攪拌摩擦焊焊后高溫振蕩熱處理組織及機理分析

董豐波 封小松 羅傳紅 黃傳真

摘要：針對2219-O鋁合金攪拌摩擦焊接頭焊點熱處理過程中易出現異常晶粒（AGG）長大現象的問題，對焊接接頭進行高溫振蕩固溶熱處理，并對熱處理前后的接頭微觀組織進行了分析。結果表明，攪拌摩擦焊形成的焊縫熱穩定性較差，晶粒較容易再熱長大，常規熱處理晶粒尺寸達毫米級;圍繞固溶溫度下限作高溫振蕩固溶熱處理能夠有效地抑制粗大晶粒的產生，當溫度振蕩幅度大于90 ℃，焊核晶粒為直徑約20 μm的細晶。

關鍵詞：攪拌摩擦焊;微觀組織;高溫振蕩;熱不穩定性

0 前言

攪拌摩擦焊（FSW）是一種新型的固相連接技術，解決了2系和7系變形鋁合金傳統熔焊難以焊合的問題。然而焊后材料存在熱損傷和機械損傷，力學性能會有所下降，在很多情況下需進行焊后熱處理以恢復性能。在焊后熱處理過程中，易發生異常晶粒長大（AGG）現象，粗大晶粒極易在焊核區生成，而焊核區晶粒具有極大的熱不穩定性[1]。

第二相顆粒、織構、界面效應以及溶質偏析，均會影響晶粒長大的驅動力和晶界的可動性，進而影響異常晶粒長大。Humphreys[2]認為在正態分布的晶粒結構中，要抑制異常晶粒長大的發生，必須保證釘扎參數足夠大，平均晶粒尺寸越大，第二相顆粒濃度越高、尺寸越細小，釘扎作用越強。為提高焊核細晶結構穩定性，Mishra等[3]探索通過焊接工藝參數對AGG的控制，熱輸入增加伴隨著焊后晶粒度的增大，從而抑制了AGG。同時研究表明，焊核區晶粒結構不僅受熱輸入的影響，也受材料流動的影響，導致焊接熱輸入與AGG的關系其規律性并不明顯，很難通過對焊接工藝參數的調控來有效提高FSW焊核細晶結構的熱穩定性。通過外部引入添加第二相粒子則不僅能實現抑制AGG的目標也有望通過粒子的彌散強化提高焊核性能。在鋁合金中利用FSP加入碳納米管作為增強相[4]，將SiC 顆粒較為均勻的混合分布在焊核區[5]，將Si粒子通過FSP的過程分散在鋁基體中[6]，也可應用原位自生的方法來制備顆粒增強復合材料[7]。這些研究表明第二相顆粒濃度越大的區域，再結晶晶粒在長大過程中所受到的釘扎作用越強，越能保持細小的晶粒結構，焊核區再熱時未發生異常晶粒長大。添加焊料在焊核區引入第二相顆粒對焊核區再結晶晶粒長大和焊后熱處理中異常晶粒長大起著雙重限制作用。通過第二相粒子實現抑制AGG的方法目前也有許多問題，比如第二相粒子很難在焊核區有較好的分散，且第二相粒子容易團聚，轉速的提高和攪拌針下壓量的增大都有利于第二相在基體中的彌散，這使得焊接工藝復雜化，有的研究表明使第二相粒子相對分散需要多道次甚至十幾道次的焊接。另外，引入的第二相只能對焊核增強，接頭整體性能存在不均勻性問題等。

本文通過焊后熱處理對焊核晶粒晶界進行重建，通過誘導第二相粒子在晶界上的偏聚和析出，增強第二相粒子的釘扎作用，提高晶界勢壘，防止晶界大幅度遷移，減小晶粒間的合并長大，盡量保持焊核區細晶結構，有望抑制焊核區AGG的發生，解決攪拌摩擦焊接頭熱不穩定性問題。

1 試驗材料與方法

焊接試驗用材料為2219-O態300 mm×200 mm×6 mm鋁合金軋制板，其主要化學成分如表1所示。攪拌摩擦焊機采用螺紋三棱型攪拌頭，攪拌針直徑6 mm，軸肩直徑為20 mm。焊接方式為單道對接焊，在拼焊板上沿焊縫橫向分別取樣，用混合酸（1.0%HF+1.5%HCL+2.5%HNO3+95.0%H2O）對拋光后的試樣進行腐蝕，在大型臥式OLYMPUS光學顯微鏡下觀察微觀組織。

焊后熱處理方法為：先在固溶溫度以上短時停留1～2 min，然后在略低于固溶溫度下保溫2～3 min，再重復，實現在固溶溫度線附近的高溫振蕩加熱。固溶熱處理示意如圖1所示，可以使用兩臺熱處理爐來完成溫度振蕩，溫度近似為“方波”加熱;也可用一臺熱處理爐實現，當爐溫加熱到預定的溫度并短時保溫，半開爐門讓溫度快速下降到預定溫度，再關上爐門保溫，溫度曲線近似“正弦波”。

2 結果及分析

2.1 熱處理前后組織的變化

焊態下焊核組織見圖2，這一區域的晶粒都表現出流變的形態，觀察不到明顯的晶界，說明動態再結晶過程中流變速度大于再結晶速度，晶粒形態區別于靜態再結晶的顆粒狀形態。同時能觀察到殘存的第二相，這些相顆粒的排列也呈現出一致的流態。

