搅拌摩擦焊对SA02铝合金微观组织及硬度的影响

 王  丽1，谢  非2，张  书1

（1．中山职业技术学院机电工程学院，广东中山528404，2．广东明阳风电产业集团有限公司，广东中山528400）

摘要：通过对10 mm厚的SA02铝合金板搅拌摩擦焊焊缝的宏观组织、微观组织及显微硬度的观察和分析，进一步明确搅拌摩擦焊接过程中的温度分布和热循环对焊缝组织特点及硬度分布的影响规律，对优化焊接工艺，减小焊接中的变形及焊后残余应力，控制焊缝接头的组织和性能，提高焊接质量，具有重要的实用价值。

关键词：搅拌摩擦焊；铝合金；微观组织；硬度

中图分类号：TC457.14 文章编号：1007 - 7235（2016）03 - 0060 - 05

 搅拌摩擦焊（Friction stir welding，FSW）是一种新型固相连接技术。搅拌摩擦焊的原理如图1所示。它是利用一种耐高温硬质材料制成一定形状的搅拌头，旋转着插入被焊零件，然后沿着被焊零件的焊缝中心线向前移动，通过对材料的搅拌、摩擦，使待焊材料加热至热塑性状态，在搅拌头高速旋转并向前移动的过程中，处于塑性状态的材料环绕搅拌头由前向后流动，形成塑性金属流，同时结合搅拌头对焊缝金属的挤压，在热一机械联合作用下材料扩散连接形成致密的金属间同相连接。

 在整个焊接过程中，搅拌针周围的材料一直处于热塑性状态而没有熔化。因此，利用搅拌摩擦焊不仅能够实现用常规熔焊技术难以焊接的高强铝合金、铜、镁、钛等合金的连接，避免了熔化焊中出现的焊接缺陷，而且其优良的焊接性能受到了国内外研究者的广泛关注。

1  焊缝接头宏观组织分布特点

 将被焊工件截取焊缝接头横截面进行粗磨、细磨、抛光制成金相试样，用Keller试剂(盐酸3 m L，硝酸20 m L，氢氟酸2 m L(48%)，水175 m L)腐蚀50 s后，在XJP-200光学显微镜下观察焊缝横截面上的组织形貌。

 图2所示为焊缝接头横截面宏观组织，焊缝接头分为焊核区( Weld nugget)、热力影响区(Thermal-mechanical affected zone，TMAZ)和热影响区(Heat af-fected zone，HAZ)。而组织结构的变化与金属材料经历的焊接热循环关系密切。整个焊缝呈现“花瓶”状，底部有一个“鼓形”区域，这是由于焊缝底部靠近垫板的金属受搅拌针的搅拌作用不很明显，只是受到搅拌针端面的摩擦挤压作用，但由于摩擦温度升高较慢，温度相对较低；同时由于受到搅拌针端面的挤压作用而向外向上流动，但它流动的距离不会太远，从而呈现“鼓形”。

1.1  焊核区“洋葱”圆环结构的形成

 图3a所示为焊核区“洋葱”圆环(onion ring)宏观结构，呈现并不对称的扁平椭圆形“洋葱”环状结构，这些明暗相间的圆环带是由于搅拌过程中引起的粒子富集区和粒子贫乏区交替出现的结果，而粒子富集区在腐蚀后宏观上显示为暗区，而粒子贫乏区较亮。图3b和c分别为前进侧和返回侧热力影响区，其宏观结构特征表现为较高的塑性变形流线带，这是由于搅拌头的搅拌作用使得焊核区周围的母材纤维状组织产生明显的塑性变形。

 图3a中左侧为搅拌头前进侧，右侧为返回侧，且右高左低。显然，返回侧与前进侧相对于焊核的( weld nugget)中心并不对称。返回侧焊核区与热力影响区有很明显的分界线，且返回侧洋葱环状结构较明显，同心环数目也比前进侧的多，这与FSW塑性金属流场关于焊缝中心并不对称，焊缝金属在前进侧和返回侧流动模式并不相同是相吻合的，也说明了在厚度方向上塑性金属流动情况是不相同的，而造成流动不对称的原因是前进侧与返回侧的温度场关于焊缝中心并不对称，即返回侧温度高于前进侧温度，这是因为塑性材料在搅拌头的旋

