摘 要:從接頭低倍形貌、各區(qū)域微觀組織特征以及缺陷特征３個方面對鋁合金攪拌摩擦焊接頭的金相表征進(jìn)行了介紹和總結(jié).結(jié)果表明:接頭低倍形貌有河床型、鼓型以及壺嘴型等３種;接頭各區(qū)域微觀特征可從再結(jié)晶和第二相分布兩個方面進(jìn)行分析;洋蔥環(huán)缺陷實質(zhì)是大小不等的再結(jié)晶晶粒或數(shù)量不同的彌散析出相質(zhì)點交替分布而形成的;Z型線缺陷是原始界面上氧化膜彌散分布而形成的;吻接缺陷和鉤狀缺陷是一種假性連接缺陷;孔洞和隧道型缺陷主要是由焊接過程中熱輸入量不夠而導(dǎo)致的.
關(guān)鍵詞:攪拌摩擦焊;鋁合金;金相表征;低倍形貌;微觀組織;缺陷
中圖分類號:TG４４ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１８)０６Ｇ０４３１Ｇ０７
MetallographicCharacterizationonMicrostructureandDefectsofAluminumAlloyFrictionStirWeldingJoints
GUOHaixia(LuoyangShipMaterialResearchInstitute,Luoyang４７１０２３,China)
Abstract:Themetallographiccharacterizationofaluminumalloyfrictionstirweldingjointswasintroducedandsummarizedfromthreeaspects:jointlow magnificationmorphology,microstructurecharacteristicsofvariousregions,anddefectcharacteristics．Theresultsshowthattherewerethreekindsofmacromorphology,includingriverbedstyle,drumstyleandkettlemouthstyle．Themicroscopiccharacteristicsofthejointscouldbeanalyzedfromtwoaspectsofrecrystallizationandsecondphasedistribution．TheessenceofonionＧringdefect wasthealternatedistributionofunequalsizerecrystallizedgrainsordifferentnumberofdispersephaseparticles．TheZＧshapedlinedefectwasformedbythediffusedistributionoftheoxidefilmontheoriginalinterface．ThekissingＧbonddefectandthehookＧshapeddefectwerepseudoconnectiondefects．Theholedefectandtunnelshapeddefectweremainlycausedbytheinsufficientheatinputduringtheweldingprocess．
Keywords:frictionstir welding;aluminum alloy;metallographiccharacterization;macro morphology;
microstructure;defect
攪拌摩擦焊是英國焊接研究所于１９９１年發(fā)明的一種新型固相連接技術(shù),焊接最高溫度不超過材料熔點,材料只達(dá)到塑性化狀態(tài),可避免傳統(tǒng)熔化焊容易出現(xiàn)的氣孔和熱裂紋等缺陷,非常適用于低熔點有色金屬如鋁合金、鎂合金等的焊接.材料宏觀上的力學(xué)性能是由材料的微觀組織結(jié)構(gòu)決定的,因此透徹地分析和研究攪拌摩擦焊接頭的微觀組織及缺陷的情況,可以有針對性地改善工藝,有效地提高攪拌摩擦焊接頭的宏觀性能.
筆者主要從接頭低倍形貌、各區(qū)域微觀組織特征以及缺陷特征３個方面對鋁合金攪拌摩擦焊接頭的金相表征方法進(jìn)行了介紹,以供相關(guān)人員參考.
１ 焊接接頭低倍形貌的金相表征
攪拌摩擦焊的焊接工藝參數(shù)主要包括攪拌頭外形輪廓、焊接壓力、焊接速度、焊接轉(zhuǎn)速等.焊接工藝參數(shù)的不同會形成不同的焊接接頭低倍形貌.焊接接頭低倍形貌主要有上寬下窄的河床型、上下寬度相近的鼓型以及上尖下圓的壺嘴型３種,見圖１.
一般來講,焊接速度一定,焊接轉(zhuǎn)速低,形成河床型;轉(zhuǎn)速增加,形成鼓型.這是因為焊接轉(zhuǎn)速低,焊接熱輸入量低,焊接接頭上部受軸肩影響面積較大,焊接接頭下部受攪拌針影響面積較小,從而形成上寬下窄的河床型;轉(zhuǎn)速增加,焊接熱輸入量也增加,受攪拌針影響的面積增大,因此形成上下寬度相近的鼓型[１].MA 等[２]的研究表明了同樣的規(guī)律:在低焊接轉(zhuǎn)速下,焊核區(qū)為盆狀(即河床型),隨著焊接轉(zhuǎn)速的提高,焊核區(qū)變成橢圓形(即鼓型).壺嘴型低倍形貌的形成,是各種參數(shù)綜合作用的結(jié)果,它是軸肩攪拌區(qū)和攪拌針攪拌區(qū)這兩個區(qū)域差別比較明顯時形成的一種低倍形貌.２ 焊接接頭各區(qū)域微觀組織的金相表征鋁合金攪拌摩擦焊接頭可以劃分為不同的區(qū)域,各區(qū)域微觀組織具有不同的特征,具體表現(xiàn)為再結(jié)晶情況的不同以及第二相分布情況的不同.
