结晶组织的形成机制
王大勇, 冯吉才, 狄 欧, 刘会杰
(哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点实验室,哈尔滨 150001)
摘 要:建立了搅拌摩擦焊铝合金接头焊核区等轴再结晶组织形成过程的物理模型,
详细阐述了焊核区的组织形成过程.试验结果表明,热循环的作用导致搅拌头附近的
母材发生软化,形成软化层;软化层在搅拌头的机械搅拌作用下发生塑性流动,软化层
内不同的流层间流速不同,存在速度梯度.在流层间的界面处产生粘性摩擦剪应力.
在粘性剪应力的作用下,母材轧制态下的板条状组织被拉长,并发生强烈的弯曲变形,
当弯曲程度超过了其晶界所能承受的上限时,原有的板条状组织晶界被破坏而逐渐消
失,板条内的等轴再结晶组织按能量最小原理重新排列,形成焊态下无序,无方向性的
等轴再结晶组织排列.
关键词:焊核区;搅拌摩擦焊;形成机制
中图分类号:T G453 文献标识码:A 文章编号:0253 - 360X(2003)04 - 33 - 03王大勇
0 序 言
搅拌摩擦焊(FSW)是英国焊接研究所发明的
一种新的连接方法,其实质是通过高速旋转的搅拌
头与被焊材料表面间生成的摩擦热而实现的一种固
相连接,具有连接温度低,焊后残余应力小,接头性
能高等一系列优点,在航空航天领域,尤其是在高强
铝合金的连接方面具有广阔的应用前景[ 1～5 ].
铝合金搅拌摩擦焊接头通常由焊核区,热机影
响区和热影响区三部分构成[ 6～8 ].其中焊核区是
受热循环和机械作用影响最严重的区域,组织变化
程度较大,是合金元素过度饱和区域,该区域变形晶
粒发生沉淀和回复交互作用,导致晶体的生长动力
学比较复杂[ 9 ].世界上的许多研究人员对焊核区
的组织形成机制,性能特点进行了大量的研究,
文献[ 10 ,11 ]认为焊核区的塑性流动是非对称性的,
经历了高温,大应变和高的应变率,并且在焊核中心
发生了强烈的变形.焊核区的应变在5～10之间,
应变率大约是102,应变和应变梯度随着距焊缝中
心线距离的增加呈指数下降.大应变和初期为大角
晶界,导致焊核区在焊接过程中发生了动态再结
晶[ 9 ,11 ].英国曼彻斯特大学的Norman A F[ 10 ]等人
认为焊核区发生了较大的应变,导致该区出现高密
度的细晶沉淀相,从而抑制晶粒发生长大而发生再
收稿日期:2003 - 01 - 10
基金项目:国家863基金资助项目(2002AA724040)
结晶反应.在理想的动态再结晶过程中,局部累积
能的变化导致应变诱发晶界的迁移,这种迁移和塑
性流动的不同将导致在初始晶粒的沉淀相周围开始
形成链状新晶粒.在焊接过程中,不断形成新晶粒
层,并从晶粒边界向内部发展,一直到每一个初始晶
粒均发生再结晶.美国爱迪生焊接研究所的
Lienert T J[ 11 ]等人通过对6061 - T651铝合金搅拌
摩擦焊接头焊核区的研究发现,焊核区晶粒尺寸范
围为10～20μm ,晶界为大角晶界.由于焊核区晶
粒得到细化,在室温下经历了自然时效(焊后至进行
测试前的时间段,一般为几周),形成了富含溶质的
微区(常称GP区),固溶物团或空位团,焊核区的硬
度值较其它区域高.
虽然搅拌摩擦焊接头焊核区等轴再结晶组织的
形成原因和特性得到了大量的研究,但是目前仍没
有对焊核区母材内具有明显方向性的板条状组织晶
界如何消失,通过何种机制转变为无序,无方向性的
等轴再结晶组织晶界给予很好的解释.作者通过建
立的焊核区等轴再结晶组织形成物理模型,对上述
内容进行了初步的探讨.
