多重旋转碾压对铝合金搅拌摩擦焊缝表面的影响

多重旋转碾压对铝合金搅拌摩擦焊缝表面的影响 多重旋转碾压对铝合金搅拌摩擦焊缝表面的影响

郝宗斌1,2， 李晓泉1,2， 李 阳3， 刘 鹏3

(1. 南京工程学院 材料工程学院,南京 211167; 2. 江苏省先进结构材料与应用技术重点实验室

南京 211167; 3. 山东建筑大学 材料科学与工程学院,济南 250101)

摘 要：运用快速多重旋转碾压(FMRR)在室温下使搅拌摩擦焊缝表面发生塑性变形，晶粒在压应力和不同方向切应力的作用下，产生位错的交割和剪切. 随着碾压的进行，使得焊缝表面的晶粒细化. 结果表明,试样未经碾压前，母材截面的显微硬度在80～90 HV范围内波动，当FMRR处理60 min后，表面的最大硬度达到185 HV左右，随着层深的增加，硬度值逐渐降低. 垂直于表面方向,随着到表面的距离逐渐增大，晶粒尺寸逐步增大，直至达到基体晶粒尺寸. 同时经过快速多重旋转碾压，细化后样品的表面硬度明显提高，随晶粒细化程度增加，硬度增大.

关键词：铝合金7050；搅拌摩擦焊；快速多重旋转碾压

0 序 言

材料的失稳多始于表面，如疲劳、磨损和腐蚀等，这对材料的表面性能提出了较高的要求. 搅拌摩擦焊缝表面的强度对焊件整体性能也起到很大作用. 表面细晶强化有多种方式， 利用物理或化学方法将材料的表层晶粒细化至纳米量级[1]， 例如超声喷丸法(USSP)、表面机械研磨处理(SMAT)、表面机械碾磨处理法(SMGT)、超声冷锻技术(UCFT)、超声表面轧制技术(USRP)、超音速微粒轰击法和摩擦旋转处理等 [2-7].

以上这些方法都存在各自的不足，表面机械研磨处理的试件厚度不能太大，对试件的其它尺寸也有限制. 超声喷丸法在该设备中采用的弹丸直径一般为8 mm或3 mm，弹丸直径较大，不能处理具有复杂形状的试件. 小球或者小喷丸的能量很大，容易在试样的表面造成损伤，从而破坏试样的表面粗糙度[8]. 而快速多重旋转碾压能很好解决这些不足. 在外加载荷的重复作用下，材料表面的粗晶组织经过不同方向产生的强烈塑性变形而逐渐碎化至纳米量级. 快速多重旋转碾压是一种施加重复载荷的方法[9]. 对于金属材料表面某晶粒而言，单次的碾压使该晶粒的某些达到临界分切应力的滑移系开动、产生位错；当第二次碾压作用在此晶粒上时，碾压方向发生变化，就会促使晶粒的其它滑移系开动、产生新的位错[9]. 这样就会在焊缝金属表层一定深度内的晶粒中产生多系滑移和多系孪生，这有助于加快金属表层材料晶粒细化，甚至纳米化进程. 从而使焊缝表面金属达到细晶强化，并且随着碾压的重复进行，位错不断产生、交割、缠绕，使焊缝金属产生一定的加工硬化. 在细晶强化和加工硬化复合作用下，提高了焊缝表层的硬度和强度. 达到了强化焊缝金属，提高焊件的整体性能的目的.

