第 卷 第 年 焊 期 接 学 报 ( ): 月 铝合金搅拌摩擦焊组织演变与力学性能 王希靖， 魏学玲， 张亮亮 ( 兰州理工大学 有色金属先进加工与再利用省部共建国家重点实验室，兰州 摞 覇: 通过透射电子显微镜 扫描电子显微镜 拉伸试验机和显微硬度计对 ) 铝合金搅拌摩擦焊接头焊 缝区组织演变和力学性能进行分层研究 结果表明，在焊核区上层，材料发生塑性变形，晶格畸变能增加，为降低能 量，大量的位错集聚成亚结构边界发生动态回复 同时在焊接热循环的作用下发生动态再结晶，导致焊缝区上层晶 粒细小 在焊核区下层，主要受到搅拌针搅拌作用，轴肩产热通过扩散过程传递到下层的热量减少，发生动态回复 和动态再结晶程度低于焊缝上层，晶粒粗大 前进侧和后退侧热影响区均出现棒状 硬度都呈 形分布，焊缝上层硬度高于焊缝下层硬度，最小值出现在前进侧 沿着焊缝长度方向上层和下层的 抗拉强度分别为 关键词: ， ，呈降低趋势，为韧性断裂 铝合金; 搅拌摩擦焊; 组织演变 丳圄刌粁叽: 序 沉淀相 对应焊缝上 下两层 : 斍猴栍诌砇: 列车中广泛应用提供必要的理论依据 言 试验方法 铝合金具有比强度高 耐蚀性好等优点，广泛应 用于高速列车车体制造，其中的 铝合金由于其 试验采用 良好的焊接性，优良的机械加工性能，在交通运输和 ［ ］ 机械工程行业的应用越来越普遍 由于铝合金 在空气中活性较大 ，极易与氧气发生反应，在铝合金 厚的 铝合金板材进行 搅拌摩 擦 焊 接，试 样 规 格 为 ，其主要的化学成分见表 表面形成一层致密的氧化膜，这种氧化膜的熔点远 表 高于铝合金的熔点，导致铝合金 的焊接 比较困 难 ， ) 是英国焊接 搅拌摩擦焊 ( ［ 研究所发明的一种固相连接技术 ］ ，被证明是解 ［］ 决铝合金焊接问题最有效的方法之一 ［］ 彪等人 研究了 国内宫文 余量 铝合金厚板搅拌摩擦焊 沿厚度方向性能变化，轴肩产生的摩擦热自上到下 不断降低，是造成中下部工件性能下降的主要原因 ， 但研究主要集中在铝合金厚板力学性能方面 对于 分层的 铝合金的化学成分( 质量分数， ) 铝合金薄板组织中沉淀相和位错 使用 搅拌摩擦焊机，轴肩直 ，搅拌头倾角为 通过正交试验得到最优焊接工艺参数为 : 搅拌针转 径为 ，搅拌针直径为 缝上层和下层受到轴肩和搅拌针产热作用不同，导 ，焊接速度 焊接完成后 沿厚度方向制取试样，焊缝沿厚度方向分为焊缝上 致焊缝组织和性能发生较大变化，所以研究 层和焊缝下层 ，试样分别取焊缝上层中间位置和焊 演变及其对力学性能的影响相关研究较少 由于焊 程中焊缝区组织演变机制对 的广泛运用具有重要作用 对 用的 过 铝合金搅拌摩擦 厚高速列车常 速 缝下层中间位置 采用 对接头焊缝不同区域试样进行显微组织观察 采用 铝合金接头焊缝区组织演变和力学 性能进行分层研究，旨在为 铝合金在高速 显微硬度计在接头横截面中部每隔 测试一次显微硬度，所加载荷为 间为 收稿日期: 基金项目: 囷宰臤焰秋孠埴釋贾劣顳盨( 透射电子显微镜 ，持续时 拉伸试样尺寸如图 所示，焊缝位于拉伸 试样中心，分别取焊缝上层和下层区域 整体焊缝试 ) 样 沿焊缝方向试样 母材进行研究 每个位置试样 焊 选 个，室温条件下在 上进行拉伸试验，拉伸速率为 接 学 报 第 卷 万能拉伸试验机 ，拉伸结 果取其平 均 值 然 后 采 用 美 国 飞 雅 公 司 热场发射扫描电子显微镜观察断口形貌 图 母材微观组织 上层受到轴肩向下的挤压作用和搅拌针强烈的旋转 ) 拉伸试样( 图 搅拌作用，焊缝区上层的塑性变形最严重 图 可 以看出第二相基本上全部分散在基体中，焊核区主 ［ ］ 要为 和溶质原子富集区( 区) 同时在焊 结果与讨论 核区中存在大量的黑色点状沉淀相，图 中插图为 该点状沉淀相的选取电子衍射 根据衍射花样标定 可知该沉淀相为沿着［ ］方向的 相 由 焊接接头宏观形貌 试剂腐蚀后的接头横截面宏观形貌如 ) 热影响区( ) 图 所示，接头分为母材区( ) 及焊核区( ) 焊缝左侧为前 热力影响区( )，右侧为后退侧( ［ ］ ，在该温 于焊核区上层的峰值温度大约为 度下，母材中的大部分第二相粒子能够溶入基体 ，在 焊接快速冷却条件下，几乎全部第二相固溶于基体， ) 焊缝分为焊缝上层 和焊缝下层两个区域进行研究 ，焊缝上层轴肩下方 但母材中微米级的 相未达到溶解温度，尺 寸未发生变化 图 分别为焊缝上层前进侧 金属受到轴肩和搅拌针双重作用，但轴肩起主导作 热力影响区 前进侧热影响区和后退侧热影响区显微 组织形貌 从图 可以看出，热力影响区经历了塑性 进侧( 用，焊缝下层主要受搅拌针搅拌作用 变形， 含有较高密度的位错， 热影响区中针状 沉淀相尺寸较为粗大，棒状沉淀相为 ( 消失， ) ，部 分晶粒内部出现位错 ，沉淀相呈弥散分布 铝合金搅拌摩擦焊缝横截面形貌 图 接头的微观组织 母材显微组织 母材内主要存在两种析出相，如图 所示，主要是长度约为 的针状析出相，如图 ］ 和［ 中黑色箭头所指，沿［ 这些 针 状 析 出 相 是 ［ ］ 方向排列 相( ，底 心 单 斜 结 构) ］ 如图 中白色箭头所指，是针状析出相 ;另一种为直径约 ( 即沿［ 为 ［ ］ 方向的析出相) 的粒状析出相 图 的横截面 右上角中插图 ］ 对应的选区电子衍射图 焊缝区上层接头显微组织 图 为 铝合金搅拌摩擦焊接头焊缝 区上层的显微组织 由于在搅拌摩擦焊过程中焊缝 图 铝合金搅拌摩擦焊缝上层组织 第 期 王希靖，等: 铝合金搅拌摩擦焊组织演变与力学性能 焊缝区下层接头显微组织 图 为 接头焊缝区力学性能 铝合金搅拌摩擦焊接头焊核 区下层的显微组织 图 中存在尺寸很小的圆形 颗粒，图 右上角插图为对应的圆形颗粒选区电子 衍射图，根 据 衍 射 花 样 标 定 结 果 可 知 此 沉 淀 相 为 相 从图 接头拉伸性能 寳焄掟掟央拃伲斧叝迕衆扥揉甯镖覼寙，结果 如图 可以看出，焊缝下层的沉淀相数量明显 多于焊缝上层 从图 可以看出，第二相 相弥 ，焊核区下层 散分散在基体中，尺寸大约为 中第二相数量，尺寸及形貌的变化主要与搅拌头高 速旋转造成的强塑性变形有关，由于表面能的作用， ［ ］ 所示 母材的韧窝直径较大且深，焊接接头 断裂后出现浅韧窝和部分平坦区域，塑性低于母材 如图 所示 对图 和图 中 ， 两点放 大，如图 ， 所示 从图 可以看出，在焊缝区上 层和焊缝区下层韧窝里面都有颗粒状的夹杂相，经 能谱分析得知，其主要包含的元素为 ， ， ， 第二相粒子尺寸减少，粒子球状化 由于塑性变 形继续，部分区域发生动态回复 ，大量的位错聚集为 等元素 由于存在的夹杂相与基体变形差别很大导 致部分区域产生应力集中，当基体沿滑移面进行滑 亚结构边界，使晶粒内部位错减少 搅拌摩擦焊接 移时，应力集中达到强化相本身的强度或强化相与 过程中搅拌针产热和来自焊缝上层轴肩产热扩散到 基体界面结合面强度时，导致强化相本身折断或与 界面脱离，形成最初开裂的微孔 微孔间的材料犹 焊缝下层的热量减少，焊缝区下层的摩擦热小于焊 缝上层，母材中部分沉淀相溶解速率较慢，由于热量 减少，焊缝下层发生动态回复 ，动态再结晶程度低于 如颈缩方式断裂，内颈缩的发展使微孔长大，局部断 焊缝上层 