Residual Stress and Microstructure Evolution of Bobbin Tool Friction Stir Welded 2219 Aluminum Alloy Thick Plates

中厚板2219铝合金双轴肩搅拌摩擦焊焊接残余应力及微观组织演变 Residual Stress and Microstructure Evolution of Bobbin Tool Friction Stir Welded 2219 Aluminum Alloy Thick Plates 1 first-author 赵　刚（1977—），男，硕士，高级工程师，主要从事运载火箭贮箱制造研究工作。 赵　刚（1977—），男，硕士，高级工程师，主要从事运载火箭贮箱制造研究工作。 2 1 corresp 刘旭升（1995—），男，硕士。E-mail：lxs_bjut@163.com。 刘旭升（1995—），男，硕士。E-mail：lxs_bjut@163.com。 lxs_bjut@163.com 1 1 1 首都航天机械有限公司,北京 100076 首都航天机械有限公司,北京 100076 Capital Aerospace Machinery Co., Ltd., Beijing 100076, China Capital Aerospace Machinery Co., Ltd., Beijing 100076, China 中国民航科学技术研究院,北京 100028 中国民航科学技术研究院,北京 100028 China Academy of Civil Aviation Science and Technology, Beijing 100028, China China Academy of Civil Aviation Science and Technology, Beijing 100028, China 为了研究双轴肩搅拌摩擦焊缝内部焊接残余应力的大小及分布情况，本研究采用短波X射线衍射进行焊接件内部残余应力的无损检测分析；采用光学显微分析、显微硬度和电子背散射衍射（Electron Back-scattering Patterns，EBSD）对焊缝的前进侧和后退侧的母材、热影响区、热机械影响区和焊核区的组织结构演变进行了分析。金相观察结果显示双轴肩搅拌摩擦焊的接头组织在厚度方向上近似于对称分布，呈“腰鼓形”，焊核区与热机影响区的界面为近似双曲线，前进侧热机影响区的分界线更明显。EBSD扫描结果显示热影响区、热机械影响区均存在较强的形变组织；焊核区在剪切变形和焊接循环热的双重影响下发生了动态再结晶，主要为弱取向组织，小角度晶界含量较大。短波X射线衍射结果表明，双轴肩FSW焊接板内部板厚中心层，纵向方向残余应力均大于横向方向；沿着焊缝，拉应力较大区间位于距焊缝起始端150~250 mm的范围内，最大拉应力为244 MPa。 Welding residual stress has a very important influence on the fatigue strength, stress corrosion resistance, dimensional stability and service life of bobbin tool friction stir welds. In order to study the magnitude and distribution of the internal welding residual stress of bobbin tool friction stir welds, the short wave X-ray diffraction was used to conduct the nondestructive testing analysis of the internal residual stress of the weldments; the microstructure evolution of the base metal, heat affected zone, thermo mechanical affected zone and nugget zone at the forward and backward sides of the weld was analyzed by optical microscopy, microhardness and electron back-scattering patterns (EBSD). The metallographic observation results show that the joint structure of double shaft shoulder friction stir welding is approximately symmetrical in the thickness direction, showing a "waist drum" shape. The interface between the nugget zone and the thermo mechanical affected zone is approximately hyperbolic, and the demarcation line of the thermo mechanical