6005A-5083鋁合金焊接接頭的微觀組織與力學(xué)性能研究

潘柏清 丁浩 劉雄 王向東

摘要：為提高接頭質(zhì)量和可靠性，通過微觀組織觀察、室溫拉伸、硬度、疲勞等試驗對6005A-5083焊接接頭的顯微組織和力學(xué)性能進行研究。結(jié)果表明：6005A-5083鋁合金焊接接頭焊縫成形良好，無明顯焊接缺陷，焊縫組織未見異常。6005A側(cè)熔合區(qū)存在輕微的Mg元素偏析，5083側(cè)合金元素分布均勻。接頭抗拉強度、屈服強度和伸長率的平均值分別為181 MPa、115 MPa、7.2%，其斷口呈現(xiàn)韌性斷裂特征，通過S-N曲線擬合得到的疲勞極限不低于75 MPa。焊接接頭焊縫區(qū)域、5083側(cè)熱影響區(qū)、6005A側(cè)熱影響區(qū)寬度分別約為10 mm、10 mm和35 mm。該焊接接頭存在軟化區(qū)，6005A側(cè)熔合區(qū)為較薄弱環(huán)節(jié)。

關(guān)鍵詞：6005A-5083焊接接頭;微觀組織;力學(xué)性能;氬弧焊

0 前言

高速列車輕量化是高速列車設(shè)計者們長期追求的目標。鋁合金具有輕質(zhì)、比強度高、耐腐蝕等優(yōu)點，現(xiàn)已成為高速列車的重要材料[1]。6005A鋁合金具有中等強度、優(yōu)良的耐腐蝕性和可焊性，已廣泛應(yīng)用于軌道車體上[2-4]。對于列車電氣屏柜，不同承重部位對材料的要求有所不同，部分結(jié)構(gòu)件需要將5083鋁合金與6005A鋁合金通過焊接的方式連接起來。焊接接頭各區(qū)受焊接熱循環(huán)的作用不同，再加上焊接材質(zhì)不同，使得焊接結(jié)構(gòu)不同部位的組織與性能不同。此外，焊接結(jié)構(gòu)在使用過程中面臨交變載荷、交變溫度等復(fù)雜環(huán)境，焊接接頭各區(qū)域的使用壽命與應(yīng)力腐蝕傾向也不盡相同。因此有必要對6005A-5083焊接接頭的組織與力學(xué)性能進行全面分析，評估其質(zhì)量，為后續(xù)工藝改進和壽命預(yù)測提供實驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。文中通過金相、掃描電鏡、透射電鏡組織觀察及硬度、室溫拉伸強度和疲勞等試驗對6005A鋁合金與5083鋁合金氬弧焊焊接接頭進行性能研究。

1 試驗材料與方案

1.1 試驗材料與工藝

6005A-5083焊接接頭通過熔化極氣體保護焊制備，填充材料為5356焊絲。焊縫成形較好，外觀無未焊透、焊接裂紋、咬邊、燒穿、焊瘤、氣孔、凹陷和未熔合等缺陷。

1.2 微觀組織觀察

1.2.1 金相組織觀察

參照GB/T 3246.1-2012變形鋁及鋁合金制品組織檢驗方法，以6005A-5083焊接接頭的焊縫為中心，垂直于接頭橫向取樣，經(jīng)過粗磨、細磨與機械拋光后，用Keller試劑（1%HF+1.5%HCl+3%HNO3）腐蝕表面，在Leica DM-4000M金相顯微鏡下觀察焊接接頭的微觀組織形貌特征。

1.2.2 掃描電鏡觀察與能譜分析

掃描電鏡采用Zeiss Auriga場發(fā)射掃描電子顯微鏡，實驗加速電壓為20 kV。SEM樣品以6005A-5083鋁合金焊接接頭為中心，垂直于接頭向兩側(cè)取樣，經(jīng)粗磨、細磨與機械拋光至無劃痕為止。通過電鏡配套能譜儀（EDS）對接頭不同區(qū)域的成分進行點、線、面掃描分析，探究合金內(nèi)不同金屬間化合物的種類與分布，追蹤合金元素的遷移特征。

1.2.3 透射電鏡觀察

透射電鏡（TEM）樣品通過機械減薄至100 μm左右，沖裁成φ3 mm圓片，然后去毛刺、清洗，最后通過Struers TenuPol-5型雙噴電解減薄儀進行電解雙噴。電解液采用1∶3（體積分數(shù)）的硝酸-甲醇溶液。采用液氮冷卻，雙噴溫度越位-20 ℃，雙噴電壓為20 V，電流為50～70 mA。透射電子顯微鏡觀察目標試樣中各析出相的形貌、尺寸、分布、晶內(nèi)與晶界的析出狀態(tài)等，進一步分析合金內(nèi)不同金屬間化合物的分布形態(tài)規(guī)律。

