亓海全， 秦翔智， 孫延煥， 呂遠(yuǎn)， 吳順意， 阮仁成

（1.桂林理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.廣西平果博導(dǎo)鋁鎂線纜有限公司，廣西 桂林531400）

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展對(duì)節(jié)能、減排等環(huán)保要求的不斷提高，結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)在高速列車、汽車、船舶、航空航天等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域得到越來越多的應(yīng)用.采用鋁合金等高性能輕質(zhì)材料是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化的有效途徑[1-2].我國(guó)制造業(yè)急需解決的問題是產(chǎn)品的使用壽命和可靠性，然而對(duì)材料和結(jié)構(gòu)損害最大的缺陷是裂紋.裂紋是材料最常見的最終失效形式之一，其特點(diǎn)一般是多發(fā)性、無規(guī)律性，必須在裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展前對(duì)裂紋進(jìn)行有效修復(fù)．但是，至今對(duì)金屬裂紋的控制和修復(fù)技術(shù)還遠(yuǎn)沒有達(dá)到理想狀態(tài)[3].最近幾年，國(guó)外一些研究機(jī)構(gòu)已對(duì)鋁合金T型接頭開展了基礎(chǔ)性的研究并取得了初步的成果.BUFFA[4]等對(duì)攪拌摩擦焊T型接頭中的金屬流動(dòng)、溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)及殘余應(yīng)力分布等進(jìn)行了探討.6061-T4鋁合金屬于可熱處理強(qiáng)化鋁合金，具有中等強(qiáng)度、良好的塑韌性、耐腐蝕性和擠壓性等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、航海以及軌道車輛等領(lǐng)域被廣泛使用.鋁合金的傳統(tǒng)焊接存在易產(chǎn)生焊接裂紋和氣孔、焊接變形大、焊縫力學(xué)性能不高等問題，大厚度焊接則更加困難[5].關(guān)于裂紋修復(fù)與愈合的研究主要集中于陶瓷、混凝土與玻璃等脆性材料，一些復(fù)合材料與聚合物也已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)裂紋的自我修復(fù).在某些大型鍛件生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間保溫后，其中部分孔隙性缺陷可以實(shí)現(xiàn)自修復(fù)，但僅局限于微觀尺度的缺陷，而金屬材料一旦出現(xiàn)宏觀尺度的裂紋，往往是無法自動(dòng)修復(fù)的[6].攪拌摩擦焊[7-13]（Friction Stir Welding,簡(jiǎn)稱 FSW）是由英國(guó)焊接研究所 （The Welding Institute,簡(jiǎn)稱 TWI）于1991年提出的一種固態(tài)連接方法.與傳統(tǒng)的熔化焊接方法相比較[14-15],攪拌摩擦焊具有晶粒細(xì)小,疲勞性能、拉伸性能和彎曲性能良好[16]、無塵煙、無氣孔、無飛濺、節(jié)能、無需焊絲、焊接時(shí)不需使用保護(hù)氣體、焊接后殘余應(yīng)力和變形小等優(yōu)點(diǎn)，引起了各國(guó)學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)的廣泛重視,成為國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)[17-21].

采用攪拌摩擦的方法對(duì)裂紋進(jìn)行修復(fù)，在較優(yōu)的工藝參數(shù)下，探究經(jīng)FSW修復(fù)的6061-T4合金的2種裂紋（表面裂紋和貫穿裂紋）組織和性能.

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試樣制備與裂紋修復(fù)

攪拌摩擦修復(fù)裂紋示意圖如圖1所示[6]，修復(fù)試驗(yàn)材料為6061-T4鋁合金軋制板，尺寸為200 mm×110 mm×3 mm，化學(xué)成分如表1所列.沿板材中心用線切割預(yù)制裂紋，然后用砂紙打磨裂紋附近的氧化膜，再用丙酮去除加工殘留的油污，最后用酒精清洗吹干.裂紋分為2種：①裂紋寬度×厚度約為0.5 mm×1.5 mm的表面裂紋，這里我們選取一個(gè)適中的裂紋厚度；②裂紋寬度×厚度約為0.5 mm×3 mm的貫穿裂紋.采用帶直徑為3 mm，長(zhǎng)度為2.8 mm的攪拌針的攪拌頭進(jìn)行裂紋修復(fù).焊機(jī)采用一重集團(tuán)SXT-010龍門移動(dòng)式攪拌摩擦焊機(jī)進(jìn)行焊接，進(jìn)行多次試驗(yàn)，表面裂紋在v=100 mm/min、ω=400 r/min、 貫穿裂紋在v=100 mm/min、ω=1100 r/min修復(fù)工藝參數(shù)下性能較優(yōu)，焊接工藝參數(shù)見表2.

