6082-T6鋁合金高焊接速度攪拌摩擦焊接頭微觀組織與力學(xué)性能

張欣盟， 李晶， 王貝貝， 倪丁瑞， 薛鵬， 馬宗義

(1.中國中車長春軌道客車股份有限公司，長春 130062；2.中國科學(xué)院金屬研究所，沈陽 110016)

0 前言

6082鋁合金屬于6xxx系(Al-Mg-Si)可熱處理強(qiáng)化鋁合金，具有良好的強(qiáng)度、耐腐蝕性和斷裂韌性，是目前鋁合金列車車體應(yīng)用量最大的鋁合金。焊接是鋁合金車體制造過程中不可或缺的工藝，然而使用熔化焊進(jìn)行鋁合金焊接時常出現(xiàn)氣孔、熱裂紋等焊接缺陷[1]。作為一種固相焊接技術(shù)，攪拌摩擦焊(Friction stir welding, FSW)具有優(yōu)質(zhì)高效、節(jié)能環(huán)保等諸多優(yōu)點，在鋁合金的焊接中得到了廣泛應(yīng)用，目前正逐步取代熔焊工藝成為鋁合金列車車體制造過程中的首選焊接工藝[2-3]。

對于鋁合金的FSW來說，影響其接頭性能的主要因素為決定熱輸入量的攪拌頭轉(zhuǎn)速和焊接速度。有研究表明，選用低熱輸入?yún)?shù)并通過輔助強(qiáng)制冷卻方式可大大提高鋁合金FSW接頭的力學(xué)性能，然而工藝復(fù)雜，對工業(yè)生產(chǎn)來說難以實現(xiàn)[4]。對于6xxx系可熱處理強(qiáng)化鋁合金，Liu等人[5]的研究表明，轉(zhuǎn)速只改變熱影響區(qū)位置，對FSW接頭的拉伸性能影響不明顯，而焊接速度則直接影響接頭的拉伸性能，隨著焊接速度的增加接頭的拉伸強(qiáng)度不斷提高，在此基礎(chǔ)上，提出了等溫溶解層模型，合理解釋了這一現(xiàn)象。6xxx系鋁合金FSW接頭性能隨焊接速度增加而升高的結(jié)論也被許多研究所證實[6-10]。

實際列車車體生產(chǎn)中，提高焊接速度有助于提高生產(chǎn)效率，也一直是焊接制造領(lǐng)域的重點研究方向之一。然而，目前對于6xxx系鋁合金FSW所報道的結(jié)果，大多數(shù)采用較低的焊接速度(<1 000 mm/min)。文中將在2 000 mm/min的高焊接速度下對6082-T6鋁合金進(jìn)行FSW，并對接頭微觀組織和力學(xué)性能進(jìn)行表征分析。

1 試驗方法

試驗所采用的材料為6 mm厚的軋制6082-T6鋁合金板材，抗拉強(qiáng)度為310 MPa，化學(xué)成分見表1。焊接試板尺寸為1 000 mm×150 mm。焊前采用機(jī)械打磨的方法去除試板表面氧化層，然后采用無水乙醇清洗試板表面油污。將清理好的試板用夾具固定后進(jìn)行FSW。所用焊接工具軸肩直徑為20 mm，攪拌針為錐形螺紋針，根部直徑為8 mm，針長5.7 mm。FSW過程中采用的旋轉(zhuǎn)速度為2 000 r/min，焊接速度為2 000 mm/min。作為對比研究，同時采用了旋轉(zhuǎn)速度為1 200 r/min，焊接速度為200 mm/min的參數(shù)進(jìn)行FSW。

表1 6082-T6鋁合金母材的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

焊接完成后，對焊縫進(jìn)行X射線探傷，然后用電火花加工方法垂直于焊縫方向制作組織觀察樣品。經(jīng)過400～2 000號砂紙機(jī)械磨光及機(jī)械拋光后，進(jìn)行電解拋光，拋光液為10%的高氯酸酒精溶液，電壓為10 V，溫度為-25 ℃。在FEI Nano SEM 430 掃描電鏡上用ECC模式進(jìn)行組織觀察。

采用Leco-LM-247AT型顯微硬度試驗機(jī)測試接頭橫截面顯微硬度分布曲線，沿焊縫中心線每隔1 mm打點，測試載荷為500 g，保壓時間13 s。采用電火花加工方法垂直于焊縫方向切取拉伸試樣，試樣總長度為150 mm，標(biāo)距段部分長50 mm，寬10 mm，厚度6 mm。拉伸樣品的取樣方式及尺寸如圖1所示。采用SANS-CMT5205電子萬能試驗機(jī)以1×10-3s-1的應(yīng)變速率進(jìn)行室溫拉伸試驗。

