塞補(bǔ)焊工藝試驗,對塞補(bǔ)焊接頭的焊縫成形、顯微組織、顯微硬度和抗拉強(qiáng)度進(jìn)行了測試,在7 500 r/min的焊接轉(zhuǎn)速和40～55 kN的焊接壓力下獲得了無缺陷摩擦塞補(bǔ)焊接頭；結(jié)合面是最薄弱的區(qū)域,塞補(bǔ)焊接頭最大抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率為母材的73.9%和66.7%.異種材料方面,杜波等[13-14]采用2A14-T6 鋁合金圓錐塞棒和10 mm厚2219-T87鋁合金板材進(jìn)行異種鋁合金摩擦塞焊試驗.在焊接轉(zhuǎn)速為7 500 r/min,焊接壓力為30、35 kN時均得到了無缺陷的摩擦塞焊接頭.由于塞棒直徑為22 mm相較于板厚10 mm較大,接頭中心位置保留了塞棒拉拔形成的細(xì)長晶粒,顯微硬度值與母材相當(dāng).劉敬萱等[15]采用攪拌摩擦焊(FSW)工藝制備了6005A-T5鋁合金焊接頭,研究了接頭組織和力學(xué)性能.在焊接過程中,由于焊核區(qū)(NZ)有足夠的焊接熱輸入,β″相完全溶解至鋁基體中.在隨后的自然時效過程中形成GP區(qū)(原子偏聚區(qū)),導(dǎo)致NZ的硬度恢復(fù).動態(tài)再結(jié)晶使焊核區(qū)晶粒細(xì)化,并且平均晶粒尺寸隨焊接速度的增加而減小.

可以看出,當(dāng)前對于摩擦塞補(bǔ)焊的研究還僅限于工藝參數(shù)對接頭顯微組織、力學(xué)性能的影響等方面,對于摩擦塞補(bǔ)焊接頭焊核區(qū)晶粒取向及織構(gòu)的分析還未見報道.張亮亮等[16]采用電子背散射衍射(electron backscattered diffraction,EBSD)技術(shù)研究了6082-T6鋁合金攪拌摩擦焊焊核區(qū)晶粒形貌、晶界特征和織構(gòu)組分的演化.表明焊核區(qū)后退側(cè)金屬發(fā)生連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶,母材粗大晶粒被細(xì)化,形成剪切織構(gòu).軸肩的旋轉(zhuǎn)擠壓作用使焊核區(qū)晶粒沿ND方向(攪拌針軸向方向)旋轉(zhuǎn),在焊核區(qū)正中心位置形成旋轉(zhuǎn)立方織構(gòu),而在前進(jìn)側(cè)形成剪切織構(gòu)和立方織構(gòu)并存的現(xiàn)象.Peng等[17]研究了主軸旋轉(zhuǎn)速度對攪拌摩擦焊接頭不同區(qū)域組織演變和力學(xué)性能的影響,轉(zhuǎn)速增加使小角度晶界組分在軸肩影響區(qū)有所增加,在攪拌針影響區(qū)和渦流區(qū)變化不大.而在攪拌針影響區(qū)和渦流區(qū),晶粒細(xì)化強(qiáng)化是主要機(jī)制,隨著轉(zhuǎn)速增加,晶粒細(xì)化強(qiáng)化作用減弱.Hu等[18]研究了超聲對攪拌摩擦焊動態(tài)再結(jié)晶的影響,在高溫焊核區(qū),超聲促進(jìn)了等軸晶的形核速率和生長速率,增強(qiáng)了晶界位錯運(yùn)動和晶界自擴(kuò)散,促進(jìn)了晶界的滑動和遷移,導(dǎo)致接頭NZ中等軸晶的生長速率增大.