圖1 攪拌摩擦修復(fù)裂紋示意Fig.1 Diagram of friction stir repair crack

表1 6061-T4鋁合金化學(xué)成分 /（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 1 Chemical composition of 6061-T4 aluminum Alloy/（massfraction，%）

表2 焊接工藝參數(shù)Table 2 Welding process parameters

1.2 接頭的組織和力學(xué)性能測(cè)試

修復(fù)后按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 《GBT228-2002金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》和《GB/T2651-2008焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》切割拉伸試樣，試樣尺寸如圖2所示，所有試樣采用日本島津公司生產(chǎn)的萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行接頭靜力學(xué)性能測(cè)試，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中力學(xué)測(cè)試的拉伸速率設(shè)為3 mm/min，獲得失效載荷和失效位移.選取焊接接頭的橫截面制備金相試樣，利用凱勒試劑對(duì)試樣進(jìn)行腐蝕處理，在金相顯微鏡下觀察不同位置的顯微組織.選取斷口試樣，采用S-3400N-II/EDAX Genesis型號(hào)的掃描電子顯微鏡觀察斷口形貌.用自動(dòng)維氏硬度測(cè)量?jī)x測(cè)量接頭橫截面微觀硬度，其中測(cè)試載荷1.0 kgf，保荷時(shí)間10 s.

圖2 拉伸試樣尺寸Fig.2 Size of tensile specimen

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)性能

由圖3母材和不同裂紋修復(fù)后力學(xué)性能的對(duì)比可知，6061-T4母材的抗拉強(qiáng)是245.4 MPa，表面裂紋修復(fù)和貫穿裂紋修復(fù)后試樣抗拉強(qiáng)度基本相同，分別是191.3 MPa，191.2 MPa，能達(dá)到母材強(qiáng)度的78.0%.其次，6061-T4母材的伸長(zhǎng)率是18.2%，表面裂紋修復(fù)試樣的伸長(zhǎng)率為16.1%，貫穿裂紋修復(fù)試樣伸長(zhǎng)率為14.2%，都較母材低，貫穿裂紋較表面裂紋的伸長(zhǎng)率低.通過圖4拉伸試樣的斷后宏觀形貌，可以看到，母材的塑性最好，是在發(fā)生明顯的頸縮后斷裂的.貫穿裂紋修復(fù)試樣的斷裂位置不在焊核區(qū)，而是在偏離焊縫區(qū)的熱影響區(qū)和熱機(jī)影響區(qū)域里，這是因?yàn)樨灤┝鸭y較深，在較高的轉(zhuǎn)速下，大量的材料被拉剪攪拌，融合填充到裂縫里，導(dǎo)致焊縫周邊區(qū)域材料減薄，因此試樣的伸長(zhǎng)率較低，同時(shí)焊縫里的晶粒被細(xì)化，這部分區(qū)域的力學(xué)性能更優(yōu)，因此斷裂未在焊核區(qū)產(chǎn)生.而表面裂紋修復(fù)試樣的斷裂位置出現(xiàn)在焊核區(qū)，這是由于在較低的轉(zhuǎn)速下，晶粒被細(xì)化的程度較小，同時(shí)存在裂紋區(qū)域材料填充不充分的可能性，導(dǎo)致焊核區(qū)發(fā)生斷裂，其次表面裂紋較淺，所需填充的材料較少，因此表面裂紋修復(fù)試樣的伸長(zhǎng)率較高.

圖3 母材和不同裂紋修復(fù)件力學(xué)性能Fig.3 Mechanical properties of base metal and different crack repair parts

圖4 拉伸試樣斷后宏觀形貌Fig.4 Macroscopic morphology of tensile specimen after fracture

圖5 裂紋修復(fù)的顯微硬度分布Fig.5 Microhardness distribution of crack repair

從圖5中以看出，修復(fù)區(qū)硬度呈現(xiàn)“W”型分布，顯微硬度在各個(gè)微觀組織區(qū)域的分布是不均勻的，沿修復(fù)中心呈不對(duì)稱分布.兩側(cè)母材的硬度最高，在熱影響區(qū)硬度下降，并且達(dá)到最低，之后呈上升趨勢(shì)，在焊核處上升至最高.修復(fù)之后的硬度普遍小于母材，這是因?yàn)樵谛迯?fù)的過程中組織發(fā)生了軟化現(xiàn)象，導(dǎo)致硬度低于母材.而熱影響區(qū)不受機(jī)械攪拌作用，修復(fù)后有一定的殘余應(yīng)力，導(dǎo)致硬度顯著降低，形成修復(fù)區(qū)域最薄弱的部分.焊核區(qū)的硬度升高是因?yàn)椴牧显谛迯?fù)的過程中晶粒被不斷地?cái)囁楹屠?，焊核區(qū)發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的程度高，晶粒更加細(xì)小，因此強(qiáng)度有所提高.

