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浏览:- 发布日期:2020-08-16 15:17:35【

摘 要:从接头低倍形貌、各区域微观组织特征以及缺陷特征3个方面对铝合金搅拌摩擦焊接头的金相表征进行了介绍和总结.结果表明:接头低倍形貌有河床型、鼓型以及壶嘴型等3种;接头各区域微观特征可从再结晶和第二相分布两个方面进行分析;洋葱环缺陷实质是大小不等的再结晶晶粒或数量不同的弥散析出相质点交替分布而形成的;Z型线缺陷是原始界面上氧化膜弥散分布而形成的;吻接缺陷和钩状缺陷是一种假性连接缺陷;孔洞和隧道型缺陷主要是由焊接过程中热输入量不够而导致的.

关键词:搅拌摩擦焊;铝合金;金相表征;低倍形貌;微观组织;缺陷

中图分类号:TG44 文献标志码:A 文章编号: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


搅拌摩擦(ca)焊(han)(han)是英国焊(han)(han)接(jie)研(yan)究(jiu)所(suo)于1991年发(fa)明的(de)(de)一种新型固相连接(jie)技(ji)术(shu),焊(han)(han)接(jie)最高(gao)温(wen)度不超过(guo)材(cai)料熔点(dian),材(cai)料只达到塑(su)性化状态(tai),可避(bi)免传统熔化焊(han)(han)容(rong)易(yi)出现的(de)(de)气孔和(he)热裂纹等(deng)缺陷,非常适用于低熔点(dian)有(you)色(se)金(jin)属(shu)如(ru)铝(lv)合(he)金(jin)、镁合(he)金(jin)等(deng)的(de)(de)焊(han)(han)接(jie).材(cai)料宏(hong)观上的(de)(de)力学性能是由(you)材(cai)料的(de)(de)微观组织结构决(jue)定(ding)的(de)(de),因此透彻地分析和(he)研(yan)究(jiu)搅拌摩擦(ca)焊(han)(han)接(jie)头的(de)(de)微观组织及(ji)缺陷的(de)(de)情况,可以有(you)针对性地改善工艺,有(you)效(xiao)地提高(gao)搅拌摩擦焊接(jie)头的(de)宏观性能.

笔者主要从接头低倍形貌、各区域微(wei)观组织特征以及(ji)缺陷(xian)特征3个方(fang)面对(dui)铝合金搅(jiao)拌摩(mo)擦(ca)焊(han)接头的金相表(biao)征方(fang)法(fa)进行了介绍,以供相关人员参考.

1 焊接接头低倍形貌的金相表征

搅(jiao)拌摩擦焊(han)(han)的焊(han)(han)接(jie)(jie)工艺(yi)参数主(zhu)要(yao)包括搅(jiao)拌头外形(xing)(xing)轮(lun)廓、焊(han)(han)接(jie)(jie)压力(li)、焊(han)(han)接(jie)(jie)速(su)度、焊(han)(han)接(jie)(jie)转速(su)等.焊(han)(han)接(jie)(jie)工艺(yi)参数的不同(tong)会形(xing)(xing)成不同(tong)的焊(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)头低倍形(xing)(xing)貌.焊(han)(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)头低倍形(xing)(xing)貌主(zhu)要(yao)有上(shang)(shang)宽(kuan)下窄的河床型、上(shang)(shang)下宽(kuan)度相(xiang)近的鼓型以及上(shang)(shang)尖下圆的壶嘴型3种,见(jian)图1.


图1 铝合金搅拌摩擦焊接头低倍形貌

    一般(ban)来讲,焊接(jie)(jie)速(su)度一定,焊接(jie)(jie)转(zhuan)速(su)低,形成河床(chuang)型(xing);转(zhuan)速(su)增(zeng)加,形成鼓型(xing).这是(shi)因(yin)为(wei)焊接(jie)(jie)转(zhuan)速(su)低,焊接(jie)(jie)热输入量(liang)低,焊接(jie)(jie)接(jie)(jie)头(tou)上部(bu)受轴肩影响面积(ji)较大,焊接(jie)(jie)接头下部受搅拌针(zhen)影(ying)响(xiang)面(mian)积(ji)(ji)较小,从而形(xing)(xing)成(cheng)上宽(kuan)下窄的河床型;转速增加,焊接热输入量也增加,受搅拌针(zhen)影(ying)响(xiang)的面(mian)积(ji)(ji)增大,因此形(xing)(xing)成(cheng)上下宽(kuan)度相近的鼓型[1].MA 等[2]的研(yan)究表(biao)明了同(tong)样(yang)的规律:在低(di)(di)焊接转(zhuan)速下,焊核区(qu)为盆状(zhuang)(即河(he)床型),随着焊接转(zhuan)速的提高,焊核区(qu)变成椭圆形(即鼓(gu)型).壶嘴型低(di)(di)倍形貌的形成,是(shi)各种(zhong)参数综合(he)作用的结(jie)果,它是(shi)轴肩搅拌区(qu)和搅拌针搅拌区(qu)这(zhei)两个区(qu)域(yu)差别比较明显时形成的一(yi)种(zhong)低(di)(di)倍形貌.2 焊接接头各区(qu)域(yu)微(wei)观组织(zhi)的金(jin)相(xiang)表(biao)征(zheng)铝合(he)金(jin)搅拌摩擦焊接头可(ke)以划分为不(bu)(bu)同(tong)的区(qu)域(yu),各区(qu)域(yu)微(wei)观组织(zhi)具有不(bu)(bu)同(tong)的特征(zheng),具体(ti)表(biao)现为再结(jie)晶情况的不(bu)(bu)同(tong)以及(ji)第二(er)相(xiang)分布情况的不(bu)(bu)同(tong).

