鋁合金攪拌摩擦焊接頭織構(gòu)的研究進(jìn)展

周　俊，張　津，計(jì)鵬飛

（1.北京科技大學(xué)新材料技術(shù)研究院，北京100083；2.北京市腐蝕、磨蝕與表面技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083）

鋁合金攪拌摩擦焊接頭織構(gòu)的研究進(jìn)展

周俊1，2，張津1，2，計(jì)鵬飛1，2

（1.北京科技大學(xué)新材料技術(shù)研究院，北京100083；2.北京市腐蝕、磨蝕與表面技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083）

在鋁合金攪拌摩擦焊（FSW）過程中，焊接接頭中存在著織構(gòu)的演變過程，這對焊接時(shí)材料的塑性變形與流動行為、接頭性能和接頭殘余應(yīng)力的檢測均產(chǎn)生重要影響。綜述了鋁合金板中的織構(gòu)及其在FSW中的演變過程，概括介紹同種鋁合金、異種鋁合金以及鋁合金與其他材料異種攪拌摩擦焊接接頭織構(gòu)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀；指出鋁合金攪拌摩擦焊接接頭織構(gòu)研究存在的不足，并展望鋁合金攪拌摩擦焊接頭織構(gòu)研究的發(fā)展方向。

鋁合金；攪拌摩擦焊；織構(gòu)

0　前言

攪拌摩擦焊（FSW）是一種先進(jìn)的固態(tài)連接技術(shù)[1]，與傳統(tǒng)熔化焊接方法相比，攪拌摩擦焊接頭具有外觀平整、性能優(yōu)異、環(huán)保、焊后殘余應(yīng)力和變形小等優(yōu)點(diǎn)[2]，已經(jīng)在航空、航天、汽車、船舶等多個(gè)領(lǐng)域得到了突破性的發(fā)展和應(yīng)用，對于鋁合金的焊接已經(jīng)獲得了大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用[3]。目前FSW主要用于鋁合金、鎂合金、銅及銅合金等輕金屬間的同種或異種焊接[4]。鋁合金FSW焊接過程中，焊接板中廣泛存在的織構(gòu)，對焊接時(shí)材料的塑性變形與流動行為以及接頭性能均產(chǎn)生重要影響。同時(shí)織構(gòu)反應(yīng)的晶粒取向還會影響FSW焊接板殘余應(yīng)力的無損測定[5]。因此，鋁合金攪拌摩擦焊接頭織構(gòu)的研究具有十分重要的意義。

1　鋁合金FSW焊接板中的織構(gòu)

1.1鋁合金板中織構(gòu)的種類

多晶體由許多晶粒組成，當(dāng)其晶粒取向分布偏離完全無序狀態(tài)，呈現(xiàn)某種擇優(yōu)分布趨勢時(shí)就形成織構(gòu)。鋁合金FSW焊接板主要存在變形織構(gòu)和再結(jié)晶織構(gòu)，常見的變形織構(gòu)和再結(jié)晶織構(gòu)如表1所示[6]。

表1　鋁合金中常見的變形織構(gòu)和再結(jié)晶織構(gòu)Tab.1Aluminium alloy in common deformation texture and recrystallization texture

1.2鋁合金板中織構(gòu)的形成過程

經(jīng)過擠壓、軋制的鋁合金板材，在塑性變形過程中常在原子最密集的晶面發(fā)生滑移，滑移過程中，晶體連同其滑移面發(fā)生轉(zhuǎn)動，從而引起多晶體中晶粒方位出現(xiàn)一定程度的有序變化，在變形鋁合金板中形成變形鋁合金。鋁合金中軋制織構(gòu)是較為常見的一種變形織構(gòu)，主要包括S織構(gòu){123}＜634＞、黃銅織構(gòu)Brass{011}＜211＞、銅型織構(gòu)Copper{112}＜111＞。如圖1所示，鋁合金中的主要織構(gòu)組分在ODF的45°截面上的位置，包括軋制織構(gòu)、再結(jié)晶織構(gòu)等[7]。

圖1　鋁合金中的主要織構(gòu)組分在ODF的45°截面上的位置Fig.1Main texture components of aluminum alloy on the 45°section of ODF position