２．１ 攪拌摩擦焊接頭區(qū)域劃分
攪拌摩擦焊接頭主要分為:焊核區(qū)(NZ)、熱機(jī)影響區(qū)(TMAZ)、熱影響(HAZ)和母材(BM)共４大區(qū)域[３].焊核區(qū)被充分?jǐn)嚢璨⑺苄曰?受到強(qiáng)烈的力和熱的作用,熱機(jī)影響區(qū)受到的力和熱的作用次于焊核區(qū),熱影響區(qū)僅受到熱的作用,母材則不受任何熱和力的作用.焊核區(qū)又可細(xì)分為:上部軸肩攪拌區(qū),主要受到軸肩的鍛壓作用;下部攪拌針攪拌區(qū),主要受到攪拌針的攪拌作用.
熱機(jī)影響區(qū)從圖２的左右方向上可分為:前進(jìn)側(cè)熱機(jī) 影 響 區(qū) (TMAZＧAS)和 后 退 側(cè) 熱 機(jī) 影 響 區(qū)(TMAZＧRS).所謂前進(jìn)側(cè)是指攪拌工具旋轉(zhuǎn)切線方向與焊接速度方向一致,而后退側(cè)則相反.
熱機(jī)影響區(qū)從圖２的上下方向上又分為:焊核軸肩攪拌區(qū)的熱機(jī)影響區(qū)和焊核攪拌針攪拌區(qū)的熱機(jī)影響區(qū).軸肩攪拌區(qū)的熱機(jī)影響區(qū)受到的熱和力的作用較大,與焊核界限不明顯;攪拌針攪拌區(qū)的熱機(jī)影響區(qū)受到的熱和力的作用較小,與焊核界限較明顯.低倍下各區(qū)域的部位標(biāo)識見圖２.
２．２ 各區(qū)域微觀組織再結(jié)晶情況的表征分析
７０２０ＧT６鋁合 金 母 材 晶 粒 呈 軋 制 的 拉 長 粗 晶粒,見圖３a).
焊核區(qū)在熱和力的作用下,原始粗晶粒被破碎成多邊形小晶粒,在熱的作用下,獲得足夠能量的破碎小晶粒將發(fā)生再結(jié)晶,形成光滑邊界的再結(jié)晶晶粒.整個焊核各處的溫度是不均勻的,溫度較高及持續(xù)時間較長區(qū)域的再結(jié)晶晶粒會發(fā)生長大;而溫度相對較低,能量不夠發(fā)生再結(jié)晶的區(qū)域,會殘留少量破碎后的多邊形小晶粒.因此,焊核區(qū)主要是細(xì)小再結(jié)晶晶粒,再結(jié)晶晶粒有些會發(fā)生長大,也會存在少量破碎的未發(fā)生再結(jié)晶的小晶粒.７０２０ＧT６鋁合金焊核區(qū)典型微觀組織形貌見圖３b),主要為細(xì)小等軸再結(jié)晶晶粒.熱機(jī)影響區(qū)的表征,首先要區(qū)分前進(jìn)側(cè)和后退側(cè):前進(jìn)側(cè)攪拌針攪拌區(qū)的熱機(jī)影響區(qū)與焊核區(qū)的分界線非常明顯;后退側(cè)兩者的分界線則相對模糊一些,存在較窄的過渡區(qū).這是因為在攪拌頭的旋轉(zhuǎn)摩擦作用下,前進(jìn)側(cè)熱塑性金屬幾乎即刻便被攪拌頭擠壓出去,該部分溫度冷卻快,因此焊核和熱機(jī)影響區(qū)的分界線明顯.后退側(cè)熱塑性金屬有一個流動過程,焊核和熱機(jī)影響區(qū)之間存在溫度過渡,因此分界線相對前進(jìn)側(cè)的不太明顯.前進(jìn)側(cè)軸肩攪拌區(qū)的熱機(jī)影響區(qū)由于受到軸肩、影響,能量較高,熱機(jī)影響區(qū)較寬,與焊核間呈過渡特征,界限不明顯,一般不作特征性的分析.