2.1 搅拌摩擦焊接头区域划分

    搅(jiao)拌(ban)摩擦焊接(jie)头主要(yao)(yao)分(fen)为(wei):焊核区(qu)(qu)(NZ)、热机影响区(qu)(qu)(TMAZ)、热影响(HAZ)和(he)母(mu)材(BM)共4大(da)区(qu)(qu)域[3].焊核区(qu)(qu)被(bei)充分(fen)搅(jiao)拌(ban)并(bing)塑性化,受到(dao)强烈的(de)(de)(de)力(li)和(he)热的(de)(de)(de)作(zuo)(zuo)用(yong),热机影响区(qu)(qu)受到(dao)的(de)(de)(de)力(li)和(he)热的(de)(de)(de)作(zuo)(zuo)用(yong)次于焊核区(qu)(qu),热影响区(qu)(qu)仅受到(dao)热的(de)(de)(de)作(zuo)(zuo)用(yong),母(mu)材则不受任何热和(he)力(li)的(de)(de)(de)作(zuo)(zuo)用(yong).焊核区(qu)(qu)又可细分(fen)为(wei):上(shang)部轴(zhou)肩(jian)搅(jiao)拌(ban)区(qu)(qu),主要(yao)(yao)受到(dao)轴(zhou)肩(jian)的(de)(de)(de)锻压(ya)作(zuo)(zuo)用(yong);下部搅(jiao)拌(ban)针(zhen)搅(jiao)拌(ban)区(qu)(qu),主要(yao)(yao)受到(dao)搅(jiao)拌(ban)针(zhen)的(de)(de)(de)搅(jiao)拌(ban)作(zuo)(zuo)用(yong).

    热机影(ying)响(xiang)区(qu)(qu)从图2的(de)左右方向上可分为:前进侧热机 影(ying) 响(xiang) 区(qu)(qu) (TMAZGAS)和 后 退(tui) 侧 热 机 影(ying) 响(xiang) 区(qu)(qu)(TMAZGRS).所谓前进侧(ce)(ce)是指搅拌工具旋转切线方向与焊接(jie)速度(du)方向一(yi)致,而(er)后退侧(ce)(ce)则相(xiang)反.

    热(re)机(ji)影响(xiang)区(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)从图2的(de)(de)(de)上(shang)下(xia)方(fang)向上(shang)又分为:焊(han)核(he)轴肩搅(jiao)(jiao)拌(ban)(ban)(ban)区(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)的(de)(de)(de)热(re)机(ji)影响(xiang)区(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)和焊(han)核(he)搅(jiao)(jiao)拌(ban)(ban)(ban)针搅(jiao)(jiao)拌(ban)(ban)(ban)区(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)的(de)(de)(de)热(re)机(ji)影响(xiang)区(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu).轴肩搅(jiao)(jiao)拌(ban)(ban)(ban)区(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)的(de)(de)(de)热(re)机(ji)影响(xiang)区(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)受到(dao)的(de)(de)(de)热(re)和力(li)的(de)(de)(de)作用(yong)较(jiao)大(da),与(yu)焊(han)核(he)界限(xian)不(bu)明显(xian)(xian);搅(jiao)(jiao)拌(ban)(ban)(ban)针搅(jiao)(jiao)拌(ban)(ban)(ban)区(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)的(de)(de)(de)热(re)机(ji)影响(xiang)区(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)受到(dao)的(de)(de)(de)热(re)和力(li)的(de)(de)(de)作用(yong)较(jiao)小,与(yu)焊(han)核(he)界限(xian)较(jiao)明显(xian)(xian).低倍下(xia)各区(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)(qu)域的(de)(de)(de)部位标识见图2.


图2 铝合金搅拌摩擦焊接头各区域示意图


2.2 各区域微观组织再结晶情况的表征分析

    7020GT6铝合 金 母 材(cai) 晶 粒 呈 轧 制(zhi) 的(de) 拉(la) 长 粗 晶粒,见(jian)图3a).