具有形變織構(gòu)的冷加工金屬，經(jīng)過退火再結(jié)晶以后，晶粒通常仍具有擇優(yōu)取向，此即為再結(jié)晶織構(gòu)或退火織構(gòu)。再結(jié)晶織構(gòu)可能和原來的形變織構(gòu)一致，但更多的是與原來的形變織構(gòu)完全不同。一般FCC金屬的再結(jié)晶織構(gòu)有立方織構(gòu){001}<100>，R型織構(gòu){124}<211>、P型織構(gòu){011}<122>以及黃銅R型織構(gòu){236}<385>等。

1.3鋁合金板中織構(gòu)在FSW過程中的演變過程

2　三種類型鋁合金FSW焊接接頭織構(gòu)的研究進(jìn)展

焊接接頭的微觀組織結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能密切相關(guān)，根據(jù)攪拌摩擦焊工藝的特點(diǎn)，一般將焊接接頭分成三個(gè)區(qū)：焊核區(qū)SZ（stir zone）、熱機(jī)影響區(qū)TMAZ（thermo-mechanically affected zone）、熱影響區(qū)HAZ（heat-affectedzone），如圖2所示。其中BM（basemetal）為母材區(qū)，圖2a的焊接接頭組織演變類型存在于緩慢再結(jié)晶焊接材料，例如鋁合金[10-13]；圖2b的焊接接頭組織演變類型存在于再結(jié)晶速率較快的材料，例如奧氏體不銹鋼或鈦合金[14]。鋁合金FSW焊接接頭可分為同種鋁合金焊接接頭、異種鋁合金焊接接頭、鋁合金與其他材料的焊接接頭，這些接頭在FSW焊接中存在不同的織構(gòu)變化過程。

2.1同種鋁合金焊接接頭織構(gòu)研究進(jìn)展

同種鋁合金焊接接頭存在如圖2a所示的三個(gè)焊接區(qū)，由母材到焊縫中心織構(gòu)的組分發(fā)生變化，織構(gòu)的強(qiáng)度減弱，受焊接材料狀態(tài)和焊接工藝的影響，織構(gòu)的變化存在一定差異性。

孫景峰等人[15]分析了2060-T8鋁合金攪拌摩擦焊焊區(qū)織構(gòu)，發(fā)現(xiàn)母材的織構(gòu)為（110）[112]黃銅織構(gòu)，焊核區(qū)變?yōu)椋?11）[112]高斯織構(gòu)，織構(gòu)強(qiáng)度也降低。后退側(cè)熱機(jī)影響區(qū)具有較強(qiáng)的織構(gòu)，織構(gòu)組分與母材的相同，前進(jìn)側(cè)熱機(jī)影響區(qū)的織構(gòu)較弱，具有母材和焊核區(qū)的部分織構(gòu)組分。

陳勝[16]對固溶態(tài)7075鋁合金攪拌摩擦急停加工織構(gòu)演變進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)固溶態(tài)7075鋁合金攪拌摩擦加工過程中，動態(tài)再結(jié)晶機(jī)制為幾何動態(tài)再結(jié)晶和連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶兩種機(jī)制；初始軋制態(tài)晶粒在攪拌頭的剪切作用下，持續(xù)向著有利于剪切變形的方向偏轉(zhuǎn)并逐漸演變成剪切織構(gòu)，最終由典型的軋制織構(gòu)演變成了較強(qiáng)的B/B剪切織構(gòu)組分。

圖2　攪拌摩擦焊接頭橫截面示意Fig.2Friction stir welding head cross section diagram

袁鴿成[17]等人使用EBSD對攪拌摩擦焊焊接5083鋁合金板材焊核區(qū)的晶體取向進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，母材黃銅B織構(gòu){011}＜211＞和S織構(gòu){123}＜634＞的比例分別達(dá)到30.6％和13.6％以上；但是經(jīng)FSW后，焊核區(qū)B織構(gòu)和S織構(gòu)比例分別減少至4％和1.8％，且其他面心立方金屬常見的織構(gòu)組分比例均低于8％，意味著焊核區(qū)由原始軋制強(qiáng)取向組織轉(zhuǎn)變?yōu)槿跞∠蚪M織。