常規熱處理焊核組織如圖3所示，在260 ℃下保溫60 min，然后在535 ℃下保溫10 min。從圖中可以看出焊核晶粒都發生了高溫再結晶，晶粒長大，晶界清晰，在焊核與熱機影響區交界兩邊晶粒尺寸差別較大，焊核區最大晶粒尺度超過1 mm，且晶粒沿截面厚度方向生長，這與焊縫金屬流動擠壓受力方向有關系，形成與工作主應力方向正交的條狀晶，這種形態的再結晶組織，將大大削弱接頭的承載強度。按規范推薦2219-O態鋁合金的固溶熱處理在535 ℃溫度下保溫25～35 min，實驗保溫時間低于正常熱處理保溫時間，因此這些碩大的晶粒并不是晶粒正常長大的結果。

高溫振蕩熱處理焊核晶粒形貌如圖4所示，從圖4a～圖4c，熱處理規范依次增加了溫度振蕩的幅度，圖4a、4b是“正弦”加熱振蕩的結果，圖4c為“方波”加熱振蕩的結果。圖4a為熱處理規范下焊核晶粒為長條晶，尺寸在200～300 μm范圍內;圖4b為規范下焊核晶粒在500 μm以內，板條狀形態;圖4c為規范焊核晶粒為等軸細晶，晶粒直徑約20 μm;各規范下晶界較為清晰。高溫振蕩熱處理結果與常規熱處理結果相比，晶粒尺寸有較大程度地減小，在焊核與熱機影響區兩邊的晶粒尺寸的差距縮小，異常晶粒長大趨勢受到了一定程度的抑制;各高溫振蕩熱處理結果相比，隨著溫度振蕩幅度的加大，晶粒更加細小，當高低溫差達到90 ℃以上時，焊核晶粒基本不發生異常長大現象;“方波”加熱相比于“正弦”加熱，由于減少了高溫停留的時間，抑制晶粒異常長大的效果更加明顯;在常規熱處理中即便增加了低于300 ℃的低溫回火，但抑制晶粒異常長大的作用并不明顯，認為低溫回火只是對位錯的回復，異常晶粒長大的驅動力來自界面能的降低，而不是來自應變能的增加。

高溫振蕩中，如果參數不合適，晶界析出相粗大并連續分布，就會導致裂紋出現，如圖5所示。顯微組織觀察可發現晶界稍變粗，粗大的晶粒晶界平直、嚴重氧化，三個晶粒的銜接點呈黑三角，出現沿晶界的裂紋。

2.2 高溫震蕩固溶抑制異常晶粒長大的機理分析

上述研究表明，攪拌摩擦焊焊核區在熱處理時形成粗大晶粒的機制是異常晶粒長大，而非再結晶和普通晶粒長大。分析認為焊核組織是在機械破碎的作用下形成，是一個全新的晶界，而且晶界上沒有第二相粒子的釘扎作用，導致晶界能較低，相鄰的晶粒即便是大角度晶界都容易合并，出現異常長大[8]。發生異常晶粒長大的原因是彌散的夾雜物或者第二相粒子對晶粒長大過程的阻礙。例如，彌散的析出相可阻礙晶粒長大，但析出相在各個粒子中的分布不均勻，而且它們在固溶溫度很高時要發生聚集長大或者溶解于材料基體之中，可能有少數晶粒能脫離析出相的約束，獲得優先長大的機會，這樣就為反常的不均勻的晶粒長大創造了條件。

由于晶內與晶界在析出相形核與長大熱力學與動力學上的差異，鋁合金晶內與晶界的析出組織差別顯著。晶內析出相通常為GP區、θ'和 θ''相;晶界析出相為θ相并存在晶界無沉淀區。當加熱溫度在低于固溶溫度的高溫下，合金處于溶質過飽和度狀態，晶內晶界的析出將受驅動力（熱力學）的控制，平衡相θ在晶內析出受形核能的限制不能進行，而僅產生晶界析出。此時晶界析出的數量可通過調節溫度即調節過飽和度來調控，形成晶界預析出狀態[9]。當溶質原子向再結晶前沿偏聚并析出，起釘扎晶界作用，再結晶前沿只有擺脫它才能移動。所以高溫振蕩不斷析出在晶界的穩態θ相，有利于抑制焊核晶粒的異常長大，參數合適的時候可以得到相對均勻一致的晶粒尺度。高溫振蕩用來改善晶界和晶內的析出狀態，以達到重建晶界的目的，使材料具有良好的熱穩定性。

3 結論

（1）攪拌摩擦焊形成的焊縫熱穩定性較差，晶粒較容易再熱長大，常規熱處理晶粒尺寸達毫米級。

（2）圍繞固溶溫度下限作高溫振蕩固溶熱處理有效地抑制了晶粒粗化傾向，當溫度振蕩幅度大于90 ℃時，形成焊核晶粒直徑約20 μm的細晶組織。

（3）當加熱溫度低于固溶溫度，在晶界上優先形成析相，預析出可形成不連續晶界的析出相，起釘扎晶界作用，因此高溫振蕩固溶熱處理可有效解決攪拌摩擦焊接頭的異常晶粒長大問題。

參考文獻：

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