6082-T6鋁合金攪拌摩擦焊接頭組織和沖擊性能

趙亞東，何 強(qiáng)

（安陽工學(xué)院 機(jī)床關(guān)鍵功能部件重點(diǎn)實驗室，河南 安陽 455000）

0 前言

6082鋁合金屬于熱處理強(qiáng)化合金，具有良好的強(qiáng)度、耐腐蝕性和斷裂韌性，是高速列車?yán)硐氲能嚿聿牧稀Ｄ壳霸摵辖鸬暮附又饕遣捎萌刍瘶O氬弧焊MIG，在空氣中很容易與氧發(fā)生反應(yīng)，在其表面形成一層氧化鋁膜，在焊接過程中很容易產(chǎn)生氣孔、裂紋等缺陷，大大降低了接頭的力學(xué)性能，限制了該合金在軌道交通領(lǐng)域中的應(yīng)用。

焊接接頭的沖擊韌性是制定焊接工藝的重要依據(jù)，目前國內(nèi)關(guān)于6082鋁合金攪拌摩擦焊接頭的沖擊韌性鮮有報道。本研究采用攪拌摩擦焊技術(shù)實現(xiàn)了8 mm 6082-T6鋁合金對接焊，研究了接頭的微觀組織和沖擊性能。

1 試驗材料和方法

試驗材料為8 mm厚的6082-T6鋁合金軋制板，尺寸規(guī)格300 mm×150 mm×8 mm，已經(jīng)過淬火與人工時效處理，其力學(xué)性能為σb=310 MPa，斷面收縮率A=10.5%，其化學(xué)成分見表1。試驗用攪拌頭的軸肩直徑為20 mm；攪棒根部直徑8 mm，長7.6～7.7 mm。工藝參數(shù)為：焊接速度 300 mm/min，攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度1200 r/min。

表1 6082-T6鋁合金的化學(xué)成分 %

焊后沿垂直于焊縫方向截取試樣，經(jīng)研磨、拋光后，用Keller試劑（150mlH2O+3mlHNO3+6 mlHCl+6 ml HF）對試樣進(jìn)行腐蝕。沖洗風(fēng)干處理完畢，采用BX51M光學(xué)顯微鏡觀察FSW焊接接頭的顯微組織形態(tài)。

沖擊試樣按GB2649-1989《焊接接頭機(jī)械性能試驗取樣方法》取樣，采用55 mm×10 mm×5 mm V型缺口試樣。缺口分別開在焊核區(qū)、熱影響區(qū)和母材，如圖1所示。沖擊試驗按GB2650-1989《焊接接頭沖擊試驗方法》在JB-30B型沖擊機(jī)上進(jìn)行，試驗溫度為室溫。采用JSM-6360LV型掃描電子顯微鏡觀察沖擊斷口形貌。

圖1 沖擊缺口位置示意

2 試驗結(jié)果和分析

2.1 顯微組織

6082-T6鋁合金FSW接頭的宏觀金相照片如圖2所示。國內(nèi)外研究人員一般將FSW接頭分為焊核區(qū)（Weld nugget）、熱機(jī)影響區(qū)（TMAZ）、熱影響區(qū)（HAZ）和母材，與傳統(tǒng)的熔化焊接頭相比，多出了熱機(jī)影響區(qū)。攪拌摩擦焊是固相連接，在焊接過程中，該區(qū)域是受到機(jī)械攪拌和焊接熱循環(huán)綜合作用形成的。由圖2可知，焊縫區(qū)的金屬形狀呈現(xiàn)出倒“π”形結(jié)構(gòu)，在焊縫中心處形成了一系列同心圓環(huán)狀組織，稱之為“洋蔥環(huán)”組織[2-4]。焊核區(qū)是最接近軸肩的區(qū)域，組織結(jié)構(gòu)相對于其他區(qū)域發(fā)生了較大的變化。前進(jìn)側(cè)為攪拌工具旋轉(zhuǎn)方向與焊接方向一致的側(cè)面，回轉(zhuǎn)側(cè)為攪拌工具旋轉(zhuǎn)方向與焊接方向相反的側(cè)面。無論是前進(jìn)側(cè)還是回轉(zhuǎn)側(cè)的母材和焊核區(qū)都有明顯的分界線。

