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

(南陽理工學(xué)院，河南 南陽 473000)

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6061-T6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FSW-LM-AM16-2D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。

表1 焊接工藝參數(shù)

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CMT-5105萬能試驗(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)域的溫度過高，材料塑化程度過高，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。

圖1 不同旋轉(zhuǎn)速度下焊縫表面形貌

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?？梢钥闯觯瑪嚢枘Σ梁负?，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。

圖2 不同旋轉(zhuǎn)速度下焊核區(qū)的金相圖

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?？梢钥闯?，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。

圖3 不同旋轉(zhuǎn)速度下焊接接頭的拉伸性能

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，因而可以通過匹配合適的攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度和焊接速度來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。

圖4 2號(hào)接頭的斷口形貌

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 rpm/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5 不同旋轉(zhuǎn)速度下母材和焊接試樣的開路電位

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3.8×10-5A/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2.4×10-5A/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3.2×10-5A/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。

圖6 不同旋轉(zhuǎn)速度下焊接試樣和母材的極化曲線

表2 不同旋轉(zhuǎn)速度下焊接試樣及母材的電化學(xué)擬合參數(shù)

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2.4×10-5A/cm2，耐腐蝕性能最好。