對(duì)比圖5中的圖5（a）和圖5（b）可以看到表面裂紋修復(fù)試樣軟化區(qū)硬度值基本上大于貫穿裂紋修復(fù)試樣.因?yàn)閷?duì)于不同的裂紋類型采用了不同工藝參數(shù)進(jìn)行修復(fù)，貫穿裂紋采用了高轉(zhuǎn)速修復(fù)，這就導(dǎo)致熱輸入量過大造成鋁合金軟化比表面裂紋修復(fù)區(qū)嚴(yán)重.但是貫穿裂紋修復(fù)試樣焊核區(qū)硬度表面裂紋高，這是因?yàn)樵诟咿D(zhuǎn)速下，焊核區(qū)在熱、力共同作用下晶粒碎細(xì)小化同時(shí)發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶機(jī)會(huì)比低轉(zhuǎn)速的要大.

2.2 微觀組織與宏觀形貌分析

攪拌摩擦裂紋修復(fù)接頭不同位置的金相組織如圖6所示.

圖6 修復(fù)區(qū)顯微組織Fig.6 Microstructure of repair zone

可以看出，母材（BM）是典型的軋制組織，黑色的第2相在白色基體(α－Al)呈帶狀彌散分布[22].焊核區(qū)（HCZ）出現(xiàn)了細(xì)小的等軸晶粒，這是因?yàn)樵贔SW過程中該區(qū)域受到攪拌頭強(qiáng)烈的攪拌作用使得晶粒被撕扯和擠壓，并且焊核區(qū)產(chǎn)生大量的摩擦熱使其溫度達(dá)到再結(jié)晶溫度以上，因此在焊核區(qū)發(fā)生了再結(jié)晶，從而得到細(xì)小的等軸晶粒.熱機(jī)影響區(qū)（TMAZ）的晶粒被拉長(zhǎng)且具有一定的擇優(yōu)取向，這是由于該區(qū)域發(fā)生了組織畸變，但沒有焊核區(qū)組織變化的那么劇烈，僅發(fā)生了不同程度的塑性變形和部分再結(jié)晶.熱影響區(qū)（HAZ）的組織與母材（BM）相似，但其晶粒比母材晶粒粗大，這是因?yàn)樵搮^(qū)域沒有受到機(jī)械攪拌，僅在摩擦熱循環(huán)的作用下發(fā)生了晶粒長(zhǎng)大.

圖7所示為是FSW修復(fù)2種裂紋表面的外觀形貌，可以看出利用攪拌摩擦修復(fù)裂紋可以得到較為整潔的外觀，無明顯的宏觀缺陷.表面裂紋修復(fù)（圖7（a））后表面存在少量飛邊，這是考慮到裂紋較淺，低轉(zhuǎn)速可以很好修復(fù)裂紋并且能減少熱輸入使接頭性能更好.貫穿裂紋修復(fù)（圖7（b））后的裂紋得到完全修復(fù)，在高轉(zhuǎn)速的情況下，熱輸入量較大有利于金屬的流動(dòng)，能夠充分填充裂紋區(qū)域，得到表面光潔，成型美觀的焊縫.

2.3 拉伸試驗(yàn)斷口的SEM及分析

圖8所示為攪拌摩擦修復(fù)裂紋和母材拉伸試樣的斷口形貌.可見，斷口形貌上有大量的等軸型韌窩，是典型的韌性斷裂的特征.其中母材斷口形貌（圖8（a））出現(xiàn)的韌窩較深較多，說明母材的塑性較好.攪拌摩擦修復(fù)裂紋試樣斷口形貌的韌窩較少，塑性與母材相比較差.而貫穿修復(fù)裂紋 （圖8（b））斷口的韌窩明顯多于表面修復(fù)裂紋（圖8（c）），韌窩大且深.

圖7 裂紋表面的外觀形貌Fig.7 Appearance of crack surface

圖8 拉伸試樣斷口形貌Fig.8 Fracture morphology of base metal

3 結(jié) 論

1）通過FSW方法，在較優(yōu)的修復(fù)工藝參數(shù)下，可以有效的將2種裂紋進(jìn)行修復(fù)，其中貫穿裂紋在較高的轉(zhuǎn)速下，得到完美工整的修復(fù)面，而表面裂紋由于轉(zhuǎn)速較低，所以修復(fù)面存有飛邊，但是并不影響他的修復(fù)性能.

2）裂紋修復(fù)后的強(qiáng)度達(dá)到母材強(qiáng)度的78%，截面硬度曲線基本程“W”形.在較優(yōu)修復(fù)工藝參數(shù)下，表面裂紋試樣的伸長(zhǎng)率為16.1%、貫穿裂紋試樣伸長(zhǎng)率為14.2%，為韌性斷裂.

3）裂紋經(jīng)FSW修復(fù)后焊核區(qū)受熱較高，變形晶粒在FSW過程中發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，從而得到非常細(xì)小的等軸晶粒，也因此提高了該區(qū)域的力學(xué)性能.