    焊核(he)区在热和力(li)的(de)(de)(de)作用下(xia),原始(shi)粗(cu)晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒(li)被破(po)碎(sui)(sui)成(cheng)多(duo)(duo)边形小晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒(li),在热的(de)(de)(de)作用下(xia),获得(de)足够(gou)能量的(de)(de)(de)破(po)碎(sui)(sui)小晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒(li)将发生(sheng)再(zai)(zai)(zai)(zai)结(jie)晶(jing)(jing)(jing)(jing),形成(cheng)光滑边界(jie)的(de)(de)(de)再(zai)(zai)(zai)(zai)结(jie)晶(jing)(jing)(jing)(jing)晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒(li).整个焊核(he)各处(chu)的(de)(de)(de)温度是(shi)不均匀(yun)的(de)(de)(de),温度较(jiao)高(gao)及持续时间较(jiao)长区域的(de)(de)(de)再(zai)(zai)(zai)(zai)结(jie)晶(jing)(jing)(jing)(jing)晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒(li)会发生(sheng)长大(da);而(er)温度相(xiang)对(dui)较(jiao)低,能量不够(gou)发生(sheng)再(zai)(zai)(zai)(zai)结(jie)晶(jing)(jing)(jing)(jing)的(de)(de)(de)区域,会残留少量破(po)碎(sui)(sui)后(hou)的(de)(de)(de)多(duo)(duo)边形小晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒(li).因(yin)此,焊核(he)区主要是(shi)细小再(zai)(zai)(zai)(zai)结(jie)晶(jing)(jing)(jing)(jing)晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒(li),再(zai)(zai)(zai)(zai)结(jie)晶(jing)(jing)(jing)(jing)晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒(li)有些会发生(sheng)长大(da),也会存在少量破(po)碎(sui)(sui)的(de)(de)(de)未发生(sheng)再(zai)(zai)(zai)(zai)结(jie)晶(jing)(jing)(jing)(jing)的(de)(de)(de)小晶(jing)(jing)(jing)(jing)粒(li).7020GT6铝合(he)金(jin)焊(han)核(he)区(qu)典型(xing)微观(guan)组织形(xing)(xing)貌见图3b),主(zhu)要(yao)为细(xi)小等轴(zhou)(zhou)再结晶(jing)(jing)(jing)晶(jing)(jing)(jing)粒(li).热(re)(re)机(ji)(ji)影(ying)(ying)响区(qu)的(de)(de)(de)(de)表征(zheng),首(shou)先(xian)要(yao)区(qu)分(fen)(fen)前(qian)进(jin)侧(ce)(ce)和(he)后(hou)退(tui)侧(ce)(ce):前(qian)进(jin)侧(ce)(ce)搅(jiao)拌(ban)(ban)针搅(jiao)拌(ban)(ban)区(qu)的(de)(de)(de)(de)热(re)(re)机(ji)(ji)影(ying)(ying)响区(qu)与焊(han)核(he)区(qu)的(de)(de)(de)(de)分(fen)(fen)界(jie)(jie)线非(fei)常明(ming)显(xian);后(hou)退(tui)侧(ce)(ce)两(liang)者的(de)(de)(de)(de)分(fen)(fen)界(jie)(jie)线则相(xiang)对(dui)模糊一(yi)些,存在(zai)较(jiao)窄(zhai)的(de)(de)(de)(de)过渡(du)区(qu).这是(shi)因(yin)(yin)为在(zai)搅(jiao)拌(ban)(ban)头的(de)(de)(de)(de)旋转摩(mo)擦(ca)作(zuo)用下(xia),前(qian)进(jin)侧(ce)(ce)热(re)(re)塑(su)性金(jin)属(shu)(shu)几乎即刻便被搅(jiao)拌(ban)(ban)头挤压出去,该(gai)部(bu)(bu)(bu)分(fen)(fen)温度冷却快,因(yin)(yin)此焊(han)核(he)和(he)热(re)(re)机(ji)(ji)影(ying)(ying)响区(qu)的(de)(de)(de)(de)分(fen)(fen)界(jie)(jie)线明(ming)显(xian).后(hou)退(tui)侧(ce)(ce)热(re)(re)塑(su)性金(jin)属(shu)(shu)有一(yi)个(ge)流动(dong)过程,焊(han)核(he)和(he)热(re)(re)机(ji)(ji)影(ying)(ying)响区(qu)之间(jian)存在(zai)温度过渡(du),因(yin)(yin)此分(fen)(fen)界(jie)(jie)线相(xiang)对(dui)前(qian)进(jin)侧(ce)(ce)的(de)(de)(de)(de)不(bu)太(tai)明(ming)显(xian).