6061鋁合金攪拌摩擦焊接頭組織及性能

劉剛，王禮凡，朱磊，張璽，解芳，彭銀利

摘要： 對(duì)厚度6 mm的6061鋁合金進(jìn)行了攪拌摩擦焊對(duì)接焊，采用光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡、拉伸試驗(yàn)機(jī)及電化學(xué)工作站等設(shè)備對(duì)焊接接頭的金相組織、斷口形貌、拉伸性能和腐蝕性能進(jìn)行了測(cè)試和分析。結(jié)果表明，當(dāng)焊接速度為80 mm/min、旋轉(zhuǎn)速度在600～1 500 r/min之間時(shí)，焊接接頭的外觀良好，無(wú)明顯缺陷。隨著旋轉(zhuǎn)速度的增加，焊核區(qū)晶粒呈現(xiàn)出先減小后增大的現(xiàn)象。當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度為1 200 r/min時(shí)，焊核區(qū)的晶粒最細(xì)小，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率最高，分別為168 MPa和14.7%，焊縫強(qiáng)度達(dá)到了母材的81.9%，焊接接頭的斷裂形式為以韌性斷裂為主的韌-脆混合斷裂模式。隨著旋轉(zhuǎn)速度增大，攪拌摩擦焊接頭的耐腐蝕性能呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，當(dāng)攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為1 200 r/min時(shí)，焊接接頭的耐腐蝕性能最好，其腐蝕電流密度最小為2.4×10-5 A/cm2。

關(guān)鍵詞： 6061鋁合金； 攪拌摩擦焊； 微觀組織； 力學(xué)性能； 腐蝕性能

中圖分類號(hào)： TG453

Microstructure and properties of 6061 aluminum alloy

welded joint by FSW

Liu Gang， Wang Lifan， Zhu Lei， Zhang Xi， Xie Fang， Peng Yinli

（Nanyang Institute of Technology， Nanyang 473000， Henan， China）

Abstract： Friction stir welding was carried out on 6061 aluminum alloy with a thickness of 6 mm. Metallographic structure， fracture morphology， tensile property and corrosion property of welded joints were tested and analyzed by optical microscope， scanning electron microscope， tensile testing machine and electrochemical workstation， respectively. The results showed that when the welding speed was 80 mm/min and the rotation speed was between 600～1 500 r/min， the welded joint had a good appearance without obvious defects. With the increase of rotation speed， the grain size of the welding nuclear zone decreased first and then increased. When the rotation speed was 1 200 r/min， the grain size of the welded core area was the smallest， and the tensile strength and elongation of the welded joint were the highest， 168 MPa and 14.7%， respectively. The weld strength reached 81.9% of base metal. The fracture mode of the welded joint was ductilebrittle mixed fracture mode， which was mainly ductile fracture. With the increase of rotation speed， the corrosion resistance of FSW joint first increased and then decreased. When the rotation speed of FSW joint was 1 200 r/min， the corrosion resistance of FSW joint was the best， and the minimum selfcorrosion current density of FSW joint was 2.4×10-5 A/cm2.

Key words： 6061 aluminum alloy； friction stir welding； microstructure； mechanical property； corrosion property

0前言

6061鋁合金因具有加工性能和焊接性能好、抗腐蝕性能強(qiáng)及易于拋光、上色等優(yōu)點(diǎn)而廣泛的應(yīng)用于航空航天、交通運(yùn)輸、家用電器和軍工、機(jī)械等行業(yè)中[1]。6061鋁合金的主要連接方式為焊接，但由于其具有比熱容和熱膨脹系數(shù)大等特點(diǎn)，使用傳統(tǒng)的焊接方法如熔化極氬弧焊等，在焊接時(shí)很容易形成氣孔、夾渣等缺陷，嚴(yán)重影響6061鋁合金的焊接質(zhì)量和性能[2-3]。

攪拌摩擦焊是將高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭與金屬材料攪拌和摩擦產(chǎn)生熱量使材料局部塑化，被塑性化的材料在攪拌針的轉(zhuǎn)動(dòng)下和擠壓作用下形成致密的焊縫[4]。攪拌摩擦焊具有焊接溫度低、焊接接頭質(zhì)量高、缺陷少等優(yōu)點(diǎn)，已在鋁合金焊接上得到了廣泛應(yīng)用[5-10]。在攪拌摩擦焊中，工藝參數(shù)對(duì)焊接接頭性能的影響明顯。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于鋁合金攪拌摩擦焊不同工藝參數(shù)下焊接接頭微觀組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的研究較多[11-13]，而對(duì)其腐蝕行為的研究較少。然而鋁合金焊接接頭的腐蝕性能是其在實(shí)際工程使用中，影響使用壽命的關(guān)鍵因素之一[14]。因此，文中著重研究6061鋁合金攪拌摩擦焊焊接接頭的腐蝕性能，揭示焊接工藝參數(shù)與攪拌摩擦焊焊接頭耐腐蝕性能之間的關(guān)系，為提高6061鋁合金攪拌摩擦焊焊接接頭的腐蝕性能，延長(zhǎng)其服役壽命，以及進(jìn)一步發(fā)展推廣其工程使用奠定重要基礎(chǔ)。