王學(xué)敏[18]研究了3003鋁合金攪拌摩擦焊焊接織構(gòu)演變，發(fā)現(xiàn)攪拌摩擦焊織構(gòu)主要由R-Cube、Goss和Brass組分構(gòu)成，如圖3所示，A區(qū)繞ND軸旋轉(zhuǎn)±25°，得到的極圖與B區(qū)、C區(qū)基本相同；熱處理焊接樣品對于熱軋板焊接樣品強(qiáng)度方面有所提高，空氣中焊縫比在水中焊縫強(qiáng)度高；同一樣品在不同厚度方向上，織構(gòu)強(qiáng)度基本都呈現(xiàn)先增大后較小的狀態(tài)，并且在約1/4厚度處達(dá)到最大值。

總而言之，路基路面是公路工程中的重要組成部分，在路基路面防水施工過程中，會受到諸多因素的影響，為確保防水路基路面質(zhì)量，工作人員應(yīng)結(jié)合工程情況選擇適宜的路基路面防水施工技術(shù)，加強(qiáng)施工管理，嚴(yán)格按照施工規(guī)范施工，從而提升公路工程的防水性能，保障公路工程質(zhì)量。

圖3　攪拌摩擦焊織構(gòu)測量區(qū)域劃分Fig.3Friction stir welding texture measurement division

El-Danaf EA[19]等人研究了6082AA鋁合金攪拌摩擦焊后熱處理對接頭織構(gòu)的影響，結(jié)果表明，焊核區(qū)存在典型的剪切織構(gòu)，主要是織構(gòu)組分是{110}＜001＞和{114}＜221＞；接頭經(jīng)過175℃保溫5 h的退火處理后，焊核區(qū)的晶粒尺寸沒有明顯變化，但是織構(gòu)明顯減弱，這與Sato、Yutaka S[20]等人對6063-T5鋁合金攪拌摩擦焊焊后熱處理的研究結(jié)果相似。

I.Kalemba[21]等人使用EBSD分析了7136-T76鋁合金攪拌摩擦焊接頭的織構(gòu)，通過分析焊核區(qū)晶粒取向差分布發(fā)現(xiàn)存在非常微弱的織構(gòu)；如果對比前進(jìn)側(cè)和后退側(cè)的晶粒及織構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)焊接接頭的微觀組織具有明顯的不對稱性，前進(jìn)側(cè)的焊核區(qū)與熱機(jī)影響區(qū)存在明顯的邊界，并且前進(jìn)測的織構(gòu)含量較高。

W.Woo[22]等人使用中子衍射法研究了6061-T6鋁合金攪拌摩擦焊接頭織構(gòu)，通過分析取向分布函數(shù)發(fā)現(xiàn)，母材存在典型的形變織構(gòu)，包括立方織構(gòu)和高斯織構(gòu)，而再結(jié)晶區(qū)存在由焊接引起的剪切織構(gòu)；攪拌針使材料發(fā)生劇烈的塑性變形，使焊接中心層的晶粒擇優(yōu)取向發(fā)生明顯變化，而焊接過程中軸肩產(chǎn)生的熱量對晶粒擇優(yōu)取向分布的影響很小。

2.2異同種鋁合金焊接接頭織構(gòu)的研究進(jìn)展

異種鋁合金焊接接頭也存在圖2a所示的三個(gè)焊接區(qū)，焊接接頭織構(gòu)的演變類似于同種鋁合金焊接接，目前國內(nèi)外對于異種鋁合金攪拌摩擦焊組織性能研究較多，但對于焊接接頭織構(gòu)的研究較少。

姜明坤[23]使用EBSD對2024-T4/7050-T7451鋁合金攪拌摩擦焊焊核區(qū)和母材區(qū)的晶粒取向進(jìn)行測試，結(jié)果表明，焊核區(qū)的晶粒取向分布是無規(guī)則的，其晶界取向差角呈大角度晶界分布；而母材金屬的晶粒在攪拌摩擦焊接后仍然保持著軋制變形狀態(tài)，具有強(qiáng)烈的{112}<111>織構(gòu)，其晶界仍然是小角度晶界。

朱加祥[8]研究了5052與6061異種鋁合金攪拌摩擦焊接頭織構(gòu)，結(jié)果表明，在熱影響區(qū)和熱機(jī)械影響區(qū)發(fā)生了回復(fù)反應(yīng)，母材中存在的立方織構(gòu){001}<110>和S{123}<634>織構(gòu)消失，在6061—側(cè)熱影響區(qū)出現(xiàn)了反高斯織構(gòu){001}<110>；熱機(jī)械影響區(qū)晶粒發(fā)生了彎曲變形，局部區(qū)域在熱循環(huán)的作用下發(fā)生了回復(fù)反應(yīng)，出現(xiàn)了少量的剪切織構(gòu)；焊核區(qū)的晶粒經(jīng)剪切力作用發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶，出現(xiàn)了較強(qiáng)的剪切織構(gòu){112}<110>。