1 试验方法

采用转速900 r/min, 行走速度250 mm/min的焊接工艺参数，对7050高强铝合金进行搅拌摩擦焊. 根据表1的工艺参数在室温下对铝合金板进行快速多重旋转碾压，碾压前用粗砂纸将焊缝及母材表面打磨平以便碾压，快速多重旋转碾压，如图1所示[9]. 用电火花切割方法在焊缝附近加工3块30 mm×10 mm×10 mm的试块，将3块样品用粗砂纸打磨平以备制样. 用金相砂纸打磨及机械抛光，再用侵蚀剂Keller试剂(1.0% HF,1.5% HCl,2.5% HNO3和95%水的混合试剂)腐蚀，时间10～15 s. 侵蚀后在金相显微镜下观察碾压层金相组织. 采用HV-1000型半自动数字显微硬度仪对7050铝合金焊缝FMRR处理后试样的横截面及焊缝碾压表面进行显微硬度测试. 试验所加载荷为0.98 N，保荷时间为10 s. 在快速多重旋转碾压过程中需要注意降低试板温度，此试验利用喷射水冷的方式保证碾压试板保持室温,避免了温度升高对焊缝和母材组织产生影响.

表1 铝合金试板FMRR试验工艺参数

Table 1 FMRR experimental program of aluminum plate

转速n/(r·min-1)加工时间t/min电流频率f/Hz保持压力F/N1800605500

图1 快速多重旋转碾压工作原理图及实物图

Fig.1 Working principle of fast multiple rotation rolling and physical map

2 试验结果与分析

2.1 金相测试结果与分析

为了观察7050铝合金焊缝碾压处理后的变形层，利用光学显微镜对FMRR处理试样的截面进行金相组织观察. 图2a为7050铝合金FMRR处理前焊缝焊核区内部的金相组织，图2b为7050铝合金FMRR处理后焊缝焊核区截面边缘的金相组织.

图2a中显示的是焊核区内部没有被碾压的部分，图中晶粒细小均匀，是由于焊接过程中焊核区经历了动态再结晶所导致的.

从图2b中可以看出，7050铝合金焊缝的变形层与基体间没有明显的分界线，表面层塑性变形量最大，越接近表层，形变量越大，位错交割程度越严重. 比较明显的表面变形层深度约为600 μm. 沿层深增加形变逐渐减弱，其密度和形貌随距表面的深度发生规律性的变化. 与原始组织相比，样品表面经FMRR处理后，表层晶粒尺寸得到显著细化，从金相显微镜下已不能分辨出晶粒尺寸的大小，样品表层形成了超细晶层，从表面沿层深向里晶粒尺寸逐渐增大，同时快速多重旋转碾压并未对试样内部晶粒产生明显的影响，内部晶粒仍保持原始组织的形貌.

图2 碾压后焊缝表层与内部晶粒对比

Fig.2 Weld surface and internal grain contrast after rolling

此种现象的原因是：FMRR处理过程中滚珠与焊缝表面接触的时间很短，碾压产生的瞬时应力将以接触点为中心向样品的内部传播，并逐步减小，因此滚珠每次滚动所产生的塑性变形被限制在以接触点为中心的局部区域内，这将使得材料表面接触点附近的位错大量聚集，离接触中心越远位错密度越低，导致沿焊缝表面向心部方向变形程度的不均匀性，随着离焊缝表面距离的增加，塑性变形逐步地减弱. 晶粒在塑性变形的作用下，产生大量位错. 即随着加工时间的增长，试验板表面塑性变形程度增大. 晶粒内部的位错组态产生交割和剪切；位错湮灭和重组使小晶界发展成大晶界，以至形成独立的小晶粒；相邻晶粒间的取向发生改变. 如此推演,交替反复下去，不同的位错交互作用，最终使得试验板焊缝及母材表面的晶粒细化，增强了焊缝的强度，使焊缝表层金属晶粒排列致密，提高了焊缝的综合性能.