文中采用不同的攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度對(duì)6 mm厚的6061鋁合金進(jìn)行了攪拌摩擦對(duì)接焊，以研究旋轉(zhuǎn)速度對(duì)6061鋁合金焊接接頭組織、力學(xué)性能和腐蝕性能的影響，為提升攪拌摩擦焊在6061鋁合金對(duì)接焊焊接接頭的服役能力上有著十分重要的工程意義。

1試驗(yàn)材料與方法

該次試驗(yàn)所用材料為6 mm厚的6061T6鋁合金軋制板材，抗拉強(qiáng)度為205 MPa。試驗(yàn)前使用線切割將鋁合金板材切割成尺寸為100 mm×100 mm的試樣，用碳化硅砂紙進(jìn)行打磨處理，以去除表面毛刺和氧化膜，之后使用丙酮擦洗進(jìn)行脫脂處理。試驗(yàn)時(shí)將試樣固定在攪拌摩擦焊機(jī)專用夾具上，進(jìn)行對(duì)接攪拌摩擦焊試驗(yàn)，所用設(shè)備型號(hào)為FSWLMAM162D攪拌摩擦焊機(jī)床。選用的攪拌軸肩直徑為15 mm，攪拌針直徑為5 mm，長(zhǎng)度為5.8 mm，焊接方向沿板材的軋制方向，下壓量為0.2 mm，傾斜角為2.5°。焊接時(shí)采用的焊接速度為80 mm/min，攪拌針旋轉(zhuǎn)速度分別為600 r/min、1 200 r/min和1 500 r/min，具體焊接工藝參數(shù)見表1。

使用線切割在焊接后的樣品上切割標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣進(jìn)行拉伸試樣，所用設(shè)備為CMT5105萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，拉伸速度為2 mm/min，為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每組試樣測(cè)試3個(gè)試樣，然后對(duì)結(jié)果求平均值。使用掃描電子顯微鏡（TESCAN）觀察拉伸斷口微觀形貌。焊接試樣經(jīng)碳化硅砂紙打磨并拋光后，使用6 mL HCl+3 mL HNO3+3 mL HF+150 mL H2O混合溶液對(duì)焊接試樣進(jìn)行腐蝕處理，并使用光學(xué)顯微鏡（OLYMPUS PMG3）觀察焊接接頭區(qū)域的金相組織。使用電化學(xué)工作站（PGSTAT302N）在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液中測(cè)量試樣焊核區(qū)的極化曲線和開路電位（OCP），分析試樣的耐腐蝕性能。

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1旋轉(zhuǎn)速度對(duì)焊縫表面形態(tài)的影響

圖1為1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)試樣在不同旋轉(zhuǎn)速度下獲得的攪拌摩擦焊焊接接頭的外觀照片。從圖中可以看出，攪拌摩擦焊后，不同旋轉(zhuǎn)速度下1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)試樣的焊縫表面區(qū)域紋路清晰且形成了光亮的魚鱗紋，表面成形良好，無(wú)明顯的缺陷或變形，有不同程度的飛邊產(chǎn)生，當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度為600 r/min時(shí)，有較多的飛邊，隨著旋轉(zhuǎn)速度的增加，飛邊先減少后增多。當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度為1 200 r/min時(shí)，僅產(chǎn)生少量的飛邊;當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度為1 500 r/min時(shí)，產(chǎn)生的飛邊較多，這是由于攪拌摩擦焊時(shí)，旋轉(zhuǎn)速度太大，摩擦生熱增多使得焊縫區(qū)域的溫度過(guò)高，材料塑化程度過(guò)高，進(jìn)而導(dǎo)致軟化的鋁合金粘度太低，在擠壓的作用下材料溢出較多，因此形成的飛邊較多。