1.3 靜態(tài)力學(xué)性能測試

1.3.1 維氏硬度測試

參照GB/T 2654-2008焊接接頭硬度試驗方法，以焊縫為中心垂直于接頭向兩側(cè)基材取樣。硬度測試的標線與測點位置如圖1所示。測試儀器為寶棱HXD-2000TMSC數(shù)顯顯微硬度儀，沿每一個測點位置上下測5～8次取平均值。加載載荷為1 kg，加載時間10 s。焊接試樣按硬度劃分不同區(qū)域后，其分區(qū)成分分析通過ICP電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀完成。

1.3.2 室溫拉伸性能測試

室溫拉伸試驗在萬能材料試驗機MTS 810上進行，拉伸試樣參照GB/T 2651-2008 焊接接頭拉伸試驗方法制備，其尺寸如圖2所示。以接頭焊縫為中心，垂直于接頭向兩側(cè)線切割制備拉伸試樣。拉伸速率為2 mm/min。重復(fù)測3次，采用掃描電鏡觀察分析試樣斷口。

1.4 疲勞試驗

疲勞試樣參考GB/T 3075-2008金屬材料疲勞試驗軸向力控制方法制備，尺寸如圖3所示。以接頭焊縫為中心，垂直于接頭向兩側(cè)線切割制備疲勞試樣。試樣表面經(jīng)粗磨與細金相砂紙打磨到5000#，確保樣品表面無劃痕為止方可進行試驗。

疲勞測試選擇應(yīng)力比0.1，頻率35 Hz。其中低頻疲勞采用MTS 810材料萬能試驗機進行測試。獲取焊接接頭在不同應(yīng)力條件下的疲勞壽命曲線（S-N），并進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 金相組織

6005A-5083焊接接頭金相組織形貌如圖4所示?？梢钥闯觯渲?005A和5083鋁合金母材晶粒都呈現(xiàn)為纖維狀;6005A鋁合金母材與焊縫交界處的熔合區(qū)有明顯界限，而焊縫與5083交界處的熔合區(qū)則是逐漸過渡，焊縫區(qū)存在明顯的等軸晶。

6005A母材呈現(xiàn)顯著的線條狀組織，線條狀組織均勻整齊的沿著水平方向分布，這是由于在板材軋制過程中晶粒沿著軋制方向被拉長所致。從6005A到焊縫的熔合區(qū)可見線條組織過渡到焊縫的樹枝晶，這可能是由于焊接過程中熔池凝固所致，在過渡區(qū)還夾雜著少許等軸晶。焊縫組織為均勻分布的等軸晶和部分樹枝晶，這是因為在焊接過程中冷速過快，發(fā)生了非平衡凝固，且溫度梯度具有一定的方向性，所以新形成的晶粒就會沿著一定的方向生長，形成枝晶組織。焊縫與5083的熔合區(qū)并未出現(xiàn)如6005A側(cè)熔合區(qū)的過渡層組織，而是等軸晶、枝晶逐漸過渡為扁平的柱狀晶區(qū)。5083母材區(qū)組織為細小扁平的小晶粒，且往基材區(qū)一側(cè)其晶粒組織更加細小均勻[5]。

2.2 掃描電鏡組織

焊接接頭中5083側(cè)的表面組織及第二相粒子分布如圖5所示。表面組織存在三個明顯區(qū)域：纖維組織區(qū)、過渡區(qū)及等軸晶區(qū)，其中纖維組織區(qū)及過渡區(qū)對應(yīng)焊接接頭中5083側(cè)熱影響區(qū)、等軸晶區(qū)對應(yīng)焊縫區(qū)。經(jīng)能譜分析，接頭表面主要存在Al6（FeMn）粒子，基體中的Mg含量從纖維組織區(qū)到等軸晶區(qū)呈逐步減少趨勢。

焊縫區(qū)微觀組織及能譜圖如圖6所示。由圖6可知，焊縫區(qū)的晶粒主要是合金重熔之后形成的等軸晶。第二相粒子均勻彌散地分布在試樣表面，能譜分析表明這些第二相主要為Al6（FeMn）粒子[6]。

焊接接頭中6005A側(cè)熱影響區(qū)表面第二相粒子分布及能譜圖如圖7所示。由圖7可知，焊縫區(qū)的Mg含量為3.89%，過渡區(qū)的Mg含量較低，纖維組織區(qū)的Mg含量為1.96%。第二相粒子主要沿軋向分布，粒子成分為長條狀的Mg2Si粒子及片塊狀的Al6（FeMn）粒子。焊縫區(qū)近6005A側(cè)第二相粒子含有較高的Si與Cr。

焊接接頭中6005A側(cè)熱影響區(qū)能譜線掃描如圖8所示?？梢钥闯?，等軸晶區(qū)（焊縫區(qū)）的Mg含量相對較高，6005A側(cè)熱影響區(qū)Mg含量先降低后升高再降低，呈不均勻分布狀態(tài)。其他合金元素除因第二相顆粒形成的峰以外，變化不明顯。

焊接機頭6005A側(cè)熱影響區(qū)的元素面掃描如圖9所示。接頭表面Mg元素在焊縫區(qū)附近存在偏析，在一塊不規(guī)則區(qū)域內(nèi)Mg含量相對較低;其他合金元素如Mn、Si等含量相對較低，分布較均勻。該處偏析的形成可能與其距離焊縫中心較遠、靠近6005A側(cè)熱影響區(qū)，冷卻速度過快有關(guān)[7-8]。