重點分析前進(jìn)側(cè)攪拌針攪拌區(qū)的熱機(jī)影響區(qū)的再結(jié)晶情況,該區(qū)域原始粗晶粒在力的作用下明顯彎曲,部分長晶粒斷裂成幾段,在能量較高的部分晶界處發(fā)生了再結(jié)晶,形成了細(xì)小的再結(jié)晶晶粒.部分晶粒內(nèi)部發(fā)生了回復(fù),在大晶粒內(nèi)部形成了網(wǎng)絡(luò)狀的細(xì)小亞晶粒.７０２０ＧT６鋁合金攪拌摩擦焊接頭前進(jìn)側(cè)熱機(jī)影響區(qū)的典型形貌見圖３c),可見原始粗晶粒彎曲變形,部分晶界上可觀察到細(xì)小的再結(jié)晶晶粒,部分大晶粒內(nèi)部可觀察到亞晶.后退側(cè)的軸肩攪拌區(qū)熱機(jī)影響區(qū)與前進(jìn)側(cè)的一樣,也相對較寬,界限不明顯,一般不作特征性的分析.后退側(cè)攪拌針攪拌區(qū)熱機(jī)影響區(qū)與焊核界限相比前進(jìn)側(cè)的不甚明顯,呈較窄過渡特征.７０２０ＧT６鋁合金攪拌摩擦焊接頭后退側(cè)熱機(jī)影響區(qū)的典型形貌見圖３d),其再結(jié)晶特征可參考前進(jìn)側(cè)的.熱影響區(qū)只受到熱的作用,不發(fā)生晶粒變形.根據(jù)焊接工藝的不同,有時候晶粒會有所長大,部分晶粒內(nèi)部因回復(fù)而形成了細(xì)小的亞晶粒;有時候晶粒大小無變化,晶粒內(nèi)部也無明顯亞晶存在,其晶粒特征與母材的并無明顯不同.７０２０ＧT６鋁合金攪拌摩擦焊接頭熱影響區(qū)的典型形貌見圖３e),可見晶粒無變形,部分晶粒內(nèi)部可觀察到亞晶.
２．３ 各區(qū)域微觀組織中第二相的表征分析
６０６１ＧT６鋁合金母材顯微組織為α(Al)＋塊狀未溶或難溶相＋彌散第二相 Mg２Si,見圖４a).顆粒較大的塊狀未溶相或難溶相,對材料的強(qiáng)度不起明顯作用,而彌散第二相 Mg２Si是主要強(qiáng)化相.焊核區(qū)在力和熱的作用下,塊狀未溶或難溶相被破碎成較小顆粒狀;彌散第二相發(fā)生溶解,在后續(xù)冷卻過程中又再次析出,發(fā)生了“重固溶”[４].６０６１ＧT６鋁合金攪拌摩擦焊接頭焊核區(qū)典型的顯微組織
形貌見圖４b),為α(Al)＋破碎的較小未溶或難溶相＋重固溶后析出的彌散第二相.熱機(jī)影響區(qū)受到力和熱的作用較焊核區(qū)的要小,只有部分未溶或難溶相被破碎成細(xì)小顆粒,也只有部分彌散第二相發(fā)生了“重固溶”.６０６１ＧT６鋁合金攪拌摩擦焊接頭前進(jìn)側(cè)熱機(jī)影響區(qū)典型的顯微組織形貌見圖４c),為α(Al)＋部分原始塊狀未溶或難溶相＋部分破碎的較小未溶或難溶相＋彌散第二相(包括原始彌散第二相和重固溶后析出的彌散第二相),焊核與前進(jìn)側(cè)熱機(jī)影響區(qū)界限明顯.６０６１ＧT６鋁合金攪拌摩擦焊接頭后退側(cè)熱機(jī)影響區(qū)典型的顯微組織形貌見圖４d),即使減小放大倍數(shù),焊核與熱機(jī)影響區(qū)間的界限也不甚明顯,第二相特征參考前進(jìn)側(cè)的.熱影響區(qū)僅受到熱的作用,塊狀未溶或難溶相未發(fā)生任何變化,彌散第二相有些發(fā)生了聚集長大,即發(fā)生了“過時效”[４],導(dǎo)致材料軟化.６０６１ＧT６鋁合金攪拌摩擦焊接頭熱影響區(qū)典型的顯微組織形貌見圖４e),為α(Al)＋原始塊狀未溶或難溶相＋彌散第二相(包括原始彌散第二相和過時效長大的彌散第二相).