2.2旋轉(zhuǎn)速度對(duì)焊核區(qū)組織的影響

圖2為不同旋轉(zhuǎn)速度下6061鋁合金攪拌摩擦焊焊核區(qū)的金相組織圖。可以看出，攪拌摩擦焊后，與母材的長(zhǎng)條狀晶粒不同，6061鋁合金焊核區(qū)由分布均勻的細(xì)小等軸晶組成。這是由于在焊接過(guò)程中，攪拌頭與鋁合金摩擦產(chǎn)生了大量熱量，使焊核區(qū)金屬處于塑化狀態(tài)，并在攪拌針的不斷攪拌作用下，發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，從而使焊核區(qū)形成比母材晶粒更加細(xì)小的等軸晶。另外，在摩擦生熱和機(jī)械破碎的共同作用下，隨著旋轉(zhuǎn)速度的增加，焊核區(qū)晶粒呈現(xiàn)出先減小后增大的現(xiàn)象，旋轉(zhuǎn)速度為1 200 r/min時(shí)焊核區(qū)的晶粒最細(xì)小。這是由于旋轉(zhuǎn)速度較大時(shí)，攪拌針對(duì)晶粒的破碎作用較強(qiáng)，使晶粒產(chǎn)生細(xì)化。但旋轉(zhuǎn)速度過(guò)快時(shí)，摩擦產(chǎn)生的熱量越多，焊核區(qū)晶粒發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶后受熱作用的時(shí)間越長(zhǎng)，使得焊核區(qū)晶粒越粗大。

2.3焊接接頭力學(xué)性能分析

圖3為不同旋轉(zhuǎn)速度下6061鋁合金攪拌摩擦焊焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率。可以看出，當(dāng)攪拌摩擦焊焊接速度一定時(shí)，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率均隨著旋轉(zhuǎn)速度的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度為600 r/min時(shí)，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率分別為150 MPa和12.8%，當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度為1 200 r/min時(shí)，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率分別增加到168 MPa和14.7%，抗拉強(qiáng)度達(dá)到了母材強(qiáng)度（205 MPa）的81.9%，斷裂位置均位于熱影響區(qū)附近。這是由于隨著旋轉(zhuǎn)速度的增加，攪拌頭的機(jī)械攪拌作用增大，加劇了焊核區(qū)晶粒的破碎程度，使焊核區(qū)的晶粒得到細(xì)化，而熱影響區(qū)仍有Mg2Si第二顆粒強(qiáng)化相析出，所以抗拉強(qiáng)度呈升高趨勢(shì)，從而提高了焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率。繼續(xù)增加旋轉(zhuǎn)速度到1 500 r/min時(shí)，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率急劇降低，分別為111 MPa和11.2%。這是由于繼續(xù)增加旋轉(zhuǎn)速度時(shí)，摩擦生熱更多，焊接接頭受熱循環(huán)作用程度大，熱影響區(qū)晶粒長(zhǎng)大，Mg2Si第二顆粒強(qiáng)化相嚴(yán)重粗化，從而降低了焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率。

由圖3可得隨著攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度增加，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，這與文獻(xiàn)[15]研究結(jié)果的變化趨勢(shì)相同。但是，在相同的攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度變化范圍內(nèi)，文獻(xiàn)[15]中焊接速度為300 mm/min條件下的焊接質(zhì)量（最高抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率分別為248 MPa和22.2%）明顯優(yōu)于該文焊接速度為80 mm/min條件下的焊接質(zhì)量。王海艷等人[15]在研究攪拌摩擦焊工藝參數(shù)與接頭質(zhì)量的關(guān)系中發(fā)現(xiàn)焊接接頭質(zhì)量與攪拌摩擦焊的熱輸入密切相關(guān)，由攪拌摩擦焊的熱輸入得到：

qk = k′n/v（1）

式中：qk為熱輸入；k′為常數(shù)；n為攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度；v為焊接速度。由式（1）可知在旋轉(zhuǎn)速度不變的情況下，隨著焊接速度增大，焊接熱輸入減小，焊縫區(qū)域晶粒細(xì)小，抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率增大，因而可以通過(guò)匹配合適的攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度和焊接速度來(lái)改善焊接接頭的性能。

圖4為旋轉(zhuǎn)速度為1 200 r/min時(shí)6061鋁合金攪拌摩擦焊焊接接頭的斷口形貌圖。從圖中可以看出，焊接接頭的斷口中存在大量較深的等軸韌窩，說(shuō)明焊接接頭主要為韌性斷裂。另外，焊接接頭斷裂時(shí)，接頭存在部分沿晶斷裂和第二相粒子剝離，形成較多的細(xì)小韌窩，同時(shí)少量第二相粒子在晶粒內(nèi)和晶界處析出，導(dǎo)致焊接接頭存在內(nèi)部缺陷和微裂紋，使焊接接頭在拉伸斷裂時(shí)產(chǎn)生了少量的撕裂棱，產(chǎn)生了脆性斷裂。整體來(lái)看，焊接接頭的斷裂形式為以韌性斷裂為主的韌-脆混合斷裂模式。