2.2 显微硬度测试

为了便于观察快速多重旋转碾压对焊缝表面硬度的影响，试验垂直于焊缝测了三种表面硬度，一种是在表面上经碾压后测量，另一种是在截面上远离碾压层进行测量，为了观察从母材表面到焊核区内部硬度变化趋势，又从母材的碾压表面斜向焊核区心部测量硬度. 图3为试样经FMRR处理后两种显微硬度变化曲线. 在焊缝区沿深度测量了硬度，硬度曲线如图4. 从图3中可以看出，试样经碾压的表面硬度明显高于未经碾压的截面硬度，碾压后母材硬度值比较大是由于碾压充分，由于焊缝位置比较低，遭碾压程度较低，所以硬度升高不如母材明显，但是焊核区还是比热力影响区、热影响区硬度高，是由于搅拌摩擦焊过程中剧烈的塑性变形和摩擦热使焊核区经历了动态再结晶，其内部晶粒为细小等轴晶粒，因此焊核区晶粒比较细. 增加晶界面积可以改善材料的力学性能,既提高韧性又增加强度，所以小晶粒焊核区硬度比较高. 而碾压前硬度曲线很明显的表示出了焊核区硬度是比其它区域都要高的，两条曲线都能看出母材的硬度比热影响区要高，这是由于热影响区晶粒长大的缘故. 当FMRR处理60 min后，焊核区和母材表面的最大硬度都达到190 HV左右，截面上硬度最高的点在焊核区，达到135 HV左右.

图3 垂直于焊缝的两种硬度曲线(开始为焊缝)

Fig.3 Two hardness curves perpendicular to the weld

图4 显微硬度沿深度方向的变化(开始为表层)

Fig.4 Hardness in the depth direction

从图4中可以看出，当FMRR处理60 min后，焊缝表面的最大硬度达到185 HV左右，随着层深的增加，硬度值逐渐降低，并在1.7 mm左右深度处接近基体硬度值，基体硬度大约为105 HV左右.

图5为由经碾压的母材表面到焊核区内部的硬度曲线，从图5中可以观察到经碾压母材表面硬度较大，热影响区由于晶粒较粗大，所以硬度较低，硬度曲线下降明显，最后硬度在100 HV～120 HV范围内浮动，比其它组织的硬度都要大.

图5 由母材表面到焊缝内部的硬度曲线

Fig.5 Hardness curve from the surface of base metal to the weld inside

样品碾压后显微硬度升高主要是由于表层晶体的细化以及剧烈塑性变形加工硬化的缘故. 经分析此硬度趋势变化可能是由以下原因造成的：其一是材料在碾压过程中，材料发生了剧烈的塑性变形，从位错理论可知，变形过程中的位错运动，引起位错的大量交割和增殖，并使空位、间隙原子、层错等结构缺陷大大增加. 从而增加了位错运动的阻力，引起碾压表面处材料的加工硬化，材料的强度硬度升高，塑性韧性下降. 其二是从碾压的组织形态看，材料表面比碾压前组织变得更加细密，晶粒变得更加细小，晶界面积大，可以阻挡位错的移动，由于细晶强化作用，表面处材料的强度也有所增加. 细晶强化和加工硬化两种机制共同作用，从而提高了焊缝表面碾压层的硬度.

3 结 论

(1) 由焊缝到母材,分为焊核区、热力影响区、热影响区、母材. 呈关于焊缝对称分布的状态，由于搅拌摩擦焊缝区域较母材平面低，所以碾压情况较母材轻，致使母材晶粒细化充分，硬度升高明显，焊缝表面硬度也有明显升高.

(2) 由表面到内部,随着到表面的距离逐渐增大，晶粒尺寸逐步增大，直至到达基体晶粒尺寸. 同时经过快速多重旋转碾压，晶粒细化后的焊缝表面硬度明显提高，即随晶粒细化程度增加，硬度增大.

(3) 探讨了7050铝合金焊缝碾压处理晶粒细化的机制：晶粒在压应力和不同方向切应力的作用下，产生位错的交割和剪切. 即随着加工时间的增长，位错湮灭和重组使小晶界发展成大晶界，以至形成独立的小晶粒；相邻晶粒间的取向发生改变. 随着碾压的进行，位错交互作用，使得焊缝表面的晶粒细化.

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收稿日期：-12-28

基金项目：南京工程学院大学生科技创新基金资助项目

作者简介：郝宗斌，男，1990年出生. 硕士研究生. 主要从事铝合金搅拌摩擦焊研究. Email: hzbisbest@

通讯作者：李晓泉，男，教授. Email: lixq@

中图分类号：TG 456

文献标识码：A

文章编号：0253-360X()02-0125-04