３ 焊接接頭缺陷的金相表征
３．１ 洋蔥環(huán)
洋蔥環(huán)是在焊核部位形成的形如洋蔥截面的環(huán)狀結(jié)構(gòu),其低倍形貌見圖５a).洋蔥環(huán)的實質(zhì)是攪拌針旋轉(zhuǎn)前進(jìn)時,帶動的軟化層與上一軟化層之間
相對移動、摩擦、疊加而產(chǎn)生的一種軌跡[５].其危害是為裂紋的擴(kuò)展提供了便利通道,同時也會降低材料的斷裂韌性[６].
洋蔥環(huán)在大部分試樣中清晰可見,而且在前進(jìn)側(cè)比后退側(cè)更明顯,低倍下的環(huán)狀結(jié)構(gòu)在高倍下的特征如下:有些是再結(jié)晶晶粒大小不等交替形成的,典型形貌見圖５b);有些是彌散相質(zhì)點析出數(shù)量不同交替形成的,典型形貌見圖５c).由于工藝和材料的不同,洋蔥環(huán)會在典型形貌基礎(chǔ)上發(fā)生一些改變,有些洋蔥環(huán)沿焊核縱向發(fā)散,呈平行特征,見圖５d).
３．２ Z型線缺陷
Z型線缺陷是由焊接工藝與攪拌工具的特征所決定的,原始界面上的氧化膜或雜質(zhì)等只能分散到焊縫金屬中,當(dāng)攪拌工具焊接速度和旋轉(zhuǎn)速度不合適時,氧化膜破碎分散不充分,將彌散分布成 Z 型或S型的線缺陷,產(chǎn)生一種結(jié)合強(qiáng)度低、局部性能不均勻的線狀缺陷.這種攪拌摩擦焊接工藝固有的缺陷雖然對接頭的靜載強(qiáng)度影響很小,但會對焊接接頭的疲勞行為產(chǎn)生較大影響[７].另外它對焊態(tài)接頭的力學(xué)性能影響不大,但會明顯降低經(jīng)過熱處理接頭的力學(xué)性能,因為熱處理后會在 Z型線缺陷附近產(chǎn)生微裂紋[７].X射線探傷無法檢測到該類缺陷,但通過金相侵蝕后能清晰地觀察到該類缺陷[８],其典型形貌見圖６a);放大后呈氧化物顆粒聚集特征,見圖６b);其對應(yīng)的拋光態(tài)形貌則非常淺顯,彌散氧化物顆粒呈聚集特征,見圖６c).拋光態(tài)氧化物顆粒經(jīng)過金相侵蝕后顆粒邊界被蝕刻,顏色加深,所以金相侵蝕后更容易識別.
３．３ 吻接缺陷和鉤狀缺陷
吻接缺陷(即未焊合缺陷)是在對接焊中,在對接縫的最底部由于焊接熱量較弱或者由于攪拌針長度稍短而形成的一種假性連接.這種連接是逐步過渡的,從完全的對接縫到類似于熱機(jī)影響區(qū)的半塑性化假性連接直至完全是焊核程度的塑性化連接.研究表明,半塑性化程度的假性連接對接頭的塑性和強(qiáng)度影響不明顯[９].這種缺陷只有通過金相侵蝕才能明顯呈現(xiàn),其典型形貌見圖７a).圖７a)中不存在完全的對接縫,完全對接縫是由原始晶粒組成的;類似于熱機(jī)影響區(qū)的半塑性化假性連接部位由部分再結(jié)晶組織與部分彎曲變形長晶粒組織組成;焊核程度的塑性化連接部位由兩側(cè)已經(jīng)完全發(fā)生再結(jié)晶的組織組成.
鉤狀缺陷是在搭接焊中,接頭中搭接的上下板邊界線橫縫向焊縫內(nèi)部擴(kuò)展的一種彎曲缺陷.它與吻接缺陷性質(zhì)一樣,也是逐步過渡的,從完全的搭接橫縫到類似于熱機(jī)影響區(qū)的半塑性化假性連接直至完全是焊核程度的塑性化連接,其典型形貌見圖７b).