馬小革[24]發(fā)現(xiàn)AA7050/AA2024 FSW接頭的母材區(qū)存在強(qiáng)烈的變形織構(gòu)，其中C{112}<111>含量最多，小角度晶界和大角度晶界數(shù)量基本相等，各占約50％；焊核區(qū)為等軸、細(xì)小的再結(jié)晶晶粒，其中小角度晶界含量為7.3％，大角度晶界含量為92.7％，晶粒取向分布無規(guī)則，不存在擇優(yōu)取向問題；兩側(cè)熱機(jī)影響區(qū)幾種較弱織構(gòu)并存，織構(gòu)強(qiáng)度低。

H.Jin[25]等人使用X射線衍射法對5754和5182鋁合金的攪拌摩擦焊接頭進(jìn)行了對比分析，發(fā)現(xiàn)焊核區(qū)沒有強(qiáng)織構(gòu)存在，并且織構(gòu)的組分相似；焊接區(qū)的晶界多為大角度晶界，說明5754和5182的焊接區(qū)均經(jīng)歷了同性質(zhì)的貫穿板厚方向的動態(tài)再結(jié)晶，晶粒的各向異性減弱，使接頭具有更好、更均勻的機(jī)械性能。

S.Agarwal[26]等人研究了AA5182-O和AA6111-T4鋁合金攪拌摩擦焊接頭，結(jié)果表明，由母材到焊接中心的織構(gòu)均減弱，其中AA6111-T4接頭織構(gòu)的變化較為平緩，兩種鋁合金在接頭處具有相似的織構(gòu)，前進(jìn)側(cè)和后退側(cè)的織構(gòu)具有不對稱性，前進(jìn)測的織構(gòu)強(qiáng)于后退側(cè)，后退側(cè)組織結(jié)構(gòu)的變化較為平緩，組織結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，一般由尺寸相差較大的晶粒組成。

J-H.Cho[27]等人對A5083和A6082鋁合金擠壓板攪拌摩擦焊后的織構(gòu)演變進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)母材中存在大量的形變織構(gòu)，主要是黃銅織構(gòu)和銅型織構(gòu)，并且含有少量的再結(jié)晶立方織構(gòu)，其中A5083中的黃銅織構(gòu)強(qiáng)度比A6082高，而A6082中的立方織構(gòu)含量更高。A5083的焊核區(qū)的晶粒為等軸狀，晶粒的取向隨機(jī)分布，但是A6082焊核區(qū)存在很強(qiáng)的剪切織構(gòu)。

2.3鋁合金與其他材料焊接接頭織構(gòu)的研究進(jìn)展

鋁合金與其他材料焊接接頭存在如圖2所示的2～3個(gè)焊接區(qū)，由于焊接材料性能相差較大，前進(jìn)側(cè)和后退側(cè)的織構(gòu)演變具有明顯的不對稱性。

Kwang-Jin、LEE[28]等人研究了AA6061-T6和AZ31合金異種攪拌摩擦焊接頭的微觀組織。使用EBSD觀察攪拌區(qū)的晶粒取向，得到粒徑分布和錯(cuò)位角分布，發(fā)現(xiàn)在攪拌區(qū)存在相對精細(xì)的晶粒結(jié)構(gòu)。在AA6061-T6攪拌區(qū)出現(xiàn)隨機(jī)或弱的晶粒取向，而在AZ31攪拌區(qū)出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)底面取向。與母材相比，在AA6061-T6攪拌區(qū)的大角度晶界的含量增大，而在AZ31攪拌區(qū)的小角度晶界的含量減小。

R.S.Coelho[29]等人使用EBSD研究了AA6181-T4鋁合金和DP600鋼攪拌摩擦焊接頭的材料流動行為，結(jié)果表明，接頭的晶粒出現(xiàn)擇優(yōu)取向，并且前進(jìn)側(cè)和后退側(cè)的晶粒取向不相同，整個(gè)焊接區(qū)的織構(gòu)并不相同。

