分享：鋁合金攪拌摩擦焊接頭微觀組織及缺陷的金相表征

    一般來(lái)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?yàn)楹附愚D(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(gè)區(qū)域差別比較明顯時(shí)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(shí)見(jiàn)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(zhǎng) 粗 晶粒,見(jiàn)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(gè)焊核各處的溫度是不均勻的,溫度較高及持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)區(qū)域的再結(jié)晶晶粒會(huì)發(fā)生長(zhǎng)大;而溫度相對(duì)較低,能量不夠發(fā)生再結(jié)晶的區(qū)域,會(huì)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(huì)發(fā)生長(zhǎng)大,也會(huì)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(jiàn)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(duì)模糊一些,存在較窄的過(guò)渡區(qū).這是因?yàn)樵跀嚢桀^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(gè)流動(dòng)過(guò)程,焊核和熱機(jī)影響區(qū)之間存在溫度過(guò)渡,因此分界線相對(duì)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(guò)渡特征,界限不明顯,一般不作特征性的分析.重點(diǎn)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(zhǎng)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(jiàn)圖３c),可見(jiàn)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(duì)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(guò)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(jiàn)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(shí)候晶粒會(huì)有所長(zhǎng)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(shí)候晶粒大小無(wú)變化,晶粒內(nèi)部也無(wú)明顯亞晶存在,其晶粒特征與母材的并無(wú)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(jiàn)圖３e),可見(jiàn)晶粒無(wú)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(jiàn)圖４a).顆粒較大的塊狀未溶相或難溶相,對(duì)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(guò)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(jiàn)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(jiàn)圖４c),為α(Al)＋部分原始?jí)K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(jiàn)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(zhǎng)大,即發(fā)生了“過(guò)時(shí)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(jiàn)圖４e),為α(Al)＋原始?jí)K狀未溶或難溶相＋彌散第二相(包括原始彌散第二相和過(guò)時(shí)效長(zhǎng)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(jiàn)圖５a).洋蔥環(huán)的實(shí)質(zhì)是攪拌針旋轉(zhuǎn)前進(jìn)時(shí),帶動(dòng)的軟化層與上一軟化層之間

    相對(duì)移動(dòng)、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(shí)也會(huì)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(jiàn),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(jiàn)圖５b);有些是彌散相質(zhì)點(diǎn)析出數(shù)量不同交替形成的,典型形貌見(jiàn)圖５c).由于工藝和材料的不同,洋蔥環(huán)會(huì)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(jiàn)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(shí),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(duì)接頭的靜載強(qiáng)度影響很小,但會(huì)對(duì)焊接接頭的疲勞行為產(chǎn)生較大影響[７].另外它對(duì)焊態(tài)接頭的力學(xué)性能影響不大,但會(huì)明顯降低經(jīng)過(guò)熱處理接頭的力學(xué)性能,因?yàn)闊崽幚砗髸?huì)在 Z型線缺陷附近產(chǎn)生微裂紋[７].X射線探傷無(wú)法檢測(cè)到該類(lèi)缺陷,但通過(guò)金相侵蝕后能清晰地觀察到該類(lèi)缺陷[８],其典型形貌見(jiàn)圖６a);放大后呈氧化物顆粒聚集特征,見(jiàn)圖６b);其對(duì)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(jiàn)圖６c).拋光態(tài)氧化物顆粒經(jīng)過(guò)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(shí)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(duì)接焊中,在對(duì)接縫的最底部由于焊接熱量較弱或者由于攪拌針長(zhǎng)度稍短而形成的一種假性連接.這種連接是逐步過(guò)渡的,從完全的對(duì)接縫到類(lèi)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(duì)接頭的塑性和強(qiáng)度影響不明顯[９].這種缺陷只有通過(guò)金相侵蝕才能明顯呈現(xiàn),其典型形貌見(jiàn)圖７a).圖７a)中不存在完全的對(duì)接縫,完全對(duì)接縫是由原始晶粒組成的;類(lèi)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(zhǎng)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(guò)渡的,從完全的搭接橫縫到類(lèi)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(jiàn)圖７b).

３．４ 孔洞缺陷

    孔洞的形成主要是由于焊接過(guò)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(dòng)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(shí),所得接頭容易出現(xiàn)該類(lèi)缺陷.典型的孔洞缺陷低倍形貌見(jiàn)圖８,可以觀察到多個(gè)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(guò)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(guò)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(zhǎng)而且平行于焊接方向的隧道溝.總之焊速、轉(zhuǎn)速都很高時(shí),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(shuō)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(jiàn)圖９b),可見(jiàn)隧道型缺陷周?chē)樯粩嚢钄嗔验_(kāi)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(shuō)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(lèi)型.一般焊速低時(shí),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(gè)區(qū)域差別比較明顯時(shí)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(zhǎng)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(wú)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?jí)K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?jí)K狀未溶或難溶相 ＋ 彌散第二相(包括原始彌散第二相和過(guò)時(shí)效長(zhǎng)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(shí)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(diǎn)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(lèi)缺陷。

    (７)吻接缺陷和鉤狀缺陷性質(zhì)一樣,是在對(duì)接或搭接焊中,在對(duì)接縫或搭接縫處形成的一種假性連接,這種連接是逐步過(guò)渡的,從完全的對(duì)接或搭接縫到類(lèi)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(guò)程中熱輸入量不夠,塑性化程度不足,材料流動(dòng)不充分而導(dǎo)致的。