2.4焊接接頭電化學(xué)腐蝕性能分析

圖5為不同旋轉(zhuǎn)速度下6061鋁合金攪拌摩擦焊的開路電位。開路電位越接近正值，試樣的耐腐蝕傾向越小，試樣被腐蝕的幾率越小，則試樣的耐腐蝕性能越好[11]。母材的開路電位最小，為-0.73 V。旋轉(zhuǎn)速度為1 200 r/min時(shí)，擁有最高的開路電位-0.55 V。旋轉(zhuǎn)速度為600 r/min時(shí)，開路電位為-0.62 V。旋轉(zhuǎn)速度為1 500 r/min時(shí)，開路電位為-0.65 V。由開路電位的結(jié)果來(lái)看，在焊接參數(shù)為600～1 500 r/min時(shí)，試樣的腐蝕傾向先減小后增大。由不同旋轉(zhuǎn)速度下6061鋁合金攪拌摩擦焊焊核區(qū)的金相組織圖可知，晶粒呈現(xiàn)為先減小后增大的趨勢(shì)，即晶粒越小，晶界處發(fā)生腐蝕的幾率越小，這與文獻(xiàn)[12]研究結(jié)果相一致。

圖6為不同旋轉(zhuǎn)速度下6061鋁合金攪拌摩擦焊接試樣的極化曲線，表2為不同旋轉(zhuǎn)速度下6061鋁合金攪拌摩擦焊試樣的電化學(xué)擬合參數(shù)。自腐蝕電位越大，腐蝕電流密度越小表明材料的耐腐蝕性能越好。由圖6及表2可知，當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度為600 r/min時(shí)，焊接接頭的自腐蝕電位為-0.58 V，腐蝕電流密度為3.8×10-5 A/cm2;當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度為1 200 r/min時(shí)，焊接接頭的自腐蝕電位為-0.53 V，腐蝕電流密度為2.4×10-5 A/cm2。繼續(xù)增加旋轉(zhuǎn)速度到1 500 r/min時(shí)，焊接接頭的自腐蝕電位為-0.43 V，腐蝕電流密度為3.2×10-5 A/cm2。測(cè)試結(jié)果中可以看出，2號(hào)樣品（旋轉(zhuǎn)速度為1 200 r/min）自腐蝕電位不是最高，但腐蝕電流密度最小，因此，其耐腐蝕性能最好。當(dāng)攪拌摩擦焊焊接速度一定時(shí)，隨攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度增加，耐腐蝕性能呈現(xiàn)先變好后弱化的趨勢(shì)。耐腐蝕性能先變好是由于旋轉(zhuǎn)速度增加導(dǎo)致焊核區(qū)晶粒細(xì)化，從而提高了耐腐蝕性能。而繼續(xù)增加旋轉(zhuǎn)速度時(shí)，改變了機(jī)械攪拌和熱輸入的平衡，此時(shí)產(chǎn)熱較多，焊核區(qū)晶粒受熱循環(huán)的作用，焊核區(qū)晶粒變大，晶粒越大，晶界析出的第二相粒子越多，晶界處發(fā)生沿晶腐蝕的傾向就越大，導(dǎo)致耐腐蝕性能下降。

3結(jié)論

（1）當(dāng)焊接速度為80 mm/min，其他參數(shù)一定時(shí)，旋轉(zhuǎn)速度在600～1 500 r/min范圍變化時(shí)，焊接接頭成形良好，焊縫表面存在飛邊現(xiàn)象，旋轉(zhuǎn)速度增大，飛邊先減少后增多。隨著旋轉(zhuǎn)速度的增加，焊核區(qū)呈現(xiàn)出先減小后增大的現(xiàn)象，旋轉(zhuǎn)速度為1 200 r/min時(shí)焊核區(qū)的晶粒最細(xì)小。

（2）焊接接頭的斷裂形式為以韌性斷裂為主的韌-脆混合斷裂模式，其抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率均隨著旋轉(zhuǎn)速度的增加呈現(xiàn)增大后減小的變化。當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度為1 200 r/min時(shí)，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率達(dá)到最大，其值分別為168 MPa和14.7%，抗拉強(qiáng)度達(dá)到了母材強(qiáng)度（205 MPa）的81.9%。

（3）由電化學(xué)測(cè)試可得焊接接頭的耐腐蝕性能隨旋轉(zhuǎn)速度的增大呈現(xiàn)先變好后變差的趨勢(shì)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度為1 200 r/min時(shí)，腐蝕電流密度最小，其值為2.4×10-5 A/cm2，耐腐蝕性能最好。

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劉剛簡(jiǎn)介： 博士；主要從事輕合金塑性成形及連接技術(shù)方面的科研和教學(xué)工作；已發(fā)表論文10余篇；liugang@nyist.edu.cn。