圖1 拉伸樣品取樣示意圖及樣品尺寸

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 接頭組織

一般的，若FSW焊接參數(shù)選取不當(dāng)，會產(chǎn)生嚴(yán)重飛邊、孔洞、溝槽、未焊透等缺陷。試驗中雖然采用了高焊接速度2 000 mm/min，仍然成功實現(xiàn)了6082-T6鋁合金的FSW，且外觀質(zhì)量良好，表面魚鱗狀紋路清晰，飛邊很小，如圖2所示。經(jīng)過X射線探傷測試，在焊縫中沒有發(fā)現(xiàn)缺陷。由此可見，對于6082-T6鋁合金，采用高焊接速度進(jìn)行FSW完全可行，可以大大提高實際生產(chǎn)效率。

圖2 FSW焊接試樣形貌

FSW接頭橫截面的宏觀形貌如圖3所示。接頭呈現(xiàn)出典型的FSW接頭形貌，焊核區(qū)、熱力影響區(qū)等區(qū)域清晰可見。從圖中可以看出，雖然采用很高的焊接速度，并沒有形成孔洞、未焊透等缺陷。而且“S”線呈現(xiàn)出不連續(xù)的分布狀態(tài)，焊核區(qū)中心僅有少量“S”線，表明FSW過程中攪拌針的攪動作用仍然很劇烈，將初始表面氧化膜充分破碎。這可以防止FSW在載荷作用下沿“S”線斷裂，有助于提高接頭力學(xué)性能。

圖3 FSW接頭橫截面宏觀形貌

圖4為FSW接頭各區(qū)域的典型微觀組織。從圖中可以看出，母材呈現(xiàn)出典型的軋制態(tài)形貌，晶粒沿軋制方向拉長，晶粒粗大，長度方向約為幾百微米。經(jīng)過FSW過程的劇烈塑性變形和熱的混合作用，焊核區(qū)組織發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，呈現(xiàn)出典型的等軸晶組織，晶粒尺寸明顯細(xì)化，約為10 μm。而熱力影響區(qū)由于材料塑性流動作用則呈現(xiàn)出典型的晶粒拉長形貌，且晶粒與母材相比也明顯細(xì)化。

圖4 FSW接頭各區(qū)域的微觀組織

圖5為2種焊接速度條件下FSW接頭熱影響區(qū)的TEM微觀組織。從圖中可以看出，在較低的焊接速度200 mm/min條件下，熱影響區(qū)的沉淀相發(fā)生了明顯的粗化現(xiàn)象，最長可達(dá)到500 nm(圖5a)。而焊接速度提高到2 000 mm/min時，熱影響區(qū)的沉淀相雖然有所粗化，但粗化程度大大降低，大部分沉淀相的長度在50 nm左右，如圖5b所示。顯然，高焊接速度有利于抑制熱影響區(qū)沉淀相的粗化，從而提高接頭力學(xué)性能。

圖5 FSW接頭熱影響區(qū)TEM形貌

2.2 接頭力學(xué)性能

圖6為FSW接頭的維氏顯微硬度分布曲線。從圖中可以看出低焊接速度200 mm/min條件下，F(xiàn)SW接頭的硬度曲線呈現(xiàn)出沉淀強(qiáng)化鋁合金特有的“W”形分布。母材硬度最高，約為110 HV，焊核區(qū)硬度與熱影響區(qū)、熱力影響區(qū)硬度相比較高，達(dá)到75 HV左右，最低硬度點位于熱影響區(qū)，硬度下降明顯，約為58 HV。當(dāng)焊接速度提高至2 000 mm/min時，焊核區(qū)的硬度變化不大，而熱影響區(qū)的最低硬度值明顯提升至72 HV，與焊核區(qū)硬度幾乎達(dá)到同等水平。通常焊核區(qū)溫度較高，大部分沉淀強(qiáng)化相固溶，且晶粒明顯細(xì)化，從而使得其硬度高于熱影響區(qū)；而熱影響區(qū)只受到熱的作用，強(qiáng)化相大部分粗化/溶解，且晶粒長大，成為軟化區(qū)。