转、挤压作用下从前进侧流动到返回侧，同时也将前进侧一部分热量随着塑性金属转移到返回侧，从而使得返回侧的温度稍高于前进侧的。由于返回侧温度高，塑性金属软化程度高，其流动性能比前进侧好，因此返回侧的“洋葱环”结构要比前进侧的明显，且同心环数目也较多。与此同时，由于前进侧搅拌针端部区域附近热量不足，所以前进侧的底部热影响区容易出现隧道形缺陷。

 “洋葱”圆环环间距从焊核中心向两侧逐渐减小，这是因为靠近搅拌针部位的金属温度高，软化程度高，软化层相对厚；相反，距离搅拌针越远的部位的软化层温度低，软化程度低，层间距相对小。在温度场、应力场及搅拌的作用下，搅拌头横截面厚度方向上塑性金属的流动并不一致，由于搅拌头轴肩压力及摩擦作用，在搅拌针中心靠近轴肩部位的软化层材料受到的摩擦热大于搅拌针下部所受到的摩擦热，同时受到轴肩的压力影响较大，呈现层与层不规则的混合，故无明显的“洋葱”环出现。图3所示的洋葱环不对称结构同时说明搅拌针后方半径两侧的塑性材料不是沿同一个方向流动的，而是大体以搅拌针为中心偏向前进侧向两个相反的方向流动。

1.2焊缝区微观组织特点及形成

 图4为焊缝接头各区组织放大图。图4a是母材的微观组织，呈明显方向性的板条状组织，这是由于轧制过程中的变形引起的。晶粒的长度可达到几百微米，厚度约20 μm～50μm。由图4a可以看出焊核区( Weld Nugget)组织为非常均匀细小的等轴再结晶，晶粒大小约2 μm～5μm，这是因为FSW搅拌头高速旋转并以一定的速度向前移动，使得被焊工件经历了较高温度的热循环，由测温数据可知焊核区达到了再结晶温度（0.6Tm），且加热速度快，并伴随有强烈的搅拌作用，在热与力的共同作用下，焊核区金属发生强烈的塑性变形和流动，相互搅拌和混合，相互扩散和渗透，在高温和大变形程度、大变形速度条件下，发生再结晶的晶粒来不及长大就在搅拌针的作用下发生破碎，形成等轴、细小的晶粒；同时，由于变形晶粒中的位错密度急剧增大，并形成许多作为再结晶核心的胞状亚结构，进而通过这些再结晶晶核直接形成新的再结晶晶粒。在热输入量适当时，热力影响区( TMAZ)的组织在焊接过程中同时经受搅拌针的机械搅拌和焊接热循环的双重作用，但是由于在位置上，接近焊核区的小部分区域在搅拌头的剧烈搅拌作用引起的塑态铝的粘附作用下，发生了局部破碎和粘附长大现象，而其他区域由于距离搅拌针较远，受到搅拌针作用远小于焊核区组织，且金属黏度较低，易于流动、成形，所以搅拌针在高速旋转时该区易出现被拉长或弯曲变形的组织，因此，局部区域在热循环的作用下发生回复反应，在板条状组织内形成了回复晶粒组织。并且在弯曲拉长的晶粒内部开始有新的晶粒形成，且越靠近焊核区越明显。这表明，热力影响区经历了回复和部分再结晶过程，然而其再结晶晶粒较焊核区的大，如图4c所示。

 热力影响区以外为热影响区( HAZ)，热影Ⅱ向区晶粒为典型的受热长大组织，如图4d所示，该区主要是受热影响，受机械作用很小，所以畸变能很低。由于铝及其合金的层错能高，变形时扩展位错的宽度窄，位错交滑移和攀移容易进行，而使异号位错相互抵消，位错密度下降，畸变能易降低。所以此处不会发生动态再结晶，而是发生动态回复，所以在焊缝缓慢冷却的过程中组织仍会沿变形方向长大，而其亚晶粒仍保持等轴状。