前(qian)进(jin)侧(ce)(ce)轴(zhou)(zhou)肩(jian)搅(jiao)拌(ban)(ban)区(qu)的(de)(de)(de)(de)热(re)(re)机(ji)(ji)影(ying)(ying)响区(qu)由于受到轴(zhou)(zhou)肩(jian)、影(ying)(ying)响,能(neng)量较(jiao)高,热(re)(re)机(ji)(ji)影(ying)(ying)响区(qu)较(jiao)宽,与焊(han)核(he)间(jian)呈过渡(du)特征(zheng),界(jie)(jie)限不(bu)明(ming)显(xian),一(yi)般不(bu)作(zuo)特征(zheng)性的(de)(de)(de)(de)分(fen)(fen)析(xi).重点分(fen)(fen)析(xi)前(qian)进(jin)侧(ce)(ce)搅(jiao)拌(ban)(ban)针搅(jiao)拌(ban)(ban)区(qu)的(de)(de)(de)(de)热(re)(re)机(ji)(ji)影(ying)(ying)响区(qu)的(de)(de)(de)(de)再结晶(jing)(jing)(jing)情(qing)况,该(gai)区(qu)域原(yuan)始(shi)粗(cu)晶(jing)(jing)(jing)粒(li)在(zai)力的(de)(de)(de)(de)作(zuo)用下(xia)明(ming)显(xian)弯(wan)曲,部(bu)(bu)(bu)分(fen)(fen)长晶(jing)(jing)(jing)粒(li)断裂成(cheng)(cheng)几段,在(zai)能(neng)量较(jiao)高的(de)(de)(de)(de)部(bu)(bu)(bu)分(fen)(fen)晶(jing)(jing)(jing)界(jie)(jie)处发(fa)生(sheng)了再结晶(jing)(jing)(jing),形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)了细(xi)小的(de)(de)(de)(de)再结晶(jing)(jing)(jing)晶(jing)(jing)(jing)粒(li).部(bu)(bu)(bu)分(fen)(fen)晶(jing)(jing)(jing)粒(li)内部(bu)(bu)(bu)发(fa)生(sheng)了回复,在(zai)大晶(jing)(jing)(jing)粒(li)内部(bu)(bu)(bu)形(xing)(xing)成(cheng)(cheng)了网(wang)络(luo)状(zhuang)的(de)(de)(de)(de)细(xi)小亚晶(jing)(jing)(jing)粒(li).7020GT6铝合(he)金(jin)搅(jiao)拌(ban)(ban)摩(mo)擦(ca)焊(han)接头前(qian)进(jin)侧(ce)(ce)热(re)(re)机(ji)(ji)影(ying)(ying)响区(qu)的(de)(de)(de)(de)典型(xing)形(xing)(xing)貌见图3c),可(ke)见原(yuan)始(shi)粗(cu)晶(jing)(jing)(jing)粒(li)弯(wan)曲变(bian)形(xing)(xing),部(bu)(bu)(bu)分(fen)(fen)晶(jing)(jing)(jing)界(jie)(jie)上可(ke)观(guan)察到细(xi)小的(de)(de)(de)(de)再结晶(jing)(jing)(jing)晶(jing)(jing)(jing)粒(li),部(bu)(bu)(bu)分大晶(jing)粒内部可(ke)观(guan)察到亚晶(jing).后退侧的(de)(de)(de)(de)轴肩(jian)搅(jiao)拌(ban)(ban)区(qu)热(re)(re)(re)机(ji)影(ying)响区(qu)与前(qian)(qian)进侧的(de)(de)(de)(de)一(yi)样,也相对较(jiao)宽,界限不(bu)明显(xian),一(yi)般不(bu)作(zuo)特(te)征性的(de)(de)(de)(de)分析.后退侧搅(jiao)拌(ban)(ban)针(zhen)搅(jiao)拌(ban)(ban)区(qu)热(re)(re)(re)机(ji)影(ying)响区(qu)与焊核界限相比前(qian)(qian)进侧的(de)(de)(de)(de)不(bu)甚明显(xian),呈较(jiao)窄过渡特(te)征.7020GT6铝(lv)(lv)合金搅(jiao)拌(ban)(ban)摩擦焊接头后退侧热(re)(re)(re)机(ji)影(ying)响区(qu)的(de)(de)(de)(de)典(dian)型形(xing)貌(mao)见图(tu)3d),其(qi)再结晶(jing)(jing)特(te)征可参考前(qian)(qian)进侧的(de)(de)(de)(de).热(re)(re)(re)影(ying)响区(qu)只受到热(re)(re)(re)的(de)(de)(de)(de)作(zuo)用,不(bu)发生(sheng)晶(jing)(jing)粒变形(xing).根(gen)据焊接工艺的(de)(de)(de)(de)不(bu)同,有(you)时候晶(jing)(jing)粒会(hui)有(you)所长大(da),部(bu)(bu)分晶(jing)(jing)粒内部(bu)(bu)因(yin)回复而形(xing)成了细小的(de)(de)(de)(de)亚晶(jing)(jing)粒;有(you)时候晶(jing)(jing)粒大(da)小无(wu)变化(hua),晶(jing)(jing)粒内部(bu)(bu)也无(wu)明显(xian)亚晶(jing)(jing)存在,其(qi)晶(jing)(jing)粒特(te)征与母(mu)材的(de)(de)(de)(de)并无(wu)明显(xian)不(bu)同.7020GT6铝(lv)(lv)合金搅(jiao)拌(ban)(ban)摩擦焊接头热(re)(re)(re)影(ying)响区(qu)的(de)(de)(de)(de)典(dian)型形(xing)貌(mao)见图(tu)3e),可见晶(jing)(jing)粒无(wu)变形(xing),部(bu)(bu)分晶(jing)(jing)粒内部(bu)(bu)可观察到亚晶(jing)(jing).