affected zone at the forward side is more obvious. EBSD scanning results show that there are strong deformation structures in the heat affected zone and the thermo mechanical affected zone; dynamic recrystallization occurred in the weld nugget zone under the dual influence of shear deformation and welding cycle heat, which is mainly a weakly oriented structure with a large content of small angle grain boundaries. The results of short wave X-ray diffraction show that the longitudinal residual stresses in the central layer of the inner plate thickness of the double shoulder FSW welded plate are greater than those in the transverse direction; along the weld, the section with large tensile stress is 150~250 mm away from the starting end of the weld, and the maximum tensile stress is 244 MPa. 双轴肩搅拌摩擦焊 2219铝合金 微观组织 残余应力 bobbin tool friction stir welding 2219 aluminum alloy plates microstructure residual stress 前言 1 搅拌摩擦焊（Friction stir welding，FSW）是一种先进、成熟的固态连接技术 ［ 1 1 ］ ，适用于铝合金焊接。FSW与熔焊相比，具有无电弧、无烟雾、无飞溅、无凝固缺陷、低变形和残余应力、力学性能优良等显著优点 ［ 2 2 ］ ，广泛应用于航空航天、铁路等领域 ［ 3 3 - 4 4 3-4 ］ 。 与常规搅拌摩擦焊相比，双轴肩搅拌摩擦焊（Bobbin tool friction stir welding，BT-FSW）的搅拌头有上下两个轴肩，两个轴肩可以平衡常规单轴肩搅拌头产生的下压力，可以解决常规搅拌摩擦焊顶锻力大、需要刚性背板的问题，因此在一些文献中又称为自支撑搅拌摩擦焊 ［ 5 5 ］ 。由于下轴肩结构取代了常规搅拌摩擦焊中的刚性背板，双轴肩搅拌摩擦焊能够用于焊接弯曲的大型结构以及封闭型材等较难施加刚性背板的结构 ［ 6 6 ］ 。此外，下轴肩的存在解决了常规搅拌摩擦焊焊缝背部因流动性和热输入不足造成的未焊透、弱结合等焊接缺陷，更适用于中厚板的焊接。然而，双轴肩搅拌摩擦焊的两个轴肩造成了焊接接头不同的材料流动性特征，组织结构不同于常规搅拌摩擦焊；两个轴肩在焊接过程中作为双热源，也会影响焊后残余应力的大小和分布特征 ［ 7 7 - 10 10 7-10 ］ 。 焊接残余应力对焊件的疲劳强度、抗应力腐蚀能力、尺寸稳定性和使用性能有着重要的影响 ［ 11 11 - 12 12 11-12 ］ ，如何准确测量和掌握焊缝内部残余应力的大小和分布是目前搅拌摩擦焊的研究热点 ［ 13 13 - 15 15 13-15 ］ 。本研究采用短波X射线衍射进行中厚板2219铝合金双轴肩搅拌摩擦焊试件内部残余应力的无损检测分析，采用光学显微分析、显微硬度和电子背散射衍射（EBSD）对焊缝前进侧和后退侧的母材、热影响区、热机影响区和焊核区的组织结构演变进行分析。 试验材料与方法 1 研究对象为10 mm厚的2219铝合金双轴肩搅拌摩擦焊试件，将规格为500 mm×150 mm×10 mm的两块2219 C10S铝合金平板试样进行对接焊，试板装配间隙小于0.5 mm，搅拌针直径为11 mm，粗牙结构的左/右螺纹结构，上下轴肩直径为23 mm，轴肩表面为对称分布的双阿基米德螺旋线结构，轴肩端面为凸球面结构。搅拌头旋转速度200 r/min，搅拌头前进速度200 mm/min，焊接样品如 图1 图1 所示。焊接完成后，采用短波X射线衍射进行焊件内部残余应力的无损检测分析。