2  焊缝接头硬度分布特点

 接头的微观组织决定接头的力学性能，而接头各区在组织上的差异又会在硬度上反映出来。图5a~c分别为距离焊缝上表面不同深度即2 mm、5mm、8 mm处的维氏硬度分布，其中左侧为搅拌摩擦焊焊缝的前进侧，右侧为搅拌摩擦焊焊缝的返回侧。

 Yutaka S．Sato等根据Hall-Petch公式，金属材料的屈服强度（Rp0.2）与晶粒尺寸有关，即

 屈服强度随晶粒尺寸的减小而增加。没有机械硬化时，材料的硬度( HV)与屈服强度成正比

 所以，没有机械硬化时，材料的硬度公式可以表示为

 图5分别为距焊接表面不同深度处接头的显微硬度分布。从图中可以看出，同一焊缝的不同部位的微观硬度值有所不同。实际上，FSW接头的这种非均匀性是焊缝不同部位所受的热力学行为不同引起的，根据前面试验中对宏观组织和微观组织的观察及分析，由于焊缝顶部同时受到搅拌针和轴肩的摩擦、搅拌作用，焊核区晶粒非常均匀细小，所以硬度较高且分布近似为均值，符合硬度公式(3)；而在热力影响区，焊接热循环及应力应变导致其组织晶粒大小极不均匀，从而导致硬度值下降；而热影响区的晶粒为受热长大组织，硬度逐步降低，所以形成由焊缝中心向两侧，硬度值逐渐减小的分布（如图5a所示）。然而在焊缝的中部和下部，金属只受到搅拌针圆周面的摩擦剪切作用，所以其热量的输入较上部要小，同时由于焊核区“洋葱”圆环的形成，产生粒子的富集区和贫乏区，其组织呈带状（如图3a所示），从而使焊核区整体硬度偏低，而硬度的最高值出现在热力影响区，这是因为搅拌头在旋转时，最快的线速度出现在轴肩或搅拌针圆周的边缘处，所以在热力影响区和热影响区，由于温度和应力应变的共同作用，一方面材料发生的软化程度超过了硬化程度，焊缝金属经历了动态回复或动态再结晶，根据晶粒尺寸与硬度的关系(见公式(3))，动态回复或动态再结晶使晶粒得到细化，从而有助于提高焊缝的硬度值；另一方面由于热和力的作用可能使弥散分布的细小强化相发生了丛聚，使硬度升高，如图5b和图5c所示。

 总体而言，焊缝区的硬度较母材的硬度有很大提高，这意味着接头在搅拌摩擦焊接过程中得到了强化。

3  结论

 对SA02铝合金搅拌摩擦焊后焊缝接头的宏观组织、微观组织特点及硬度分布进行分析，得出如下结论：

 1)整个焊缝接头横截面的组织分布呈现“花瓶”状，底部出现“鼓”形区域，这与材料的流动状况有关，但这对焊缝的温度分布不会产生显著的影响。

 2)焊核区呈现不对称的扁平椭圆形“洋葱”圆环( onion ring)状结构，返回侧与前进侧相对于焊核中心并不对称，返回侧洋葱环状结构较明显，且同心环的数目比前进侧同心环多；“洋葱”圆环环间距从焊核中心向两侧逐渐减小。

 3)焊核区( Weld nugget)组织为均匀细小的等轴再结晶晶粒，热力影响区( TMAZ)为拉长晶粒和等轴再结晶晶粒的混合，热影响区( HAZ)为典型受热长大组织。

 4)焊接接头不同部位的硬度分布有所不同，在焊缝顶部，焊核区的硬度较高，从中心向两侧逐渐降低。焊缝中部和底部，焊核区的硬度较低，然后从中心向两侧硬度值先增加后降低，最后达到母材的硬度水平。