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瀏覽↟•│◕:- 釋出日期↟•│◕:2021-08-16 15:17:35【

摘 要:從接頭低倍形貌₪☁▩、各區域微觀組織特徵以及缺陷特徵3個方面對鋁合金攪拌摩擦焊接頭的金相表徵進行了介紹和總結.結果表明:接頭低倍形貌有河床型₪☁▩、鼓型以及壺嘴型等3種;接頭各區域微觀特徵可從再結晶和第二相分佈兩個方面進行分析;洋蔥環缺陷實質是大小不等的再結晶晶粒或數量不同的彌散析出相質點交替分佈而形成的;Z型線缺陷是原始介面上氧化膜彌散分佈而形成的;吻接缺陷和鉤狀缺陷是一種假性連線缺陷;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致的.

關鍵詞:攪拌摩擦焊;鋁合金;金相表徵;低倍形貌;微觀組織;缺陷

中圖分類號:TG44 文獻標誌碼: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於1991年發明的一種新型固相連線技術,焊接最高溫度不超過材料熔點,材料只達到塑性化狀態,可避免傳統熔化焊容易出現的氣孔和熱裂紋等缺陷,非常適用於低熔點有色金屬如鋁合金₪☁▩、鎂合金等的焊接.材料宏觀上的力學效能是由材料的微觀組織結構決定的,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效能.

筆者主要從接頭低倍形貌₪☁▩、各區域微觀組織特徵以及缺陷特徵3個方面對鋁合金攪拌摩擦焊接頭的金相表徵方法進行了介紹,以供相關人員參考.

1 焊接接頭低倍形貌的金相表徵

攪拌摩擦焊的焊接工藝引數主要包括攪拌頭外形輪廓₪☁▩、焊接壓力₪☁▩、焊接速度₪☁▩、焊接轉速等.焊接工藝引數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.


圖1 鋁合金攪拌摩擦焊接頭低倍形貌

    一般來講,焊接速度一定,焊接轉速低,形成河床型;轉速增加,形成鼓型.這是因為焊接轉速低,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律:在低焊接轉速下,焊核區為盆狀(即河床型),隨著焊接轉速的提高,焊核區變成橢圓形(即鼓型).壺嘴型低倍形貌的形成,是各種引數綜合作用的結果,它是軸肩攪拌區和攪拌針攪拌區這兩個區域差別比較明顯時形成的一種低倍形貌.2 焊接接頭各區域微觀組織的金相表徵鋁合金攪拌摩擦焊接頭可以劃分為不同的區域,各區域微觀組織具有不同的特徵,具體表現為再結晶情況的不同以及第二相分佈情況的不同.

2.1 攪拌摩擦焊接頭區域劃分

    攪拌摩擦焊接頭主要分為:焊核區(NZ)₪☁▩、熱機影響區(TMAZ)₪☁▩、熱影響(HAZ)和母材(BM)共4大區域[3].焊核區被充分攪拌並塑性化,受到強烈的力和熱的作用,熱機影響區受到的力和熱的作用次於焊核區,熱影響區僅受到熱的作用,母材則不受任何熱和力的作用.焊核區又可細分為:上部軸肩攪拌區,主要受到軸肩的鍛壓作用;下部攪拌針攪拌區,主要受到攪拌針的攪拌作用.

    熱機影響區從圖2的左右方向上可分為:前進側熱機 影 響 區 (TMAZGAS)和 後 退 側 熱 機 影 響 區(TMAZGRS).所謂前進側是指攪拌工具旋轉切線方向與焊接速度方向一致,而後退側則相反.

    熱機影響區從圖2的上下方向上又分為:焊核軸肩攪拌區的熱機影響區和焊核攪拌針攪拌區的熱機影響區.軸肩攪拌區的熱機影響區受到的熱和力的作用較大,與焊核界限不明顯;攪拌針攪拌區的熱機影響區受到的熱和力的作用較小,與焊核界限較明顯.低倍下各區域的部位標識見圖2.