2.3 各区域微观组织中第二相的表征分析

    6061GT6铝合金(jin)母材显微组(zu)织为α(Al)+块状(zhuang)未(wei)(wei)溶(rong)或难溶(rong)相(xiang)+弥散第(di)二(er)相(xiang) Mg2Si,见(jian)图(tu)4a).颗粒较大的(de)(de)块状(zhuang)未(wei)(wei)溶(rong)相(xiang)或难溶(rong)相(xiang),对材料的(de)(de)强度(du)不起明显作(zuo)用(yong),而弥散第(di)二(er)相(xiang) Mg2Si是主要强化相(xiang).焊核区(qu)在力和热(re)的(de)(de)作(zuo)用(yong)下,块状(zhuang)未(wei)(wei)溶(rong)或难溶(rong)相(xiang)被破碎(sui)成较小颗粒状(zhuang);弥散第(di)二(er)相(xiang)发(fa)生溶(rong)解(jie),在后续冷却过程(cheng)中又再(zai)次(ci)析出,发(fa)生了“重(zhong)固溶(rong)”[4].6061GT6铝合金(jin)搅拌(ban)摩擦焊接头焊核区(qu)典型的(de)(de)显微组(zu)织


形貌见图4b),为α(Al)+破(po)碎(sui)的(de)(de)(de)(de)较小(xiao)(xiao)未溶(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)或(huo)难(nan)(nan)溶(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)相(xiang)(xiang)(xiang)+重(zhong)固(gu)溶(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)后析出的(de)(de)(de)(de)弥(mi)(mi)(mi)散(san)(san)(san)(san)第(di)(di)二(er)(er)相(xiang)(xiang)(xiang).热(re)机影(ying)响区(qu)(qu)受(shou)到力和热(re)的(de)(de)(de)(de)作用较焊(han)(han)核(he)区(qu)(qu)的(de)(de)(de)(de)要(yao)小(xiao)(xiao),只(zhi)有部分(fen)未溶(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)或(huo)难(nan)(nan)溶(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)相(xiang)(xiang)(xiang)被破(po)碎(sui)成细(xi)小(xiao)(xiao)颗粒(li),也(ye)只(zhi)有部分(fen)弥(mi)(mi)(mi)散(san)(san)(san)(san)第(di)(di)二(er)(er)相(xiang)(xiang)(xiang)发生了“重(zhong)固(gu)溶(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)”.6061GT6铝合(he)金(jin)搅拌摩(mo)擦(ca)焊(han)(han)接头前进侧热(re)机影(ying)响区(qu)(qu)典(dian)型(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)显微组(zu)(zu)织(zhi)形貌见图4c),为α(Al)+部分(fen)原(yuan)始块(kuai)(kuai)状未溶(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)或(huo)难(nan)(nan)溶(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)相(xiang)(xiang)(xiang)+部分(fen)破(po)碎(sui)的(de)(de)(de)(de)较小(xiao)(xiao)未溶(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)或(huo)难(nan)(nan)溶(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)相(xiang)(xiang)(xiang)+弥(mi)(mi)(mi)散(san)(san)(san)(san)第(di)(di)二(er)(er)相(xiang)(xiang)(xiang)(包(bao)括(kuo)(kuo)原(yuan)始弥(mi)(mi)(mi)散(san)(san)(san)(san)第(di)(di)二(er)(er)相(xiang)(xiang)(xiang)和重(zhong)固(gu)溶(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)后析出的(de)(de)(de)(de)弥(mi)(mi)(mi)散(san)(san)(san)(san)第(di)(di)二(er)(er)相(xiang)(xiang)(xiang)),焊(han)(han)核(he)与前进侧热(re)机影(ying)响区(qu)(qu)界限明显.6061GT6铝合(he)金(jin)搅拌摩(mo)擦(ca)焊(han)(han)接头后退(tui)侧热(re)机影(ying)响区(qu)(qu)典(dian)型(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)显微组(zu)(zu)织(zhi)形貌见图4d),即使减(jian)小(xiao)(xiao)放大(da)倍数,焊(han)(han)核(he)与热(re)机影(ying)响区(qu)(qu)间的(de)(de)(de)(de)界限也(ye)不甚明显,第(di)(di)二(er)(er)相(xiang)(xiang)(xiang)特(te)征参考前进侧的(de)(de)(de)(de).热(re)影(ying)响区(qu)(qu)仅受(shou)到热(re)的(de)(de)(de)(de)作用,块(kuai)(kuai)状未溶(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)或(huo)难(nan)(nan)溶(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)相(xiang)(xiang)(xiang)未发生任何(he)变化,弥(mi)(mi)(mi)散(san)(san)(san)(san)第(di)(di)二(er)(er)相(xiang)(xiang)(xiang)有些发生了聚集长(zhang)大(da),即发生了“过时(shi)效”[4],导致材料软化.6061GT6铝合(he)金(jin)搅拌摩(mo)擦(ca)焊(han)(han)接头热(re)影(ying)响区(qu)(qu)典(dian)型(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)显微组(zu)(zu)织(zhi)形貌见图4e),为α(Al)+原(yuan)始块(kuai)(kuai)状未溶(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)或(huo)难(nan)(nan)溶(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)(rong)相(xiang)(xiang)(xiang)+弥(mi)(mi)(mi)散(san)(san)(san)(san)第(di)(di)二(er)(er)相(xiang)(xiang)(xiang)(包(bao)括(kuo)(kuo)原(yuan)始弥(mi)(mi)(mi)散(san)(san)(san)(san)第(di)(di)二(er)(er)相(xiang)(xiang)(xiang)和过时(shi)效长(zhang)大(da)的(de)(de)(de)(de)弥(mi)(mi)(mi)散(san)(san)(san)(san)第二相).

图4 6061GT6铝合金搅拌摩擦焊接头各区域第二相形貌


3 焊接接头缺陷的金相表征


    焊(han)接工艺参数设置不合理会导(dao)致(zhi)焊(han)接缺陷(xian)(xian)(xian)的产生,比(bi)如表面缺陷(xian)(xian)(xian):飞边、沟槽等;内部缺陷(xian)(xian)(xian):洋葱环(huan)、Z型(xing)(xing)线缺陷(xian)(xian)(xian)、吻接和钩状缺陷(xian)(xian)(xian)、孔洞以(yi)及隧(sui)道型(xing)(xing)缺陷(xian)(xian)(xian)等.以(yi)下重点对内部缺陷(xian)(xian)(xian)进行表征分析(xi).

3.1 洋葱环

    洋(yang)(yang)葱(cong)(cong)环(huan)是在焊(han)核部位形(xing)成的形(xing)如洋(yang)(yang)葱(cong)(cong)截(jie)面的环(huan)状结构(gou),其低(di)倍形(xing)貌见(jian)图5a).洋(yang)(yang)葱(cong)(cong)环(huan)的实质是搅拌针旋转(zhuan)前进时,带动的软(ruan)化层与上一(yi)软(ruan)化层之(zhi)间


图5 搅拌摩擦焊接头洋葱环缺陷形貌


    相对移(yi)动、摩(mo)擦、叠加而产生的(de)(de)一种轨迹[5].其危害是为裂纹的(de)(de)扩展提供了便利通(tong)道,同时也会降低材料的(de)(de)断裂韧性[6].

    洋葱环(huan)在(zai)大(da)部(bu)分试样中清(qing)晰(xi)可(ke)见,而且在(zai)前(qian)进侧(ce)比后(hou)退侧(ce)更明显,低倍下的(de)环(huan)状结构在(zai)高倍下的(de)特征(zheng)如(ru)下:有些(xie)(xie)是(shi)再结晶晶粒大(da)小(xiao)不等交替形成(cheng)的(de),典型(xing)形貌(mao)见图5b);有些(xie)(xie)是(shi)弥散相质点析出数量不同交替形成(cheng)的(de),典型(xing)形貌(mao)见图5c).由(you)于工(gong)艺和(he)材料的(de)不同,洋葱环(huan)会(hui)在(zai)典型(xing)形貌(mao)基础上发生一些(xie)(xie)改变,有些(xie)(xie)洋葱环(huan)沿焊核纵向发散,呈平行特征(zheng),见图5d).

