转速对6082

0 序 言

搅拌摩擦焊 (friction stir welding, FSW)是一种新型的固相连接技术，能够实现同种或异种金属之间的连接[1]. 与传统熔焊相比，具有焊接变形小、残余应力小、无焊接热裂纹等优点[2-3].

中新社报道，国家医保局决定在全国范围内开展打击欺诈骗取医疗保障基金专项行动“回头看”。“回头看”聚焦三个重点领域：一是医疗机构，二是零售药店，三是参保人员。

搅拌摩擦焊实质是利用高速旋转的搅拌头与被焊工件之间的摩擦热，同时被焊工件也受到搅拌头的挤压，使其产生塑性金属而实现金属之间的连接，因此，摩擦热和塑性金属流动严重影响着焊接接头的力学性能，国内外学者着重研究焊接接头温度场以及金属塑性流动特征[4-5]. 在焊接过程中，焊缝金属经历了高温下的塑性变形，而面心立方金属的塑性变形是通过位错的运动及相互作用来实现，当晶粒受到搅拌针及轴肩的作用时，滑移面与滑移方向沿一定方向转动，最终达到面心立方金属中的稳定取向，导致FSW焊缝中出现织构，当材料中存在织构时，表现为各向异性[6]. Suhuddin等人[7]研究表明，由于搅拌针所引入的剪切应力，匙孔周围形成{1 1 2} < 1 1 0 > 剪切织构，而在远离匙孔区域，焊核区经历了静态热处理，{1 0 0} < 1 0 0 > 立方织构占主导地位；且轴肩对焊核区上表面晶粒取向有着显著的影响[8].

焊接过程中搅拌头转速影响着焊接接头微观组织[9]，因此，文中以6082-T6铝合金FSW为研究对象，应用瞬间急停–迅速冷却技术[7]，冻结焊接过程中焊核区上表面出现的晶粒取向；采用电子背散射衍射(EBSD)技术，研究不同转速焊接过程中晶粒形貌、晶粒尺寸、织构组分、晶界取向差的演化，为6082-T6铝合金的广泛应用提供理论依据.

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1 试验方法

试验材料选用厚度为2 mm的6082-T6铝合金，焊接试板尺寸为 100 mm × 50 mm × 2 mm，成分如表1所示.

使用柱状搅拌头将铝合金试板沿轧制方向进行对接，轴肩直径 10 mm，搅拌针直径 2 mm，针长1.8 mm，焊接速度 80 mm/min，转速分别为 1 200，2 000 r/min，搅拌头倾角 3°，下压量 0.1 mm. 当搅拌头行走80 mm时，立即按下急停按钮，启动急停系统，同时用冰水混合物冻结其动态组织. 母材及焊核区用线切割截取EBSD试样，取样位置如图1所示，区域1位于焊缝正中心，距离匙孔40 mm，即焊接达到准稳态后的组织，当FSW达到准稳态后峰值温度出现在焊核区上表面，大约为480 ℃[10].为了观察焊接过程中焊核区动态组织，采用“Stopaction”技术将被焊工件冷却，以减少因焊后热循环而产生的静态再结晶及晶粒长大. 母材及区域1试样上表面经砂纸粗磨、机械抛光后，在10%高氯酸无水乙醇溶液中进行电解抛光，抛光电压为20 V，抛光液温度−20 ℃，抛光时间 40 s.采用带有 EBSD探头 (AztecX-Max80)和 Channel 5取向分析系统的场发射扫描电子显微镜 (Quanta 450 FEG)进行电子背散射衍射试验，测试电压为20 kV. 分析过程中，参考坐标系如图1所示，焊接方向(WD)，横向 (TD)和法向 (ND)，织构以 (h k l)[u v w]形式表达，其中(h k l)为垂直于ND方向晶体的晶面，而[u v w]为平行于 TD 方向的晶向. 定义取向差为 2° ～15°的晶界为小角度晶界，大于15°则为大角度晶界，图2c中用灰色线表示小角度晶界，黑色线表示大角度晶界；按等效直径法计算平均晶粒尺寸.

表 1 6082 铝合金的化学成分(质量分数，%)
Table 1 Nominal compositions of the 6082 aluminum alloy employed in this work

SiMg Cu TiFeCrZn Al 0.970.670.070.010.370.010.06余量

图 1 焊接方向和轴肩旋转方向以及EBSD试样取样位置示意图
Fig. 1 Schematic diagram of welding direction and rotation direction and the rectangles in black showing the locations of the EBSD maps

2 试验结果及分析

2.1 晶粒形貌分析

图 2a ～ 2c 分别为母材、搅拌头转速为 1 200，2 000 r/min时焊合区的晶粒形貌及晶界分型图，按等效直径法计算平均晶粒尺寸，母材平均晶粒为25 μm，其晶粒间取向差接近于自由取向差(图3)，晶粒没有明显的择优取向；图2b显示转速为1 200 r/min时焊核区晶粒形貌，可以看出细小等轴晶均匀的分布于焊核区，平均晶粒大小为3 μm，这是由于在焊接过程中，由轴肩及搅拌针所引入的剪切应力首先使母材粗大晶粒发生塑性变形，然后经历动态回复再结晶所致[11]；图 1c 显示转速为 2 000 r/min 焊核中心晶体形貌，与前者相比，随着搅拌头转速的提高，焊接过程中产热更多，达到了更高的瞬时温度，同时也经历了更高的焊后热循环温度，使焊合区细小晶粒进一步长大，其平均晶粒大小为6 μm.