1 焊核区等轴再结晶组织形成物理模型
搅拌摩擦焊接过程中,由于搅拌头的高速旋转,
在与母材接触的界面处产生了大量的摩擦热,导致
搅拌头附近的母材形成塑性软化层.塑性软化层在
第24卷 第4期
2 0 0 3年8月
焊接学报
TRANSACTIONS OF THE CHINA WELD IN G INSTITU TION
Vol. 24 No . 4
August 2 0 0 3
1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
搅拌头的机械搅拌作用下发生塑性流动.当软化层
内的塑性金属发生流动时,其流动质点的速度和方
向随位置和时间不断发生变化,因而其流动形式属
于非稳定流场,如图1所示,箭头方向为软化层的流
动方向,图1a为轴肩下表面塑性软化层的流动形
式,图1b为焊缝底部软化层的塑性流动形式.
图1 搅拌摩擦焊接头塑性软化层的流动
Fig.1 Flow of sof tening material in FSWjoint
软化层内的不同塑性流层间存在速度梯度,由
于软化层内存在一定程度的粘度,因而在流速不同
的流层间界面处产生粘性摩擦剪应力fij.如软化
流层i内在i- 1层和i层的界面处存在剪应力
fi,i- 1,在i层和i+ 1层的界面处存在剪应力
fi,i+ 1,fi,i- 1和fi,i+ 1作用力方向相反,从而导致层
i处的板条状组织受到拉伸而伸长,如图2b所示.
软化层的板条状组织在伸长的同时,由于受到搅拌
头的搅拌作用而同时发生弯曲变形,如图2c所示.
拉长的弯曲板条状组织然后在热循环的作用下发生
再结晶反应而在板条状组织内形成细小的再结晶晶
粒,再结晶晶粒沿板条状组织的取向方向排列,整体
上具有一定的方向性,如图2d所示.由于焊缝中部
受到搅拌头的强烈搅拌作用,导致发生再结晶的弯
曲板条状组织发生更大程度的变形.然而板条状组
织晶界所能承受的弯曲程度是有限的,当弯曲程度
超过了晶界弯曲上限时,原有的板条状晶界将被破
坏,导致晶粒间的整体板条状取向渐趋不明显,而在
微观下表现出无序状排列的形貌,如图2e所示,图
2f为晶界被破坏后所形成的组织形貌,图2g为图
2f的局部放大,再结晶晶粒表现出一种无序,无方
向性的特点.
图2 焊核区组织形成过程示意图
Fig.2 Formingprocess of equiaxedgra in
in weld nugget zone
2 试验验证
对Al - Li - Cu合金板(板厚2 mm)进行了搅拌
摩擦焊连接,搅拌头转速为1 500 r/ min ,行走速度
为100～800 mm/ min ,搅拌针长度为1 mm.母材
及接头的显微组织如图3所示.图3a为试验用Al
- Li - Cu合金母材原始组织,晶粒呈明显方向性的
板条状.焊接过程中,母材软化层内的板条状组织
在流层内的粘性摩擦剪切力作用下被拉长,发生弯
曲变形,同时发生再结晶反应,形成再结晶晶粒,如
图3b所示.从图3b明显看出母材的原始板条状组
织在搅拌头的机械搅拌作用下,发生较大程度的弯
曲变形,板条的宽度变窄,在板条内由于热循环的作
用形成了再结晶晶粒.图3c为焊核区所形成的等
轴再结晶组织,从该图可以看出焊态下该组织形貌
与图2g焊核区的再结晶组织形貌基本一致,表现出
一种无序,无方向性的特征.
43焊 接 学 报第24卷
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图3 Al-Li-Cu合金母材及搅拌摩擦
焊接头微观组织形貌
Fig.3 Microstructures of Al-Li-Cu alloy
and FSWjoint
3 结 论
(1)搅拌头附近的材料受到热循环的作用而软
化.
(2)软化层内的板条状组织在流层间粘性摩擦
剪应力的作用下被拉长,并在搅拌头的机械搅拌作
用下发生弯曲变形.
(3)拉长,变形的板条状组织在热循环的作用
下发生再结晶反应,形成细小的等轴再结晶晶粒.
(4)随着搅拌头持续的机械搅拌,发生再结晶
反应,拉长,变形的板条状组织发生更大程度的变
形,当变形程度超过了板条状组织和再结晶晶粒晶
界的承载能力时,板条状组织和再结晶晶粒的晶界
被破坏而逐渐消失,晶界按能量最小原理重新排列,
导致再结晶晶粒呈无序,不规则排列的形貌.
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