采用軸肩輔助加熱的方法進(jìn)行6082鋁合金摩擦塞補(bǔ)焊接方法,與攪拌摩擦焊、外加能場攪拌摩擦焊和摩擦塞補(bǔ)焊工藝及過程均存在差異.由于摩擦塞補(bǔ)焊塞棒為可消耗式材料,塞補(bǔ)焊過程中熱力耦合作用對塑性材料影響機(jī)理與攪拌摩擦焊有所不同，因此,采用EBSD技術(shù)研究不同塞棒轉(zhuǎn)速下焊核區(qū)晶粒形貌、晶粒尺寸、取向差及織構(gòu)分布等對深入理解軸肩輔助加熱摩擦塞補(bǔ)焊接頭焊核區(qū)成形機(jī)理具有重要意義.

1 實驗材料與方法

6082鋁合金屬于Al-Mg-Si系可熱處理強(qiáng)化型鋁合金,是高速軌道客車以及城軌車輛制造的主要材料.母材和塞棒均采用6082-T6鋁合金,成分見表1.軸肩材料為W18Cr4V.軸肩輔助加熱摩擦塞補(bǔ)焊原理如圖1所示,塞棒相對于軸肩可以進(jìn)行軸向移動.軸肩和母材上表面接觸并加載,隨軸肩轉(zhuǎn)動二者摩擦產(chǎn)熱并對塞孔進(jìn)行預(yù)加熱.預(yù)加熱完成后塞棒沿軸向進(jìn)給,與塞孔接觸、摩擦并產(chǎn)熱.在上述兩個摩擦熱源持續(xù)作用下,接合面材料發(fā)生摩擦、粘接及塑性變形,消耗塞棒而產(chǎn)生塑性金屬.塑性金屬在軸肩、墊板和冷態(tài)母材約束下填充于塞孔,形成初始塞補(bǔ)焊縫,經(jīng)頂鍛后隨軸肩橫向移動折斷剩余部分塞棒,最終形成塞補(bǔ)焊接頭.

表1 6082鋁合金材料成分Tab.1 6082 aluminum alloy material composition

母材尺寸為150 mm×100 mm×5 mm,塞棒和塞孔直徑均為10 mm.母材塞孔下方襯墊板.前期試驗結(jié)果表明，軸肩尺寸、預(yù)熱時間、塞棒頂鍛力、頂鍛時間、塞棒與塞孔配合關(guān)系、塞棒轉(zhuǎn)速等參數(shù)對接頭成型和性能具有重要影響.在其他參數(shù)一定的情況下,塞棒轉(zhuǎn)速對接頭成型和性能影響占主要因素.選用80°等錐角配合,塞棒進(jìn)給量6 mm,在接頭成型良好及連接性能較好的1 800 r/min和2 000 r/min兩種塞棒轉(zhuǎn)速下獲得如圖2所示接頭.

圖2 接頭橫截面形貌及EBSD取樣位置示意圖Fig.2 Diagram of joint cross-section morphology and EBSD sampling location

由圖可見，接頭成形良好,無明顯宏觀缺陷,橫截面呈碗狀,張口較塞孔錐角變大.軸肩輔助加熱摩擦塞補(bǔ)焊過程中,由于熱輸入和材料形變作用,接頭不同區(qū)域組織發(fā)生了明顯變化.一個完整的塞補(bǔ)焊接頭可分為焊核區(qū)(Ⅰ′)、填充區(qū)(Ⅰ)、結(jié)合面區(qū)(Ⅱ)、軸肩影響區(qū)(Ⅲ)、熱力影響區(qū)(Ⅳ)和熱影響區(qū)(Ⅴ)六個部分.在母材適當(dāng)位置和焊核區(qū)中心距離接頭上表面1 mm的P1和P2位置加工EBSD試樣,經(jīng)砂紙粗磨和精磨后,在離子研磨拋光儀Leica EM TIC 3X上進(jìn)行拋光.采用帶有EBSD探頭(AztecX-Max80)和Channel5取向分析系統(tǒng)的場發(fā)射掃描電子顯微鏡(Quanta450FEG)進(jìn)行EBSD實驗,樣品傾斜70°,測試電壓20 kV.母材測試步長為5 μm,接頭焊核區(qū)P1和P2位置試樣測試步長為1 μm.小角度晶界用白色線顯示,黑線表示大角度晶界,用(hkl)[uvw]表示織構(gòu).