圖2 FSW接頭組織分布

由圖3a可知，母材的顯微組織是典型的軋制態(tài)組織，晶粒呈纖維狀沿軋制方向分布。由圖3b可知，焊核區(qū)組織為細(xì)小的等軸的結(jié)晶組織。經(jīng)典理論認(rèn)為鋁合金屬于高層錯能金屬，一般只發(fā)生動態(tài)回復(fù)，這一結(jié)果顯然與經(jīng)典理論相違背。如果具備以下兩個條件，這一結(jié)論是成立的：一是位錯密度能夠快速達(dá)到臨界值；二是快速加熱。這樣合金在FSW過程中不易發(fā)生回復(fù)，再結(jié)晶驅(qū)動力相對較大，這樣會快速發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶。在焊接過程中，攪拌針頭快速攪拌焊縫區(qū)的金屬，軸肩與金屬材料表面快速摩擦產(chǎn)生熱量，這種綜合作用很容易達(dá)到發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶的臨界值，因此焊核區(qū)的組織為細(xì)小的等軸動態(tài)再結(jié)晶晶粒。熱機(jī)影響區(qū)組織變化沒有焊核區(qū)組織變化劇烈（見圖3c），在變形和焊接熱循環(huán)的綜合作用下，形成了從粘附長大的破碎組織到彎曲變形的帶狀組織的變化梯度，其中還混合有再結(jié)晶晶粒和回復(fù)晶粒。熱影響區(qū)的晶粒為典型受熱長大組織（見圖3d）。如前所述，鋁合金發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶需滿足上述兩個條件，熱影響區(qū)主要是受熱影響，受力很小或完全不受力，不能同時滿足兩個條件，因此熱影響區(qū)不會發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，其組織與母材相似，但晶粒比母材的粗大。

2.2 沖擊韌性

6082-T6 FSW接頭室溫沖擊試驗結(jié)果如表2所示。由表2可知，焊接接頭焊核區(qū)、熱影響區(qū)、母材室溫的沖擊功平均值分別為 12.4 J、11.1 J、8.1 J。其中母材的沖擊功最低。焊核區(qū)的沖擊功約為母材的1.5倍，熱影響區(qū)的沖擊功約為母材的1.4倍，焊核區(qū)的沖擊韌性最好，這可能與焊核區(qū)細(xì)小的等軸再結(jié)晶組織有關(guān)。根據(jù)斷裂理論，細(xì)化晶粒，裂紋不易形成，且裂紋形成后不易擴(kuò)展，因為裂紋擴(kuò)展時要多次改變方向，將消耗更多能量[5]，焊核區(qū)沖擊功高于母材。6082-T6鋁合金FSW焊接接頭的沖擊韌性優(yōu)于母材。

圖3 FSW接頭的顯微組織

表2 沖擊試驗結(jié)果

2.3 斷口形貌

接頭沖擊斷口形貌如圖4所示，由圖4可知，6082-T6鋁合金FSW接頭所有區(qū)域室溫沖擊斷口均為等軸韌窩，塑性斷裂特征非常明顯，屬韌性斷裂。焊核區(qū)斷口上分布著尺寸較大、較深的韌窩，且大韌窩之間布滿著小韌窩，小韌窩內(nèi)強(qiáng)化相粒子發(fā)生破碎（見圖4a）。這是由于焊核區(qū)的塑性變形能力較強(qiáng)，在斷裂的過程中可以吸收更多的能量，因而焊核區(qū)沖擊吸收功最高。熱影響區(qū)的斷口特征與焊核區(qū)一樣，也呈現(xiàn)出韌性斷裂特征（見圖4b）；但是，該區(qū)的韌窩尺寸較小，并且分布著一定數(shù)量的撕裂棱，沖擊吸收功比焊核區(qū)的低。母材的斷口上也分布著大量的韌窩，斷口呈現(xiàn)出韌性斷裂特征（見圖4c）。

圖4 接頭沖擊斷口形貌

3 結(jié)論

（1）采用攪拌摩擦焊實現(xiàn)了8 mm厚度6082-T6鋁合金的連接。焊核區(qū)發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶，形成了細(xì)小的等軸晶再結(jié)晶組織；熱機(jī)影響區(qū)在攪拌頭機(jī)械和焊接熱循環(huán)的綜合作用下組織發(fā)生了較大程度的變形；熱影響區(qū)僅受焊接熱循環(huán)的作用，與母材組織相似，但組織粗大。

（2）FSW焊接接頭的沖擊韌性優(yōu)于母材，焊核區(qū)、熱影響區(qū)、母材的沖擊試樣斷口形貌具有典型的韌性斷裂特征。

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