圖2 鋁合金攪拌摩擦焊接頭各區域示意圖


2.2 各區域微觀組織再結晶情況的表徵分析

    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生再結晶,形成光滑邊界的再結晶晶粒.整個焊核各處的溫度是不均勻的,溫度較高及持續時間較長區域的再結晶晶粒會發生長大;而溫度相對較低,能量不夠發生再結晶的區域,會殘留少量破碎後的多邊形小晶粒.因此,焊核區主要是細小再結晶晶粒,再結晶晶粒有些會發生長大,也會存在少量破碎的未發生再結晶的小晶粒.7020GT6鋁合金焊核區典型微觀組織形貌見圖3b),主要為細小等軸再結晶晶粒.熱機影響區的表徵,首先要區分前進側和後退側:前進側攪拌針攪拌區的熱機影響區與焊核區的分界線非常明顯;後退側兩者的分界線則相對模糊一些,存在較窄的過渡區.這是因為在攪拌頭的旋轉摩擦作用下,前進側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,因此焊核和熱機影響區的分界線明顯.後退側熱塑性金屬有一個流動過程,焊核和熱機影響區之間存在溫度過渡,因此分界線相對前進側的不太明顯.前進側軸肩攪拌區的熱機影響區由於受到軸肩₪☁▩、影響,能量較高,熱機影響區較寬,與焊核間呈過渡特徵,界限不明顯,一般不作特徵性的分析.重點分析前進側攪拌針攪拌區的熱機影響區的再結晶情況,該區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生了再結晶,形成了細小的再結晶晶粒.部分晶粒內部發生了回覆,在大晶粒內部形成了網路狀的細小亞晶粒.7020GT6鋁合金攪拌摩擦焊接頭前進側熱機影響區的典型形貌見圖3c),可見原始粗晶粒彎曲變形,部分晶界上可觀察到細小的再結晶晶粒,部分大晶粒內部可觀察到亞晶.後退側的軸肩攪拌區熱機影響區與前進側的一樣,也相對較寬,界限不明顯,一般不作特徵性的分析.後退側攪拌針攪拌區熱機影響區與焊核界限相比前進側的不甚明顯,呈較窄過渡特徵.7020GT6鋁合金攪拌摩擦焊接頭後退側熱機影響區的典型形貌見圖3d),其再結晶特徵可參考前進側的.熱影響區只受到熱的作用,不發生晶粒變形.根據焊接工藝的不同,有時候晶粒會有所長大,部分晶粒內部因回覆而形成了細小的亞晶粒;有時候晶粒大小無變化,晶粒內部也無明顯亞晶存在,其晶粒特徵與母材的並無明顯不同.7020GT6鋁合金攪拌摩擦焊接頭熱影響區的典型形貌見圖3e),可見晶粒無變形,部分晶粒內部可觀察到亞晶.


2.3 各區域微觀組織中第二相的表徵分析

    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,對材料的強度不起明顯作用,而彌散第二相 Mg2Si是主要強化相.焊核區在力和熱的作用下,塊狀未溶或難溶相被破碎成較小顆粒狀;彌散第二相發生溶解,在後續冷卻過程中又再次析出,發生了“重固溶”[4].6061GT6鋁合金攪拌摩擦焊接頭焊核區典型的顯微組織


形貌見圖4b),為α(Al)+破碎的較小未溶或難溶相+重固溶後析出的彌散第二相.熱機影響區受到力和熱的作用較焊核區的要小,只有部分未溶或難溶相被破碎成細小顆粒,也只有部分彌散第二相發生了“重固溶”.6061GT6鋁合金攪拌摩擦焊接頭前進側熱機影響區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後析出的彌散第二相),焊核與前進側熱機影響區界限明顯.6061GT6鋁合金攪拌摩擦焊接頭後退側熱機影響區典型的顯微組織形貌見圖4d),即使減小放大倍數,焊核與熱機影響區間的界限也不甚明顯,第二相特徵參考前進側的.熱影響區僅受到熱的作用,塊狀未溶或難溶相未發生任何變化,彌散第二相有些發生了聚集長大,即發生了“過時效”[4],導致材料軟化.6061GT6鋁合金攪拌摩擦焊接頭熱影響區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).

圖4 6061GT6鋁合金攪拌摩擦焊接頭各區域第二相形貌


3 焊接接頭缺陷的金相表徵


    焊接工藝引數設定不合理會導致焊接缺陷的產生,比如表面缺陷:飛邊₪☁▩、溝槽等;內部缺陷:洋蔥環₪☁▩、Z型線缺陷₪☁▩、吻接和鉤狀缺陷₪☁▩、孔洞以及隧道型缺陷等.以下重點對內部缺陷進行表徵分析.

3.1 洋蔥環

    洋蔥環是在焊核部位形成的形如洋蔥截面的環狀結構,其低倍形貌見圖5a).洋蔥環的實質是攪拌針旋轉前進時,帶動的軟化層與上一軟化層之間


圖5 攪拌摩擦焊接頭洋蔥環缺陷形貌


    相對移動₪☁▩、摩擦₪☁▩、疊加而產生的一種軌跡[5].其危害是為裂紋的擴充套件提供了便利通道,同時也會降低材料的斷裂韌性[6].