测试采用Al的（111）晶面作为衍射晶面，分别测试试样和无应力标样的衍射角2 θ 和2 θ 0 ，残余应变根据以下公式计算： <math display="block" id="M1"><mi>ε</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>d</mi><mo>-</mo><msub><mrow><mi>d</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">0</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mrow><mi>d</mi></mrow><mrow><mn 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mathvariant="normal">111</mn></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msubsup></mrow></mfenced></mrow></mfrac><mfenced separators="|"><mrow><msub><mrow><mi>ε</mi></mrow><mrow><mi>x</mi><mi>x</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mrow><mi>ν</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">111</mn></mrow></msub><msub><mrow><mi>ε</mi></mrow><mrow><mi>y</mi><mi>y</mi></mrow></msub></mrow></mfenced></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=41988411&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=41988408&type= 39.96266937 8.97466660 <math display="block" id="M3"><msub><mrow><mi>σ</mi></mrow><mrow><mi>y</mi><mi>y</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mrow><mi>E</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">111</mn></mrow></msub></mrow><mrow><mfenced separators="|"><mrow><mn mathvariant="normal">1</mn><mo>-</mo><msubsup><mrow><mi>ν</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">111</mn></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">2</mn></mrow></msubsup></mrow></mfenced></mrow></mfrac><mfenced separators="|"><mrow><msub><mrow><mi>ε</mi></mrow><mrow><mi>y</mi><mi>y</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mrow><mi>ν</mi></mrow><mrow><mn mathvariant="normal">111</mn></mrow></msub><msub><mrow><mi>ε</mi></mrow><mrow><mi>x</mi><mi>x</mi></mrow></msub></mrow></mfenced></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=41988414&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=41988426&type= 39.96266937 8.97466660 式中　 xx 和 yy 分别代表纵向（Longitudinal direction，LD）和横向（Transverse direction，TD）方向，残余应力计算过程中采用的弹性模量和泊松比的值，取参考文献［ 16 16 ］中Kröner模型的计算结果，弹性模量 E 111 =73 400 MPa，泊松比 ν 111 =0.34。 在进行完内部残余应力无损检测分析之后，采用光学显微分析、显微硬度和电子背散射衍射对BT-FSW焊缝前进侧和后退侧的母材、热影响区、热机影响区和焊核区的组织结构演变进行了表征观察。采用维氏显微硬度分析仪对焊接接头截面的硬度分布进行了分析。 接头组织结构分析 1 BT-FSW 接头宏观形貌 2 BT-FSW接头宏观组织如 图2 图2 所示，焊缝两面均没有出现未焊透、弱结合等搅拌摩擦焊接接头缺陷。区别于常规FSW接头，BT-FSW的接头宏观组织受两侧轴肩的共同影响，在厚度方向上近似于对称分布，呈“腰鼓形”。焊核区为细小的等轴晶，有“洋葱环”组织；热机影响区为与母材几乎同等大小的长条变形晶粒，这是因为热影响区组织受焊接热影响较小，晶粒会略有长大；焊核区与热机械影响区的界面为近似双曲线，这也是两侧轴肩摩擦和搅拌针搅拌共同作用的结果。在母材区，板材的中间厚度处有一个连续的暗带（图中方框），这表明所供应的板材在厚度上有不均匀的织构，这是由2219铝合金母材在板材轧制过程中的轧制工艺变化引起的。 微观组织演变 2 EBSD测得的接头各测试区的晶粒取向成像如 图3 图3 所示，颜色代表不同的晶粒取向。焊核区（WNZ）受到剧烈搅拌和热循环作用发生了动态再结晶，晶粒组织是细小等轴化的完全再结晶晶粒，平均晶粒尺寸为15 μm。