圖6 FSW接頭橫截面顯微硬度分布圖

研究表明，對于沉淀強(qiáng)化鋁合金，最低硬度區(qū)的峰值溫度一般不會發(fā)生變化，但隨著焊接速度的提升，其熱循環(huán)過程中高溫停留時間逐步降低，強(qiáng)化相粗化/溶解時間縮短[5]。試驗采用的高焊接速度2 000 mm/min情況下最低硬度區(qū)在高溫停留時間大大縮短，減弱了強(qiáng)化相的粗化/溶解和晶粒長大，因此,其硬度值明顯高于常規(guī)參數(shù)下的熱影響區(qū)硬度值(約58 HV)[8]。

圖7為FSW接頭的室溫拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從圖中可以看出，在低焊接速度200 mm/min時FSW接頭的屈服強(qiáng)度約為130 MPa，抗拉強(qiáng)度為226 MPa，斷后伸長率為7.2%。高焊接速度2 000 mm/min時，F(xiàn)SW接頭的屈服強(qiáng)度提高至170 MPa，抗拉強(qiáng)度達(dá)到262 MPa，斷后伸長率略為降低，為6.8%。高焊接速度下FSW接頭的抗拉強(qiáng)度可達(dá)到母材的85%，優(yōu)于常規(guī)參數(shù)下的FSW接頭性能(約75%)[6-10]。通過圖8所示的高焊接速度拉伸后樣品的形貌可以看出，樣品拉伸斷裂位置遠(yuǎn)離焊核區(qū)，且沿著熱影響區(qū)斷裂，為高質(zhì)量FSW接頭典型的斷裂模式。

圖7 FSW接頭拉伸性能曲線

圖8 高焊接速度FSW接頭拉伸后樣品形貌

表2[6-10]為不同焊接速度下6082-T6鋁合金FSW接頭的拉伸強(qiáng)度匯總表。從表中可以看出，焊接速度對6082-T6鋁合金FSW接頭的抗拉強(qiáng)度有明顯的影響，基本上隨著焊接速度的增加而提高，這與之前的研究結(jié)果相吻合[5]。當(dāng)焊接速度較低(150～400 mm/min)時，由于熱循環(huán)過程中高溫停留的時間較長，熱影響區(qū)，尤其是最低硬度區(qū)軟化明顯，6082-T6鋁合金FSW接頭的抗拉強(qiáng)度較低，為230 MPa左右。當(dāng)焊接速度增加到800 mm/min時，接頭的抗拉強(qiáng)度增加到246 MPa。而采用試驗中的高焊接速度2 000 mm/min時，由于熱循環(huán)過程中高溫停留時間明顯縮短，最低硬度區(qū)軟化作用受到抑制，因此接頭的抗拉強(qiáng)度明顯升高，達(dá)到262 MPa。

表2 不同焊接速度下6082-T6鋁合金FSW接頭抗拉強(qiáng)度

通過文中的試驗研究以及相關(guān)報道可以發(fā)現(xiàn)，通過提高焊接速度可以明顯提高沉淀強(qiáng)化鋁合金FSW接頭的力學(xué)性能。對于沉淀強(qiáng)化鋁合金來說，熱循環(huán)歷史成為影響FSW接頭的主要因素。通常，改變工具尺寸和旋轉(zhuǎn)速度只能改變最低硬度區(qū)的位置，不能改變最低硬度區(qū)的溫度歷史曲線，表現(xiàn)為溫度曲線上峰值與寬度不變。而改變焊接速度雖然不能改變最低硬度區(qū)的峰值溫度，但隨著焊接速度的增加，最低硬度區(qū)在高溫停留時間縮短，表現(xiàn)為溫度曲線變窄，從而減弱了最低硬度區(qū)的軟化作用，提高接頭強(qiáng)度。顯然，增加焊接速度成為改善FSW接頭性能的有效手段。文中在高焊接速度2 000 mm/min下可得到高質(zhì)量的FSW接頭，不僅提高接頭力學(xué)性能，而且可明顯提高實際生產(chǎn)效率，具有十分重要的意義。

3 結(jié)論

(1)選用高焊接速度2 000 mm/min的參數(shù)成功實現(xiàn)了6082-T6鋁合金的FSW，焊縫表面質(zhì)量良好，內(nèi)部沒有缺陷產(chǎn)生。

(2) 高焊接速度時焊核區(qū)“S”線呈現(xiàn)出不連續(xù)的分布狀態(tài)，晶粒尺寸細(xì)化至10 μm，熱影響區(qū)的沉淀相粗化明顯減弱。

(3)高焊接速度時FSW接頭的最低硬度值明顯升高，達(dá)到72 HV。拉伸測試時，接頭斷裂于熱影響區(qū)，抗拉強(qiáng)度高達(dá)262 MPa，為母材的85%，優(yōu)于常規(guī)參數(shù)下FSW接頭強(qiáng)度。

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