3.2 Z型线缺陷

    Z型(xing)(xing)线(xian)(xian)(xian)缺(que)陷是(shi)由焊(han)接(jie)(jie)工艺(yi)(yi)与搅拌(ban)工具的(de)(de)(de)(de)特征(zheng)所(suo)决(jue)定的(de)(de)(de)(de),原始界面(mian)上的(de)(de)(de)(de)氧(yang)化(hua)膜或杂质等只(zhi)能分(fen)散(san)到焊(han)缝金属中(zhong),当搅拌(ban)工具焊(han)接(jie)(jie)速度和(he)旋转速度不(bu)(bu)合(he)适时,氧(yang)化(hua)膜破碎分(fen)散(san)不(bu)(bu)充分(fen),将弥散(san)分(fen)布成 Z 型(xing)(xing)或S型(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)线(xian)(xian)(xian)缺(que)陷,产(chan)生一种(zhong)结合(he)强度低、局部(bu)性能不(bu)(bu)均匀的(de)(de)(de)(de)线(xian)(xian)(xian)状缺(que)陷.这种(zhong)搅拌(ban)摩(mo)擦(ca)焊(han)接(jie)(jie)工艺(yi)(yi)固有的(de)(de)(de)(de)缺(que)陷虽然对(dui)接(jie)(jie)头(tou)的(de)(de)(de)(de)静载强度影(ying)(ying)(ying)响(xiang)很小,但(dan)(dan)会对(dui)焊(han)接(jie)(jie)接(jie)(jie)头(tou)的(de)(de)(de)(de)疲劳行为产(chan)生较大(da)影(ying)(ying)(ying)响(xiang)[7].另(ling)外它对(dui)焊(han)态接(jie)(jie)头(tou)的(de)(de)(de)(de)力学(xue)性能影(ying)(ying)(ying)响(xiang)不(bu)(bu)大(da),但(dan)(dan)会明显降低经(jing)过热处(chu)理接(jie)(jie)头(tou)的(de)(de)(de)(de)力学(xue)性能,因为热处(chu)理后(hou)(hou)会在 Z型(xing)(xing)线(xian)(xian)(xian)缺(que)陷附(fu)近产(chan)生微裂纹[7].X射线(xian)(xian)(xian)探伤无法检测到该类(lei)缺(que)陷,但(dan)(dan)通过金相(xiang)侵蚀后(hou)(hou)能清晰地观(guan)察到该类(lei)缺(que)陷[8],其(qi)典型(xing)(xing)形貌(mao)见图(tu)6a);放大(da)后(hou)(hou)呈氧(yang)化(hua)物(wu)(wu)颗(ke)粒聚集(ji)特征(zheng),见图(tu)6b);其(qi)对(dui)应(ying)的(de)(de)(de)(de)抛(pao)光(guang)态形貌(mao)则非(fei)常浅显,弥散(san)氧(yang)化(hua)物(wu)(wu)颗(ke)粒呈聚集(ji)特征(zheng),见图(tu)6c).抛(pao)光(guang)态氧(yang)化(hua)物(wu)(wu)颗(ke)粒经(jing)过金相(xiang)侵蚀后(hou)(hou)颗(ke)粒边界被蚀刻,颜色加深,所(suo)以(yi)金相(xiang)侵蚀后(hou)(hou)更容易识别.

3.3 吻接缺陷和钩状缺陷

吻(wen)接(jie)(jie)(jie)(jie)缺陷(即未焊(han)合缺陷)是在对(dui)(dui)接(jie)(jie)(jie)(jie)焊(han)中(zhong),在对(dui)(dui)接(jie)(jie)(jie)(jie)缝的(de)(de)(de)最底部(bu)(bu)由(you)于(yu)焊(han)接(jie)(jie)(jie)(jie)热量较弱或者(zhe)由(you)于(yu)搅拌(ban)针(zhen)长(zhang)度(du)(du)稍短而形(xing)成的(de)(de)(de)一种(zhong)假(jia)性(xing)连(lian)(lian)接(jie)(jie)(jie)(jie).这种(zhong)连(lian)(lian)接(jie)(jie)(jie)(jie)是逐步过渡(du)的(de)(de)(de),从完(wan)(wan)全(quan)的(de)(de)(de)对(dui)(dui)接(jie)(jie)(jie)(jie)缝到(dao)类似于(yu)热机影(ying)(ying)响区的(de)(de)(de)半(ban)塑(su)(su)性(xing)化假(jia)性(xing)连(lian)(lian)接(jie)(jie)(jie)(jie)直至完(wan)(wan)全(quan)是焊(han)核(he)程度(du)(du)的(de)(de)(de)塑(su)(su)性(xing)化连(lian)(lian)接(jie)(jie)(jie)(jie).研(yan)究表明,半(ban)塑(su)(su)性(xing)化程度(du)(du)的(de)(de)(de)假(jia)性(xing)连(lian)(lian)接(jie)(jie)(jie)(jie)对(dui)(dui)接(jie)(jie)(jie)(jie)头的(de)(de)(de)塑(su)(su)性(xing)和强度(du)(du)影(ying)(ying)响不(bu)明显(xian)[9].这种(zhong)缺陷只有通过金相侵蚀才能明显(xian)呈现,其典(dian)型形(xing)貌见图7a).图7a)中(zhong)不(bu)存在完(wan)(wan)全(quan)的(de)(de)(de)对(dui)(dui)接(jie)(jie)(jie)(jie)缝,完(wan)(wan)全(quan)对(dui)(dui)接(jie)(jie)(jie)(jie)缝是由(you)原始晶粒组成的(de)(de)(de);类似于(yu)热机影(ying)(ying)响区的(de)(de)(de)半(ban)塑(su)(su)性(xing)化假(jia)性(xing)连(lian)(lian)接(jie)(jie)(jie)(jie)部(bu)(bu)位(wei)由(you)部(bu)(bu)分再结(jie)晶组织与(yu)部(bu)(bu)分弯曲变形(xing)长(zhang)晶粒组织组成;焊(han)核(he)程度(du)(du)的(de)(de)(de)塑(su)(su)性(xing)化连(lian)(lian)接(jie)(jie)(jie)(jie)部(bu)(bu)位(wei)由(you)两侧已(yi)经完(wan)(wan)全(quan)发生再结(jie)晶的(de)(de)(de)组织组成.