３．４ 孔洞缺陷
孔洞的形成主要是由于焊接過程中熱輸入量不夠,達(dá)到塑性化狀態(tài)的材料不足,材料流動不充分而導(dǎo)致在焊縫內(nèi)部形成材料未完全閉合的現(xiàn)象.當(dāng)采用不帶螺紋的柱狀或錐狀攪拌針的攪拌頭進(jìn)行焊接時,所得接頭容易出現(xiàn)該類缺陷.典型的孔洞缺陷低倍形貌見圖８,可以觀察到多個孔洞缺陷。
３．５ 隧道型缺陷
隧道型缺陷或者是由焊速太快引起的,焊速過快導(dǎo)致局部熱輸入量降低,使得焊核塑性化程度降低而導(dǎo)致隧道型缺陷的產(chǎn)生;或者是由于轉(zhuǎn)速過高,塑性材料填充攪拌針行走形成空腔的能力變?nèi)?焊縫內(nèi)容易形成一條狹長而且平行于焊接方向的隧道溝.總之焊速、轉(zhuǎn)速都很高時,接頭內(nèi)部容易出現(xiàn)貫穿前后的巨大隧道型缺陷[１０Ｇ１１].隧道型缺陷也可以說是孔洞缺陷沿焊接方向一直延伸而形成的.圖９a)中隧道型缺陷發(fā)生在軸肩攪拌區(qū)與攪拌針攪拌區(qū)的交界處,放大后形貌見圖９b),可見隧道型缺陷周圍伴生被攪拌斷裂開的原始大晶粒,晶粒破碎不完全且未發(fā)生再結(jié)晶,進(jìn)一步說明該處能量較低,塑性化程度較弱,以致形成隧道型缺陷。
４ 結(jié)論
(１)鋁合金攪拌摩擦焊焊接接頭低倍形貌主要有上寬下窄的河床型、上下寬度相近的鼓型以及上尖下圓的壺嘴型３種類型.一般焊速低時,易形成河床型;轉(zhuǎn)速增加,形成上下寬度相近的鼓型;壺嘴型是軸肩攪拌區(qū)和攪拌針攪拌區(qū)這兩個區(qū)域差別比較明顯時形成的.
(２)鋁合金攪拌摩擦焊接頭主要分為焊核區(qū)(NZ)、熱機(jī)影響區(qū)(TMAZ)、熱影響區(qū)(HAZ)和母材(BM)４大區(qū)域.在焊核區(qū)又可細(xì)分為上部軸肩攪拌區(qū)和下部攪拌針攪拌區(qū).熱機(jī)影響區(qū)從不同方向上可以分為前進(jìn)側(cè)熱機(jī)影響區(qū)和后退側(cè)熱機(jī)影響區(qū),以及軸肩攪拌區(qū)的熱機(jī)影響區(qū)和攪拌針攪拌區(qū)的熱機(jī)影響區(qū)。
(３)７０２０Ｇ６鋁合金各區(qū)域的再結(jié)晶特征為:母材晶粒呈軋制的拉長粗晶粒;焊核主要為細(xì)小等軸再結(jié)晶晶粒;熱機(jī)影響區(qū)為原始粗晶粒彎曲變形,部分晶界上可觀察到細(xì)小再結(jié)晶晶粒,部分大晶粒內(nèi)部可觀察到亞晶;熱影響區(qū)晶粒無變形,部分晶粒內(nèi)部可觀察到亞晶。
(４)６０６１Ｇ６鋁合金各區(qū)域的第二相分布特征如下:母材為α(Al)＋塊狀未溶或難溶相＋彌散第二相 Mg２Si;焊核區(qū)為α(Al)＋破碎的較小未溶或難溶相＋重固溶后析出的彌散第二相;熱機(jī)影響區(qū)為α(Al)＋部分原始塊狀未溶或難溶相＋部分破碎的較小未溶或難溶相＋彌散第二相(包括原始彌散第二相和重固溶后析出的彌散第二相);熱影響區(qū)為α(Al)＋原始塊狀未溶或難溶相 ＋ 彌散第二相(包括原始彌散第二相和過時效長大的彌散第二相)。
(５)洋蔥環(huán)是在焊核部位形成的形如洋蔥截面的環(huán)狀結(jié)構(gòu),其實質(zhì)有些是再結(jié)晶晶粒大小不等交替形成的,有些是彌散相質(zhì)點析出數(shù)量不同交替形成的。
(６)Z型線缺陷是原始界面上氧化膜破碎分散不充分,彌散分布成 Z型或 S型的線缺陷.金相侵蝕后氧化物顆粒邊界被蝕刻,顏色加深,所以金相侵蝕的方法能清晰地觀察到該類缺陷。
(７)吻接缺陷和鉤狀缺陷性質(zhì)一樣,是在對接或搭接焊中,在對接縫或搭接縫處形成的一種假性連接,這種連接是逐步過渡的,從完全的對接或搭接縫到類似于熱機(jī)影響區(qū)的半塑性化假性連接直至完全是焊核程度的塑性化連接。
(８)孔洞缺陷是焊縫內(nèi)部形成的一種材料未完全閉合的現(xiàn)象,隧道型缺陷是孔洞缺陷沿焊接方向一直延伸而形成的.它們主要是由于焊接過程中熱輸入量不夠,塑性化程度不足,材料流動不充分而導(dǎo)致的。