2 結(jié)果與分析

2.1 晶粒形貌

如圖3所示母材為典型軋制結(jié)構(gòu),平均晶粒尺寸為29.6 μm,晶粒間不相鄰取向差接近于自由取向差,晶粒沒有明顯的擇優(yōu)取向.

圖3 母材晶粒形貌、晶粒尺寸及相鄰取向差角及分布Fig.3 Grain morphology,grain size and adjacent orientation difference angle and distribution of base metal

圖4為1 800 r/min轉(zhuǎn)速時接頭焊核區(qū)晶粒形貌,晶粒呈等軸狀,平均尺寸為2.3 μm,晶粒間取向差偏離隨機(jī)取向分布,存在明顯擇優(yōu)取向.隨塞棒轉(zhuǎn)速增加至2 000 r/min,晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)榫€錘狀,平均晶粒尺寸增加至4.2 μm,晶粒間取向差也偏離隨機(jī)取向分布,存在明顯擇優(yōu)取向,如圖5所示.

圖4 1 800 r/min轉(zhuǎn)速時焊核區(qū)晶粒形貌、尺寸及相鄰取向差角及分布Fig.4 Grain morphology,grain size,misorientation angle and distribution at 1 800 r/min

圖5 2 000 r/min轉(zhuǎn)速時焊核區(qū)晶粒形貌、尺寸及相鄰取向差角及分布Fig.5 Grain morphology,grain size,misorientation angle and distribution at 2 000 r/min

產(chǎn)生這種變化的原因是軸肩輔助加熱摩擦塞補(bǔ)焊過程中,受軸肩與母材摩擦產(chǎn)熱預(yù)加熱作用影響,塞棒與塞孔摩擦產(chǎn)熱,使得塞棒及接觸部分材料發(fā)生熱塑性變形,位錯塞積與重組導(dǎo)致小角度晶界組分增加形成亞晶粒.在熱激活能的作用下具有相近取向差的亞晶粒通過轉(zhuǎn)動合并成為一個大晶粒,發(fā)生連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶[15-19].使母材粗大晶粒被細(xì)化,晶粒呈等軸狀.隨塞棒轉(zhuǎn)速由1 800 r/min增加至2 000 r/min,材料摩擦和塑性變形加劇,變形溫度升高,變形速率增加,塑性金屬流動加劇,晶粒沿流動方向被拉長.由于動態(tài)再結(jié)晶是一個速度控制的過程,因此變形速度對新晶粒的尺寸具有重要影響.當(dāng)應(yīng)變速率升高時,變形過程中產(chǎn)生的位錯來不及抵消,使得位錯增多,導(dǎo)致晶粒細(xì)化[20].另一方面,在以摩擦為主要熱源的塞補(bǔ)焊過程中轉(zhuǎn)速增加會導(dǎo)致變形溫度升高.

一般而言,變形溫度越高,動態(tài)再結(jié)晶進(jìn)行得越充分,組織越均勻.但溫度升高導(dǎo)致晶界擴(kuò)散和晶界遷移能力增加,晶粒易長大而導(dǎo)致晶粒粗化.對于軸肩輔助加熱摩擦塞補(bǔ)焊接頭焊核區(qū)中心而言,由塞棒轉(zhuǎn)速增加所引起的變形速率變化不大,對晶粒尺寸產(chǎn)生影響的是塞棒轉(zhuǎn)速增加所導(dǎo)致的溫度升高而引起的動態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶加劇,使得晶粒產(chǎn)生粗化,導(dǎo)致晶粒尺寸略有增加.因此,隨塞棒轉(zhuǎn)速由1 800 r/min增加至2 000 r/min時,接頭焊核區(qū)晶粒由等軸晶轉(zhuǎn)變?yōu)榫€錘狀,平均晶粒尺寸略有增加.