图6 搅拌摩擦焊接头 Z型线缺陷形貌


    钩状缺陷是在搭接(jie)焊中(zhong),接(jie)头中(zhong)搭接(jie)的(de)(de)(de)上下(xia)板边(bian)界(jie)线(xian)横缝向焊缝内(nei)部扩(kuo)展的(de)(de)(de)一种弯曲缺陷.它与吻接(jie)缺陷性(xing)质一样,也是逐步过渡的(de)(de)(de),从(cong)完(wan)全的(de)(de)(de)搭接(jie)横缝到类似于热机影(ying)响区的(de)(de)(de)半塑性(xing)化假(jia)性(xing)连(lian)接(jie)直(zhi)至(zhi)完(wan)全是焊核(he)程度的(de)(de)(de)塑性(xing)化连(lian)接(jie),其典型(xing)形貌见图7b).

3.4 孔洞缺陷

    孔洞(dong)的(de)形(xing)成(cheng)主要是由(you)于焊接过(guo)程(cheng)中热(re)输入量不(bu)够,达(da)到塑性化状(zhuang)态的(de)材料不(bu)足,材料流动不(bu)充分而导致在焊缝内部(bu)形(xing)成(cheng)材料未完(wan)全闭合的(de)现象.当采用(yong)不(bu)带(dai)螺(luo)纹的(de)柱状(zhuang)或锥(zhui)状(zhuang)搅拌针的(de)搅拌头进行焊接时,所得接头容易出(chu)现该类(lei)缺(que)陷(xian).典型的(de)孔洞(dong)缺(que)陷(xian)低倍形(xing)貌见图8,可以观察到多个(ge)孔洞(dong)缺(que)陷(xian)。

3.5 隧道型缺陷

    隧(sui)(sui)道(dao)(dao)(dao)(dao)型(xing)缺(que)陷(xian)(xian)或者是由焊(han)速(su)太快(kuai)引起的(de)(de)(de),焊(han)速(su)过(guo)快(kuai)导致(zhi)局部(bu)热(re)输入量降低(di)(di),使得焊(han)核(he)塑性化程度(du)降低(di)(di)而(er)导致(zhi)隧(sui)(sui)道(dao)(dao)(dao)(dao)型(xing)缺(que)陷(xian)(xian)的(de)(de)(de)产生(sheng);或者是由于转速(su)过(guo)高,塑性材料填(tian)充搅(jiao)拌(ban)针行(xing)走形(xing)成(cheng)空腔的(de)(de)(de)能力变(bian)弱(ruo),焊(han)缝内(nei)容(rong)易(yi)形(xing)成(cheng)一(yi)条狭长而(er)且平行(xing)于焊(han)接方向(xiang)的(de)(de)(de)隧(sui)(sui)道(dao)(dao)(dao)(dao)沟.总之焊(han)速(su)、转速(su)都很高时,接头内(nei)部(bu)容(rong)易(yi)出现贯穿前后的(de)(de)(de)巨大隧(sui)(sui)道(dao)(dao)(dao)(dao)型(xing)缺(que)陷(xian)(xian)[10G11].隧(sui)(sui)道(dao)(dao)(dao)(dao)型(xing)缺(que)陷(xian)(xian)也可(ke)以说(shuo)是孔洞(dong)缺(que)陷(xian)(xian)沿焊(han)接方向(xiang)一(yi)直延伸而(er)形(xing)成(cheng)的(de)(de)(de).图(tu)9a)中(zhong)隧(sui)(sui)道(dao)(dao)(dao)(dao)型(xing)缺(que)陷(xian)(xian)发生(sheng)在轴肩搅(jiao)拌(ban)区(qu)与搅(jiao)拌(ban)针搅(jiao)拌(ban)区(qu)的(de)(de)(de)交界处,放大后形(xing)貌见图(tu)9b),可(ke)见隧(sui)(sui)道(dao)(dao)(dao)(dao)型(xing)缺(que)陷(xian)(xian)周围伴生(sheng)被搅(jiao)拌(ban)断(duan)裂(lie)开的(de)(de)(de)原(yuan)始大晶粒(li),晶粒(li)破碎不(bu)完全且未发生(sheng)再结晶,进一(yi)步(bu)说(shuo)明该处能量较低(di)(di),塑性化程度(du)较弱(ruo),以致(zhi)形(xing)成(cheng)隧(sui)(sui)道(dao)(dao)(dao)(dao)型(xing)缺(que)陷(xian)(xian)。

缺陷金相图


4 结论

    (1)铝合(he)金搅(jiao)拌摩擦(ca)焊(han)焊(han)接(jie)接(jie)头低倍形貌主要有上宽下(xia)窄的河床型、上下(xia)宽度相近的鼓型以及上尖下圆的(de)壶(hu)嘴(zui)型(xing)3种类型(xing).一般(ban)焊(han)速低时,易形成河床型(xing);转速增加(jia),形成上下宽(kuan)度(du)相近的(de)鼓型(xing);壶(hu)嘴(zui)型(xing)是轴肩搅拌(ban)区和搅拌(ban)针搅拌(ban)区这(zhei)两个区域差别比较明显时形成的.