    洋蔥環在大部分試樣中清晰可見,而且在前進側比後退側更明顯,低倍下的環狀結構在高倍下的特徵如下:有些是再結晶晶粒大小不等交替形成的,典型形貌見圖5b);有些是彌散相質點析出數量不同交替形成的,典型形貌見圖5c).由於工藝和材料的不同,洋蔥環會在典型形貌基礎上發生一些改變,有些洋蔥環沿焊核縱向發散,呈平行特徵,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徵所決定的,原始介面上的氧化膜或雜質等只能分散到焊縫金屬中,當攪拌工具焊接速度和旋轉速度不合適時,氧化膜破碎分散不充分,將彌散分佈成 Z 型或S型的線缺陷,產生一種結合強度低₪☁▩、區域性效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度影響很小,但會對焊接接頭的疲勞行為產生較大影響[7].另外它對焊態接頭的力學效能影響不大,但會明顯降低經過熱處理接頭的力學效能,因為熱處理後會在 Z型線缺陷附近產生微裂紋[7].X射線探傷無法檢測到該類缺陷,但透過金相侵蝕後能清晰地觀察到該類缺陷[8],其典型形貌見圖6a);放大後呈氧化物顆粒聚集特徵,見圖6b);其對應的拋光態形貌則非常淺顯,彌散氧化物顆粒呈聚集特徵,見圖6c).拋光態氧化物顆粒經過金相侵蝕後顆粒邊界被蝕刻,顏色加深,所以金相侵蝕後更容易識別.

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於焊接熱量較弱或者由於攪拌針長度稍短而形成的一種假性連線.這種連線是逐步過渡的,從完全的對接縫到類似於熱機影響區的半塑性化假性連線直至完全是焊核程度的塑性化連線.研究表明,半塑性化程度的假性連線對接頭的塑性和強度影響不明顯[9].這種缺陷只有透過金相侵蝕才能明顯呈現,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;類似於熱機影響區的半塑性化假性連線部位由部分再結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線部位由兩側已經完全發生再結晶的組織組成.


圖6 攪拌摩擦焊接頭 Z型線缺陷形貌


    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部擴充套件的一種彎曲缺陷.它與吻接缺陷性質一樣,也是逐步過渡的,從完全的搭接橫縫到類似於熱機影響區的半塑性化假性連線直至完全是焊核程度的塑性化連線,其典型形貌見圖7b).

3.4 孔洞缺陷

    孔洞的形成主要是由於焊接過程中熱輸入量不夠,達到塑性化狀態的材料不足,材料流動不充分而導致在焊縫內部形成材料未完全閉合的現象.當採用不帶螺紋的柱狀或錐狀攪拌針的攪拌頭進行焊接時,所得接頭容易出現該類缺陷.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,焊速過快導致區域性熱輸入量降低,使得焊核塑性化程度降低而導致隧道型缺陷的產生;或者是由於轉速過高,塑性材料填充攪拌針行走形成空腔的能力變弱,焊縫內容易形成一條狹長而且平行於焊接方向的隧道溝.總之焊速₪☁▩、轉速都很高時,接頭內部容易出現貫穿前後的巨大隧道型缺陷[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)中隧道型缺陷發生在軸肩攪拌區與攪拌針攪拌區的交界處,放大後形貌見圖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生再結晶,進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↟↟☁。

缺陷金相圖


4 結論

    (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;轉速增加,形成上下寬度相近的鼓型;壺嘴型是軸肩攪拌區和攪拌針攪拌區這兩個區域差別比較明顯時形成的.

圖9 攪拌摩擦焊接頭隧道型缺陷形貌



    (2)鋁合金攪拌摩擦焊接頭主要分為焊核區(NZ)₪☁▩、熱機影響區(TMAZ)₪☁▩、熱影響區(HAZ)和母材(BM)4大區域.在焊核區又可細分為上部軸肩攪拌區和下部攪拌針攪拌區.熱機影響區從不同方向上可以分為前進側熱機影響區和後退側熱機影響區,以及軸肩攪拌區的熱機影響區和攪拌針攪拌區的熱機影響區↟↟☁。

    (3)7020G6鋁合金各區域的再結晶特徵為:母材晶粒呈軋製的拉長粗晶粒;焊核主要為細小等軸再結晶晶粒;熱機影響區為原始粗晶粒彎曲變形,部分晶界上可觀察到細小再結晶晶粒,部分大晶粒內部可觀察到亞晶;熱影響區晶粒無變形,部分晶粒內部可觀察到亞晶↟↟☁。

    (4)6061G6鋁合金各區域的第二相分佈特徵如下:母材為α(Al)+塊狀未溶或難溶相+彌散第二相 Mg2Si;焊核區為α(Al)+破碎的較小未溶或難溶相+重固溶後析出的彌散第二相;熱機影響區為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後析出的彌散第二相);熱影響區為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)洋蔥環是在焊核部位形成的形如洋蔥截面的環狀結構,其實質有些是再結晶晶粒大小不等交替形成的,有些是彌散相質點析出數量不同交替形成的↟↟☁。

    (6)Z型線缺陷是原始介面上氧化膜破碎分散不充分,彌散分佈成 Z型或 S型的線缺陷.金相侵蝕後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線,這種連線是逐步過渡的,從完全的對接或搭接縫到類似於熱機影響區的半塑性化假性連線直至完全是焊核程度的塑性化連線↟↟☁。

    (8)孔洞缺陷是焊縫內部形成的一種材料未完全閉合的現象,隧道型缺陷是孔洞缺陷沿焊接方向一直延伸而形成的.它們主要是由於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致的↟↟☁。


(文章來源↟•│◕:材料與測試網-理化檢驗-物理分冊)

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