同时，由于变形和高温产生的空位浓度 的韧窝 较低，在焊后时效过程中形成 容易 图 区没有焊缝上层 分别为焊缝区下层前进侧热力影 裂导致微孔连结，微孔连结遗留的痕迹便是断口上 ［ ］ 从图 和图 可以看出，断口布满了大小不 等的圆形或椭圆形的韧窝群，焊缝上层出现等轴韧 响区 前进侧和返回侧热影响区微观形貌 从图 窝数量较多，韧窝较深 从焊缝拉伸试样分析结果 可以看出，热力影响区晶粒内位错绕过第粒子运动， 热影响区中沉淀相发生粗化并部分溶解，存在的部 可以看出， 分沉淀相钉扎位错，阻碍位错的继续运动 在焊缝 搅拌摩擦焊接头焊缝整体及上 下两层，母材的拉伸 ，垂直焊 试验结果为:母材平均抗拉强度为 下层前进侧热影响区晶粒内部出现明显的滑移带， 铝合金层错能较高 ，扩展位错宽度较窄，滑移带终止 于晶界 后退 侧热影 响区 中沉 淀 相 分 散 在 晶 粒 内 部，位错线把晶粒分成很多小块 铝合金搅拌摩擦焊接头的拉伸 断裂形式是典型的韧性断裂 铝合金薄板 ，焊缝下层平 缝方向上层平均抗拉强度为 ;沿焊缝方向上层焊缝平均 均抗拉强度为 ，焊缝下层平均抗拉强度 抗拉强度为 ，焊缝整体平均抗拉强度为 ;从各个试 样平均抗拉强度可以看出上层抗拉强度高于焊缝下 层 由于焊缝上层金属和轴肩直接接触，受到轴肩 和搅拌针搅拌双重热力作用，致使该区域有较高的 热输入 在塑性变形过程中，堆积在第二相粒子周 围的位错数量锐减，从而降低了晶内或亚晶内的位 错密度，使焊缝金属的塑性变形在微观上更均匀，有 利于形成均匀的位错壁和位错胞，同时由于热耗散 时间较长，高温停留时间长，导致该区域中的材料有 充分的时间发生动态回复再结晶，焊缝上层发生动 态回复再结晶程度高于焊缝下层 焊缝下层主要受 到搅拌针的机械搅拌作用，由于搅拌针直径较小，摩 擦变形产生的热量较少同时垫板散热带走了一部分 热量，温度相对偏低，发生动态回 复再 结晶程 度较 低，晶粒粗大，导致焊缝下层 抗拉 强度低 于焊缝 上 图 铝合金搅拌摩擦焊缝下层组织 层 均在前进侧热影响区断裂，由于前进侧和后退 侧 热影响区金属受搅拌针作用力方向不同 ，同时受 焊 图 接 学 报 第 搅拌摩擦焊接头拉伸断裂的 卷 断口分析 到温度的作用，弥散分布的强化相发生聚齐，导致前 铝合金属于时效强化铝合金，强化效果主 进侧过时 效 倾 向 更 为 严 重，前 进 侧 热 影 响 区 性 能 要与沉淀相和运动位错的相互作用有关，沉淀相和 较差 它引起的应变场是位错运动的障碍 接头显微硬度 的时效析出过程为:过饱和固溶体 ［ ］ 铗吂釋揿拆摣擠焄掟迁稅丧焄缗樤 戤靜掟央硦庠刀巽曬纹奼囸 焊缝顶部边缘 距底部边缘 戺礴 上表面为距离 处硬度分布曲线 下表面为 处硬度分布曲线 由图 的针状 通过研究得知 相( 图 合金 区 母材中含有大量 ［ ］ ) ，在峰时效下形成 ， ［ ］ 相与基体保持共格关系 ，其增强效果最好 ; 区 可以 虽然强化相固溶于基体，但焊核区发生动态再结晶 看出， 接头硬度分布近似呈 形，母材硬度 ， ; 最高 大约为 硬度最低值均出现在前进 和轴肩对晶粒的破碎，使晶粒细化，硬度升高，同时 侧热影响区，硬度大约为 母材中未溶解的 和 相以及亚晶结构 边界上大量位错缠结，对晶内的进一步滑移起阻碍 作用，提高了焊核区强度 由于焊缝上层晶粒细化 程度高于下层，焊缝上层硬度高于焊缝下层 热力 影响区中含有一定位错，硬度比热影响区高 当出 现 或 相时，称为过时效状态，增强效果开始变 差 搅拌摩擦焊接过程中，前进侧的温度高于后退 侧，因此前进侧的过时效倾向更为严重，焊缝上 下 两层最小硬度值均出现