热机械影响区（TMAZ）受形变力和热循环的作用晶粒被明显的拉长和弯曲变形，前进侧平均晶粒尺寸为80 μm，后退侧平均晶粒尺寸为72 μm，热影响区平均晶粒尺寸为87 μm。各区域平均晶粒尺寸及小角度晶界占比如 表1 表1 所示。在EBSD晶粒取向成像图中，与搅拌针旋转引起的材料流动相关的TMAZ的晶粒变形十分明显，由于前进侧和后退侧材料流动行为的不对称性，焊核区与热机影响区、热影响区边界对比明显，TMAZ在前进侧的过渡更加剧烈。通过对焊接接头不同区域的晶粒取向差分布进行分析发现，与常规搅拌摩擦焊的织构演变情况类似 ［ 17 17 ］ ，双轴肩搅拌摩擦焊焊核区存在非常微弱的织构；如果对比前进侧和后退侧的晶粒及织构可以发现焊接接头的微观组织具有明显的不对称性，前进侧的焊核区与热机影响区存在明显的边界，并且前进侧的织构含量较高。此外，由于受到上下两侧轴肩的同时摩擦作用，双轴肩搅拌摩擦焊接头织构在厚度方向上的梯度相对更小 ［ 18 18 ］ 。 1,2,3;4,5; 区域 平均晶粒尺寸/μm 小角度晶界含量/% WNZ（轴肩影响区） 15 21 WNZ（板厚中心） 9 31 前进侧TMAZ 80 18.1 后退侧TMAZ 72 17.2 HAZ 87 16.9 铝合金搅拌摩擦焊过程中，动态再结晶机制为几何动态再结晶和连续动态再结晶两种机制。初始轧制态晶粒在搅拌头的剪切作用下，持续向着有利于剪切变形的方向偏转并逐渐演变成剪切织构，最终由典型轧制织构演变成了较强的剪切织构组分 ［ 19 19 ］ 。中厚板2219铝合金双轴肩搅拌摩擦焊接头焊核区晶粒在剧烈剪切变形和高温的作用下发生了动态再结晶，小角度晶界含量增大。在焊接循环热和形变力的双重作用下，热机影响区的晶粒受到剪切变形的作用，位错沿形变方向滑移并相互作用使晶体内部产生一定量的小角度晶界，使得小角度晶界含量也有一定程度的增加。热影响区由于距离焊缝较远，未发生材料流动，在热循环的作用下小角度晶界含量相较于焊核区和热机影响区均没有发生大的变化。 显微硬度 1 采用维氏硬度计测量焊接接头横截面（垂直于焊缝截面）5个厚度层的显微硬度分布，焊缝横截面上距离板厚中心层上下各2 mm、4 mm位置的显微硬度分布如 图4 图4 所示，绘制焊接接头横截面硬度分布云图如 图5 图5 所示。可以看出，在各个水平高度上，显微硬度分布都近似呈“W”形分布；显微硬度值从焊核区到两侧的热影响区均呈现下降趋势，其中后退侧下降幅度较大，在热影响区显微硬度值达到最小值，后退侧的最小显微硬度值为82 HV，前进侧的最小硬度值为84 HV，显微硬度的分布呈现明显的不对称性，由热影响区至母材硬度值逐渐增大。焊核区的显微硬度较母材低，在80~100 HV，但是比过渡区的硬度值大。母材硬度值在120~140 HV，焊核区硬度值大小约为母材硬度值的82%，焊核区显微硬度值出现微小的波动。 微观组织结构影响焊接接头的机械性能。在搅拌摩擦焊焊接过程中，2219铝合金中的晶粒形状、尺寸、取向和Al 2 Cu等低熔点非平衡共晶第二相均发生了剧烈变化，机械性能主要取决于形变和再结晶间的平衡；此外，第二相的再分布也对焊接接头的强化起了重要作用。在热影响区和热机影响区由于温度的作用，可能使弥散分布的细小强化相丛聚，材料出现过时效，使强度下降，硬度降低。尽管焊核区的强化相可能已经全部溶解于基体，但由于晶粒特别细小，所以强度比热机影响区和热影响区高。 残余应力分析 1 残余应力沿焊缝的分布测试点位于板厚中心层，在焊缝中心分别距焊缝起始端100 mm、175 mm、250 mm、325 mm、400 mm。焊接板内部板厚中心层，纵向（LD）方向和横向（TD）方向的残余应力 σ LD 和 σ TD ，焊缝区中心残余应力沿焊缝的分布如 图6 图6 所示。从残余应力分布可知，LD方向残余应力 σ LD 均大于TD方向残余应力 σ TD ，均为拉应力；沿着焊缝，拉应力较大区间（150~250 MPa）位于距焊缝起始端150~250 mm的范围内。最大拉应力244 MPa，约为母材抗拉强度（440 MPa）的55.5%。对比文献［ 24 24 ］记载的采用切割法研究的6082-T6、5754-H111、2024-T3等不同铝合金种类和焊接参数对残余应力量值和分布的影响，同样发现残余应力的最大值在铝合金屈服强度的40%~60%之间。 结论 1 （1）双轴肩搅拌摩擦焊的接头组织在厚度方向上近似于对称分布，呈“腰鼓形”，焊核区与热机影响区的界面为近似双曲线，前进侧热机影响区的分界线明显，而后退侧的比较模糊，焊核区宏观呈现“洋葱环”，微观为动态再结晶细小晶粒组织。 （2）热影响区、热机影响区均存在较强的形变组织，焊核区晶粒在剧烈剪切变形和高温的作用下发生了动态再结晶，为弱取向组织，小角度晶界含量较大。 （3）焊接接头横截面不同水平位置的显微硬度分布均呈“W”型，显微硬度值在热影响区和热机影响区的交界处出现极小值，双轴肩搅拌摩擦焊硬度分布受到上下两侧轴肩的影响，在厚度方向上的梯度相对较小。 （4）双轴肩搅拌摩擦焊焊板内部板厚中心层LD方向残余应力均大于TD方向；沿着焊缝，拉应力较大区间位于距焊缝起始端150~250 mm的范围内，最大拉应力为244 MPa。 参考文献 THOMAS W M ， NICHOLAS E D ， NEEDHAM J C ， et al . 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