图9 搅拌摩擦焊接头隧道型缺陷形貌



    (2)铝合金(jin)搅(jiao)拌摩擦焊(han)(han)接头主要分(fen)为(wei)焊(han)(han)核区(qu)(qu)(NZ)、热(re)机(ji)影(ying)响区(qu)(qu)(TMAZ)、热(re)影(ying)响区(qu)(qu)(HAZ)和母(mu)材(cai)(BM)4大区(qu)(qu)域.在焊(han)(han)核区(qu)(qu)又可细分(fen)为(wei)上部轴肩(jian)搅(jiao)拌区(qu)(qu)和下部搅(jiao)拌针搅(jiao)拌区(qu)(qu).热(re)机(ji)影(ying)响区(qu)(qu)从(cong)不同方向(xiang)上可以(yi)分(fen)为(wei)前进侧热(re)机(ji)影(ying)响区(qu)(qu)和后退侧热(re)机(ji)影(ying)响区(qu)(qu),以(yi)及轴肩(jian)搅(jiao)拌区(qu)(qu)的(de)热(re)机(ji)影(ying)响区(qu)(qu)和搅(jiao)拌针搅(jiao)拌区(qu)(qu)的(de)热(re)机(ji)影(ying)响区(qu)(qu)。

    (3)7020G6铝(lv)合金各区域的再结(jie)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)特征(zheng)为(wei):母材晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)(li)(li)呈(cheng)轧制(zhi)的拉长粗晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)(li)(li);焊核主要为(wei)细小等轴再结(jie)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)(li)(li);热机影响区为(wei)原始粗晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)(li)(li)弯曲变形,部分(fen)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)界上(shang)可观察到细小再结(jie)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)(li)(li),部分(fen)大晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)(li)(li)内部可观察到亚晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing);热影响区晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)(li)(li)无变形,部分(fen)晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)粒(li)(li)(li)(li)内部可观察到亚晶(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)(jing)。

    (4)6061G6铝合金各(ge)区(qu)域的(de)第二(er)相(xiang)分布(bu)特(te)征如下(xia):母材为α(Al)+块(kuai)状未(wei)(wei)溶(rong)(rong)(rong)或难溶(rong)(rong)(rong)相(xiang)+弥(mi)(mi)(mi)散第二(er)相(xiang) Mg2Si;焊核区(qu)为α(Al)+破碎的(de)较小未(wei)(wei)溶(rong)(rong)(rong)或难溶(rong)(rong)(rong)相(xiang)+重固(gu)溶(rong)(rong)(rong)后(hou)(hou)析(xi)出的(de)弥(mi)(mi)(mi)散第二(er)相(xiang);热机影响区(qu)为α(Al)+部分原(yuan)始(shi)块(kuai)状未(wei)(wei)溶(rong)(rong)(rong)或难溶(rong)(rong)(rong)相(xiang)+部分破碎的(de)较小未(wei)(wei)溶(rong)(rong)(rong)或难溶(rong)(rong)(rong)相(xiang)+弥(mi)(mi)(mi)散第二(er)相(xiang)(包括原(yuan)始(shi)弥(mi)(mi)(mi)散第二(er)相(xiang)和(he)重固(gu)溶(rong)(rong)(rong)后(hou)(hou)析(xi)出的(de)弥(mi)(mi)(mi)散第二(er)相(xiang));热影响区(qu)为α(Al)+原(yuan)始(shi)块(kuai)状未(wei)(wei)溶(rong)(rong)(rong)或难溶(rong)(rong)(rong)相(xiang) + 弥(mi)(mi)(mi)散第二(er)相(xiang)(包括原(yuan)始(shi)弥(mi)(mi)(mi)散第二(er)相(xiang)和(he)过(guo)时效(xiao)长大的(de)弥(mi)(mi)(mi)散第二(er)相(xiang))。

    (5)洋葱环是在焊核(he)部位形成的形如洋葱截面(mian)的环状结构,其实质有些是再结晶晶粒大小不(bu)等交替形成的,有些是弥散相(xiang)质点析出(chu)数量不(bu)同交替形成的。

    (6)Z型(xing)线(xian)缺(que)陷(xian)是原始界(jie)面上氧化膜破碎分(fen)散不(bu)充分(fen),弥散分(fen)布成 Z型(xing)或 S型(xing)的线(xian)缺(que)陷(xian).金相侵(qin)蚀后(hou)氧化物颗粒边(bian)界(jie)被(bei)蚀刻,颜色加深(shen),所以金相侵(qin)蚀的方法能清晰(xi)地观(guan)察到该类(lei)缺(que)陷(xian)。

    (7)吻接(jie)(jie)(jie)(jie)缺陷(xian)(xian)和钩状缺陷(xian)(xian)性(xing)质一样,是在对(dui)接(jie)(jie)(jie)(jie)或搭接(jie)(jie)(jie)(jie)焊(han)中,在对(dui)接(jie)(jie)(jie)(jie)缝或搭接(jie)(jie)(jie)(jie)缝处形成的(de)(de)一种假性(xing)连(lian)接(jie)(jie)(jie)(jie),这种连(lian)接(jie)(jie)(jie)(jie)是逐步(bu)过渡的(de)(de),从完(wan)全的(de)(de)对(dui)接(jie)(jie)(jie)(jie)或搭接(jie)(jie)(jie)(jie)缝到(dao)类似于(yu)热机影(ying)响区的(de)(de)半(ban)塑性(xing)化假性(xing)连(lian)接(jie)(jie)(jie)(jie)直至完(wan)全是焊(han)核程度的(de)(de)塑性(xing)化连(lian)接(jie)(jie)(jie)(jie)。

    (8)孔洞(dong)缺陷是焊缝(feng)内部形成(cheng)(cheng)的一种材(cai)料(liao)未完全闭合的现象,隧(sui)道型缺陷是孔洞(dong)缺陷沿焊接(jie)方(fang)向一直延(yan)伸而(er)形成(cheng)(cheng)的.它们主要(yao)是由于焊接(jie)过程(cheng)中热输(shu)入量不够(gou),塑性化(hua)程(cheng)度(du)不足,材(cai)料(liao)流(liu)动不充分而(er)导致的。


(文章来源(yuan):材料(liao)与测试网-理化检验-物理分(fen)册)
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