李德福,王希靖

(1.蘭州理工大學 省部共建有色金屬先進加工與再利用國家重點實驗室,甘肅 蘭州 730050;2.蘭州理工大學 材料科學與工程學院,甘肅 蘭州 730050;3.蘭州交通大學 鐵道技術(shù)學院,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),適應于鋁合金等輕質(zhì)材料焊接.焊后殘余應力小、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行機加工的方法消除“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,故對設備要求也高.在填充式攪拌摩擦焊匙孔修復技術(shù)基礎上[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[7],獲得了成形良好的摩擦塞補焊接頭,接頭性能理想.而在摩擦塞補焊過程中,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理仍不清楚.

在摩擦塞補焊研究領域,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)生回復和再結(jié)晶,晶粒被細化,材料顯微硬度與母材相當.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鋁鋰合金進行摩擦塞焊試驗,分析了焊接接頭力學性能.劉凱旋等[12]對 2219-T87鋁合金攪拌摩擦焊縫進行摩擦塞補焊工藝試驗,對塞補焊接頭的焊縫成形、顯微組織、顯微硬度和抗拉強度進行了測試,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焊接頭；結(jié)合面是最薄弱的區(qū)域,塞補焊接頭最大抗拉強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長晶粒,顯微硬度值與母材相當.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)),導致NZ的硬度恢復.動態(tài)再結(jié)晶使焊核區(qū)晶粒細化,并且平均晶粒尺寸隨焊接速度的增加而減小.

可以看出,當前對于摩擦塞補焊的研究還僅限于工藝參數(shù)對接頭顯微組織、力學性能的影響等方面,對于摩擦塞補焊接頭焊核區(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),晶粒細化強化是主要機制,隨著轉(zhuǎn)速增加,晶粒細化強化作用減弱.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),超聲促進了等軸晶的形核速率和生長速率,增強了晶界位錯運動和晶界自擴散,促進了晶界的滑動和遷移,導致接頭NZ中等軸晶的生長速率增大.

采用軸肩輔助加熱的方法進行6082鋁合金摩擦塞補焊接方法,與攪拌摩擦焊、外加能場攪拌摩擦焊和摩擦塞補焊工藝及過程均存在差異.由于摩擦塞補焊塞棒為可消耗式材料,塞補焊過程中熱力耦合作用對塑性材料影響機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焊接頭焊核區(qū)成形機理具有重要意義.

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焊原理如圖1所示,塞棒相對于軸肩可以進行軸向移動.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)熱并對塞孔進行預加熱.預加熱完成后塞棒沿軸向進給,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、預熱時間、塞棒頂鍛力、頂鍛時間、塞棒與塞孔配合關系、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焊過程中,受軸肩與母材摩擦產(chǎn)熱預加熱作用影響,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.當應變速率升高時,變形過程中產(chǎn)生的位錯來不及抵消,使得位錯增多,導致晶粒細化[20].另一方面,在以摩擦為主要熱源的塞補焊過程中轉(zhuǎn)速增加會導致變形溫度升高.

一般而言,變形溫度越高,動態(tài)再結(jié)晶進行得越充分,組織越均勻.但溫度升高導致晶界擴散和晶界遷移能力增加,晶粒易長大而導致晶粒粗化.對于軸肩輔助加熱摩擦塞補焊接頭焊核區(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)速增加所導致的溫度升高而引起的動態(tài)回復和再結(jié)晶加劇,使得晶粒產(chǎn)生粗化,導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)生回復與再結(jié)晶.從圖7和圖8可以看出,當塞棒轉(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)及體積分數(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行摩擦塞補焊,獲得了成形良好的塞補焊接頭.運用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焊接頭焊核區(qū)晶粒細化顯著,存在明顯擇優(yōu)取向.當塞棒轉(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)回復和再結(jié)晶發(fā)生,而高轉(zhuǎn)速導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,相應地由轉(zhuǎn)速增加所導致的變形溫度升高對再結(jié)晶所產(chǎn)生的影響被強化.