焊接接頭中5083側(cè)熱影響區(qū)元素線掃描分布如圖10所示。5083側(cè)熱影響區(qū)附近除Mg2Si及其他第二相顆粒形成的峰以外，與6005A側(cè)熱影響區(qū)相比各元素變化均不明顯。對試樣表面各區(qū)域元素進行定量分析發(fā)現(xiàn)，等軸晶區(qū)的Mg含量為3.8%，過渡區(qū)的Mg含量為4.22%，纖維組織區(qū)的Mg含量為4.29%。

接頭中5083側(cè)熱影響區(qū)的表面元素分布面掃描如圖11所示，各合金元素分布相對均勻，未觀測到明顯偏析現(xiàn)象。

2.3 透射電鏡組織

6005A-5083焊接接頭各區(qū)域的TEM組織如圖12所示。受軋制強烈變形影響，5083基材區(qū)的組織內(nèi)部位錯、亞晶襯度較高，未觀測到明顯的第二相粒子。5083熱影響區(qū)組織較母材區(qū)更加平直、清晰，位錯密度降低，大量200 nm左右的短棒狀粒子均勻分布于晶內(nèi)。在焊縫區(qū)，晶界相對平直，晶粒內(nèi)部第二相顆粒相對較少。從焊縫區(qū)過渡到6005A側(cè)熱影響區(qū)，可以觀察到組織內(nèi)部出現(xiàn)大量的針狀與長棒狀第二相。在6005A母材區(qū)域，晶粒內(nèi)部及晶界存在大量橢球狀或長徑較小的短棒狀第二相。

2.4 硬度

6005A-5083鋁合金焊接接頭的硬度分布曲線如圖13所示。由圖13可知，5083鋁合金基材硬度約為85 HV，6005A基材硬度約為100 HV。焊縫區(qū)的寬度約為10 mm。焊縫中心到5083鋁合金基材位置的距離較短，約為10 mm，即5083側(cè)熱影響區(qū)較窄;而焊縫中心到6005合金基材位置的距離較長，約為35 mm，即6005A側(cè)熱影響區(qū)較寬。此外，焊縫區(qū)及熱影響區(qū)的硬度與基材相比均有明顯降低。需要注意的是，6005A-5083鋁合金焊接接頭在焊縫中心到6005A側(cè)區(qū)間出現(xiàn)了一個明顯的軟化區(qū)，軟化區(qū)的形成可能與該區(qū)域Mg元素含量較低有關(guān)，形成的強化相Mg2Si粒子相對較低。試樣表面的硬度先下降至軟化區(qū)處，隨后逐漸恢復(fù)到基材水平。而焊縫中心到5083側(cè)由于距離較短，軟化區(qū)不明顯[9-10]。

5083基材區(qū)、5083熱影響區(qū)、焊縫區(qū)、6005A熱影響區(qū)、6005A基材區(qū)的ICP測試結(jié)果如表1所示。焊縫區(qū)的成分不同于5083或6005A，其成分主要為：Al-3.45Mg-0.33Mn-0.19Si。Mg含量從5083區(qū)域到6005A區(qū)域呈一定的下降趨勢。

2.5 室溫拉伸性能

6005A-5083鋁合金焊接接頭的室溫拉伸性能結(jié)果如表2所示。由表2可知，焊接接頭抗拉強度為181 MPa，屈服強度為115 MPa，伸長率為7.2%，主要的斷裂區(qū)域為6系熱影響區(qū)，推測6系熱影響區(qū)為該焊接接頭的力學(xué)薄弱環(huán)節(jié)。室溫拉伸后的焊接接頭斷口形貌如圖14所示，斷口表面凹凸不平，起伏較大，試樣韌性良好。將其放大后，在試樣表面觀察到大量韌窩，為韌性穿晶斷裂特征。

焊接接頭的疲勞壽命曲線如圖15所示。由圖15可知，焊接接頭在高應(yīng)力水平下的壽命值較為分散，而在低應(yīng)力條件下壽命則較為集中。通過擬合可知，1 000萬次條件下的疲勞極限強度不低于75 MPa。

3 結(jié)論

（1）6005A-5083鋁合金氬弧焊焊接接頭宏觀無缺陷，焊縫組織未見異常，僅在6005A側(cè)熔合區(qū)附近存在一定的Mg元素偏析。

（2）焊接接頭的抗拉強度、屈服強度及伸長率分別為181 MPa、115 MPa、7.2%。斷口呈現(xiàn)韌性斷裂特征。

（3）焊接接頭焊縫區(qū)、5083熱影響區(qū)、6005A熱影響區(qū)寬度分別約為10 mm、10 mm 和35 mm。顯微硬度上存在明顯的軟化區(qū)，6005A側(cè)熔合區(qū)為較薄弱環(huán)節(jié)。

（4）焊接接頭的疲勞極限強度不低于75 MPa，在此應(yīng)力水平下該焊接接頭疲勞壽命可以達到107次。

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