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6061铝合金作为可热处理强化铝合金,具有低密度、较高的比强度、良好的耐蚀性、焊接性等特性,在航空航天、汽车、船舶等领域得到广泛应用。作为一种固相连接工艺,搅拌摩擦焊技术在铝及其合金的焊接方面显示出了巨大的优势,并通过在设计和制造中增加铝合金的使用量来实现载具的轻量化。本文运用OM,SEM,EBSD,EDS,XRD,DSC和TEM等分析测试技术研究了搅拌摩擦焊工艺参数对6061-T6时效硬化铝合金对接焊接头各区域的晶粒形貌与取向、晶界特征、位错密度以及析出相的影响。探讨了焊接参数、接头各区域的显微组织演变和接头力学性能之间的关系,解明了焊接参数对接头性能影响的本质问题。搅拌摩擦焊对接接头分为母材区、热影响区、热力影响区和焊核区。焊核区的动态再结晶模式同时包括几何动态再结晶和连续动态再结晶。焊接热输入的增加,会同时降低焊核区连续动态再结晶和几何动态再结晶的阻力。在高焊接速度下,随搅拌头转速的增加,主要表现为几何动态再结晶能力的增强,从而促进大角度晶界长度百分比的增加。然而,在低焊接速度下,随搅拌头转速的增加,主要表现为连续动态再结晶能力的增强,从而使小角度晶界的长度百分比增加。降低焊接速度,焊核区的位错密度会随动态回复和连续动态再结晶能力的增强而下降,从而使焊核区硬度下降。焊核区的织构主要为剪切织构和再结晶织构。焊核区织构组分的类型、强度分布与材料所处的应变状态有关,高焊接速度和高搅拌头转速下,焊核区材料会在大应变量下发生变形。焊核区非共格的Σ3晶界的形成是几何动态再结晶的结果,而不是发生了孪晶变形。同时,以Σ3为代表的部分CSL晶界的晶界迁移率较低,其含量的增加可细化焊核区的晶粒,从而使焊核区硬度有所增加。焊核区内的β"相基本上全部消失,同时会存在两类尺寸细小的过时效相β’/Q’和β/Q相,降低焊接速度后,剪切织构滑移面的改变以及动态回复和连续动态再结晶过程中的位错运动,都会对过时效析出相与Al基体之间的晶体取向关系产生影响。由于焊核区的沉淀强化相大量溶解,Al基体的固溶度会增加,并在焊接热循环的作用下自时效,从而使纳米级的溶质原子团簇弥散析出。所形成的团簇结构具有以下特征:单位晶胞与Al基体共格,即晶格参数a = b = 0.404 nm,c>1.212 nm;单位晶胞中存在一个反相结构(anti-phase boundary,APB);团簇内包含Al、Mg、Si和Cu原子。与固溶后的6061母材相比,焊核区的Si原子固溶度依旧较低,溶质原子团簇在加热的过程中会优先向β’相转变。增加搅拌头的转速,会促进溶质原子团簇的析出,从而增加焊核区的硬度。同时,搅拌头转速的增加还会使β’、β、Q’和Q等过时效相破碎细化甚至溶解;焊接速度降低后,以u相为代表的α-Al(Mn,Cr,Fe)Si颗粒相会在被搅拌针破碎细化的β’等过时效相上形核或独自长大。搅拌头后方焊核区材料的主要流动方式为:由后退侧逆时针进入搅拌头后部,同时还会有少量由前进侧顺时针进入的反向塑性金属流。降低搅拌头转速,反向塑性金属流向上扩展;而降低焊接速度,反向塑性金属流则朝焊核区中部横向扩展。当搅拌针附有螺纹时,增加搅拌头的转速,会促进后退侧的材料向上运动,使得更多的材料越过焊核区上部最终被挤入靠近前进侧的焊核区下方,从而加速材料的塑性流动。搅拌摩擦焊接头的热输入,由工件与搅拌头接触界面的产热和塑性变形产热构成。工件与搅拌头接触界面的产热会随搅拌头转速的增加而降低,而接头的塑性变形产热却随搅拌头转速的增加而增加。当采用带有螺纹的搅拌针焊接6061-T6铝合金中厚板时,增加搅拌头转速,搅拌摩擦焊接头的总热输入会随塑性变形产热的增加而增加,当焊接速度较低时,这一趋势会更加明显。此外,降低焊接速度还会增加接头热输入的不均匀性。热力影响区一般会发生动态回复和部分动态再结晶,其晶粒尺寸与焊核区接近,而其小角度晶界的长度百分比要比接头其他区域高。热力影响区两侧的塑性变形的方式有所差别,前进侧主要受到搅拌头的剪切力作用;后退侧与搅拌头之间隔着大量裹挟而来的金属流,剪切力的作用明显减弱,主要受到的是挤压力,因而后退侧以轧制织构为主。降低搅拌头转速会改变后退侧轧制织构组分的类型,同时会使前进侧由剪切应力状态向轧制应力状态改变。热力影响区的β"相基本上全部消失,取而代之的是β’和Q’等相。位错密度是影响热力影响区硬度的主要因素,其会随着焊接速度和搅拌头转速的增加而增加。热力影响区塑性变形量的增加,对时效析出相有一定的破碎作用,降低搅拌头转速,破碎过时效析出相的效果减弱,其尺寸持续长大。热影响区远离搅拌头,只受焊接热循环的影响且基本不发生变形,在静态回复的作用下,晶粒尺寸有所增加,晶粒内位错密度降低。焊接速度较高时,接头各区域的位错密度均较高,热影响区仍然存在大量针状的β"相,因此热影响区与焊核区和热力影响区硬度的差值较小,接头前进侧和后退侧硬度分布无明显差异。当焊接速度较低时,接头各区域的位错密度均较低,热影响区针状的β"相逐渐被棒状β’和Q’相取代,由于热影响区不受搅拌针的搅拌作用,时效相不会被破碎细化,因而β’和Q’等相的尺寸会随着焊接热输入的增加而增加。增加搅拌头转速,热影响区硬度会随位错密度的降低而进一步降低。接头拉伸试验表明,接头力学性能的最优值是在高焊接速度和适当的搅拌头转速下获得。接头断口形式均以韧性断裂为主,断口位于靠近母材的热影响区。抗拉强度一般与热影响区硬度的最低值有关,而延伸率则与包括焊核区、热力影响区和热影响区在内的软化区域的范围有关。