图 2 EBSD晶粒形貌及晶界分型图
Fig. 2 EBSD images of grains and boundaries type

2.2 晶界特征分析

图3给出了测试区的晶粒间取向差分布，由图3可知，从母材到焊合区，小角度晶界组分明显增多，而大角度晶界组分减少，这是由于在FSW焊接过程中，母材受到搅拌针及轴肩的挤压，使焊合区具有软取向因子的晶粒发生塑性变形，晶粒内的位错密度升高，导致小角度晶界组分增加. 但在随后的动态回复再结晶过程中，通过形核新的晶粒，部分小角度晶界转变成大角度晶界，从小角度晶界向大角度晶界的转变，也是焊接过程中晶粒细化机理. 随着搅拌头转速的提高，小角度晶界组分明显减少，这是由于当搅拌头转速提高时，焊接过程中达到了更高的瞬时温度，也经历了更高的焊后热循环温度，焊合区晶粒间的应力得到了释放，使更多的小角度晶界转化为大角度晶界.

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2.3 织构分析

图 3 晶粒间的取向差分布
Fig. 3 Misorientation angle distribution histogram plots

采用牛津公司开发的Channel 5软件进行织构分析，表2是通过此软件计算得出的对应不同转速下焊核区中织构类型及其体积分数，图4中的颜色与表2中的色型相对应，不同的颜色代表不同的织构，即不同的欧拉角或取向.

表 2 焊核区中常见面心立方金属织构及含量(%)
Table 2 Fraction of Common textures in welding nugget

转速1 200 r/min转速2 000 r/min色码类型体积分数取向(h k l)[u v w]取向(h k l)[u v w]体积分数 色码类型(110)[001]16.4(100)[011]21.8[110]∥TD 24[110]∥TD49.2(112)[ ]16.3 111(111)[112]16.4(114)[]19.4— — —221

图 4 不同织构对应的晶粒色差与分布
Fig. 4 Grains distribution of various textures

由图4a和表2可知，当搅拌头转速为1 200 r/min时，焊核区中的织构主要有(110)[001]高斯织构、织 构铜 织 构 及 (110)丝 织构.而(110)[001]高斯织构与织构之间有着特定的晶体学关系，(110)[001]高斯织构与织构共享(111)晶面及[110]晶向，而此[110]晶向位于(111)晶面上，因此这两种织构关于(111)面对称[12].晶粒所处的应力状态决定着晶粒最终的取向，对面心立方结构的金属来说，最大剪切应力方向为(111)面上的[110]方向，而在搅拌摩擦焊接过程中，所形成的汤姆森四面体中(111)面大致平行于搅拌针的切面，而[110]方向平行于搅拌针的切线[13-14]. 因此在焊接过程中，由于搅拌针的旋转所引入的剪切应力，基于(110)[001]高斯织构与织构之间特定的晶体学关系，首先，同时形成(110)[001]高斯织构与织构；其次，以(110)[001]高斯织构与织构为基础，在轴肩的顶锻压力作用下，启动其a1：(111)[110]主滑移系，晶粒内发生塑性变形，b1，b2滑移系致使此晶粒围绕TD方向旋转，当旋转角度为15°时取向晶粒其演变为取向，演变过程示意图如图5所示. 随着搅拌头转速的提高，焊核区经历了更多的塑性变形，使(112)取向晶粒继续沿TD方向旋转，当旋转角度为5°时，进一步形成(100)[011]剪切织构；当旋转角度为20°时，产生织构，因此搅拌头转速为2 000 r/min 时高斯织构织构全部演变为(100)[011]剪切织构和织构.

图 5 不同取向晶粒中激活的八面体滑移系示意图
Fig. 5 Schematic illustrations depicting slip systems

当面心立方金属受到挤压时，产生[110]丝织构[15]，FSW焊接过程中焊核区主要受到搅拌针的旋转所引入的剪切应力，而此应力平行于搅拌针的切线，因此使焊核区部分晶粒的[110]晶向平行于TD，形成[110]丝织构. 随着搅拌头转速的提高，晶粒内的塑性变形程度越严重，[110]丝织构的组分显著增加. 具有相同取向的晶粒有一定的团簇现象，如图4b中黑色圈指示，特定的簇团内，晶粒有相同的取向；而不同的簇团均匀地分布于焊核区.这是由于在焊接过程中，应力不均匀所致，当应力水平不高时，晶粒内的塑性方式以滑移为主，形成(001)[110]等板织构，随着应力水平的提高而形成[110]丝织构，而[110]丝织构的形成，部分应力得到了释放，邻近区域再次形成板织构. 在整个连续的焊接过程中，高应力区域与低应力区域交替出现，最终导致等板织构与[110]丝织构交替出现.

3 结 论

(1)搅拌摩擦焊焊接过程中，由轴肩及搅拌针所引入的剪切应力，使母材粗大晶粒发生塑性变形及动态回复再结晶，母材粗大晶粒被细化，随着搅拌头转速的提高，焊核区经历了更高的热循环温度，细小晶粒进一步长大.

(2)基于搅拌针后方所形成的汤姆森四面体及(110)[001]高斯织构与织构之间特定的晶体学关系，焊核区首先形成(110)[001]高斯织构和织构，当搅拌头转速提高到2 000 r/min时，[110]丝织构组分显著增加.

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(3)轴肩的顶锻压力使焊核区晶粒内发生塑性变形，晶粒沿TD方向旋转，随着搅拌头转速从1 200 r/min 提高到 2 000 r/min 时，焊核区经历了更多的塑性变形，晶粒沿TD方向旋转角度增加，进一步形成(100)[011]剪切织构和织构.

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