2.2 晶界特征分析

在軸肩輔助加熱摩擦塞補(bǔ)焊過程中,與軸肩接觸部分材料及塞棒與塞孔接觸部分材料受摩擦、剪切與擠壓,具有軟取向因子的晶粒發(fā)生塑性變形,導(dǎo)致位錯密度升高,形成亞晶粒,如圖6所示.隨溫度持續(xù)升高,亞晶粒發(fā)生回復(fù)與再結(jié)晶.從圖7和圖8可以看出,當(dāng)塞棒轉(zhuǎn)速由1 800 r/min增加至2 000 r/min時,接頭焊核區(qū)小角度晶界組分稍有增加,大角度晶界組分略有降低.

圖6 不同塞棒轉(zhuǎn)速下焊核區(qū)KAM圖Fig.6 KAM figure of nugget zone at different rotational speeds of plug

圖7 晶粒間的取向差角分布Fig.7 Misorientation angle distribution of grains

圖8 不同轉(zhuǎn)速下大小角度晶界組分Fig.8 Grain boundary components at different rotational speeds

產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是軸肩輔助加熱摩擦塞補(bǔ)焊過程中,塞棒轉(zhuǎn)速增加摩擦溫度升高,接頭焊核區(qū)發(fā)生動態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶,通過形核新的晶粒,部分小角度晶界轉(zhuǎn)變成大角度晶界,使得大角度晶界組分有所增加[16].另一方面,由于動態(tài)再結(jié)晶是一個速度控制的過程,變形速度也會對新晶粒的形核造成影響[21-22].塞棒轉(zhuǎn)速越高變形速率越大,對新形核晶粒破碎作用越大,越不利于新晶粒形核.二者綜合作用的結(jié)果使得塞棒轉(zhuǎn)速由1 800 r/min升高至2 000 r/min時焊核區(qū)大角度晶界組分略有降低.

2.3 織構(gòu)分析

圖9 不同織構(gòu)對應(yīng)的晶粒色差及分布 Fig.9 Grain chromatic aberration and distribution of different textures

表2 不同塞棒轉(zhuǎn)速下接頭焊核區(qū)織構(gòu)及體積分?jǐn)?shù)Tab.2 Texture and volume fraction of welded joint nugget zone at different plug rotational speeds

3 結(jié)論

采用摩擦輔助加熱的方法對6082鋁合金匙孔類體積型缺陷進(jìn)行摩擦塞補(bǔ)焊,獲得了成形良好的塞補(bǔ)焊接頭.運(yùn)用Channel5軟件對1 800 r/min和2 000 r/min兩種塞棒轉(zhuǎn)速下接頭焊核區(qū)晶粒形貌、晶界特征和織構(gòu)組分進(jìn)行了分析,得出如下結(jié)論：

1) 6082鋁合金軸肩輔助加熱摩擦塞補(bǔ)焊接頭焊核區(qū)晶粒細(xì)化顯著,存在明顯擇優(yōu)取向.當(dāng)塞棒轉(zhuǎn)速由1 800 r/min增加至2 000 r/min時,平均晶粒尺寸增大,晶粒形狀由等軸晶轉(zhuǎn)變?yōu)榫€錘狀.

2) 塞棒轉(zhuǎn)速增加,摩擦溫度升高,有利于動態(tài)回復(fù)和再結(jié)晶發(fā)生,而高轉(zhuǎn)速導(dǎo)致的變形速度增加使得新晶粒形核率降低,二者綜合作用的結(jié)果使得塞棒轉(zhuǎn)速由1 800 r/min增加至2 000 r/min時焊核區(qū)大角度晶界組分略有降低.

4) 在軸肩輔助加熱摩擦塞補(bǔ)焊接頭焊核區(qū),轉(zhuǎn)速由1 800 r/min增加至2 000 r/min時,塞棒轉(zhuǎn)速增加引起的對變形速率的影響在降低,相應(yīng)地由轉(zhuǎn)速增加所導(dǎo)致的變形溫度升高對再結(jié)晶所產(chǎn)生的影響被強(qiáng)化.