R.S.Coelho[30]等人對AA6181-T4鋁合金HC340-LA高強(qiáng)度鋼攪拌摩擦焊搭接接頭的組織和性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)AA6181-T4母材存在典型的立方軋制織構(gòu)，高強(qiáng)度鋼母材存在γ纖維{111}||ND織構(gòu)，接頭前進(jìn)側(cè)和后退側(cè)的織構(gòu)存在輕微的差異；AA6181-T4鋁合金位于后退側(cè)，HC340LA高強(qiáng)度鋼位于前進(jìn)側(cè)，焊接產(chǎn)生的熱量不足以使前進(jìn)側(cè)熱影響區(qū)的晶粒生長，因此，熱影響區(qū)的晶粒取向相對于母材沒有發(fā)生變化，而熱機(jī)影響區(qū)的晶粒發(fā)生了劇烈的塑性變形，晶粒取向發(fā)生了明顯變化，組織變化相對于后退側(cè)更為平緩。受到劇烈塑性變形和動態(tài)再結(jié)晶的作用，靠近鋁合金側(cè)的焊核區(qū)晶粒與另外一側(cè)焊核區(qū)的晶粒取向相近。

S.Bozzi[31]等人使用EBSD對6008鋁合金和鋼的攪拌摩擦焊接頭的再結(jié)晶機(jī)制進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)6008鋁合金母材主要含有立方織構(gòu)和高斯織構(gòu)，鋼中織構(gòu)主要是α和γ纖維織構(gòu)，但是織構(gòu)強(qiáng)度不高。鋼焊接區(qū)的組織結(jié)構(gòu)并沒有發(fā)現(xiàn)明顯的演變，而鋁合金焊接區(qū)的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大變化，焊核區(qū)發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，小角度晶界的含量減小。攪拌頭的停留時(shí)間對焊接區(qū)的織構(gòu)并沒有影響，但是由于測試區(qū)的晶粒數(shù)量較少，統(tǒng)計(jì)性不足，這個(gè)結(jié)論還需要進(jìn)一步論證。

3　總結(jié)與展望

國內(nèi)外對于接頭織構(gòu)的研究主要是使用EBSD對焊接區(qū)進(jìn)行晶粒取向的測試，分析出織構(gòu)的演變過程，但是對織構(gòu)演變機(jī)理的研究較少。對同種鋁合金攪拌摩擦焊對接的織構(gòu)演變較多，而對于鋁合金與其他材料的焊接以及搭接、T型連接等接頭織構(gòu)的研究較少。未來對于接頭織構(gòu)的研究，一方面要重點(diǎn)研究焊接區(qū)新晶粒的成核機(jī)理以及連續(xù)變形對織構(gòu)的影響，此外，區(qū)分軸肩和攪拌針對最終材料變形的影響也很重要，因?yàn)檩S肩下的材料變形很可能決定織構(gòu)的形成，而攪拌針會是焊接區(qū)在低溫再結(jié)晶時(shí)引入剪切變形。另一方面，應(yīng)深入研究織構(gòu)對接頭性能的作用規(guī)律以及通過控制織構(gòu)的成分和含量來提高焊接性能，實(shí)現(xiàn)材料性能的最優(yōu)化。

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Research progress of microstructure of welded joints in friction stir welding for aluminium alloy

ZHOU Jun1，2，ZHANG Jin1，2，JI Pengfei1，2
（1.Institute for Advanced Materials Technology，UniversityofScience and TechnologyBeijing，Beijing100083，China；2.Beijing Key Lab.for Corrosion，Erosion and Surface Technology，University of Science and Technology Beijing，Beijing100083，China）

In aluminium alloy friction stir welding（FSW），the evolution process of welded joints occurs，which has important influence on the plastic deformation and flow behavior of materials，performance of welded joints and detection of residual stress in welding.The microstructure of aluminum alloy plate and its evolution process in FSW are summarized in this paper.The domestic and overseas research status of microstructures of welded joints in FSW for similar and dissimilar aluminum alloy as well as aluminum alloy and other materials are introduced.The deficiencies in the research on the microstructures of FSW joints of aluminium alloy are pointed out，and the development direction of the research is expected.

aluminium alloy；friction stir welding；microstructure

TG453+.9

C

1001－2303（2015）11－0073-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.11.15

2015-05-19；

2015-06-09

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51275037）

周?。?989—），男，安徽阜陽人，在讀碩士，主要從事鋁合金攪拌摩擦焊焊接接頭的織構(gòu)及殘余應(yīng)力檢測研究。