6082-T6鋁合金攪拌摩擦焊接頭組織和沖擊性能

趙亞東，何 強

（安陽工學院 機床關鍵功能部件重點實驗室，河南 安陽 455000）

0 前言

6082鋁合金屬于熱處理強化合金，具有良好的強度、耐腐蝕性和斷裂韌性，是高速列車理想的車身材料。目前該合金的焊接主要是采用熔化極氬弧焊MIG，在空氣中很容易與氧發生反應，在其表面形成一層氧化鋁膜，在焊接過程中很容易產生氣孔、裂紋等缺陷，大大降低了接頭的力學性能，限制了該合金在軌道交通領域中的應用。

焊接接頭的沖擊韌性是制定焊接工藝的重要依據，目前國內關于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實現了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，尺寸規格300 mm×150 mm×8 mm，已經過淬火與人工時效處理，其力學性能為σb=310 MPa，斷面收縮率A=10.5%，其化學成分見表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。工藝參數為：焊接速度 300 mm/min，攪拌頭旋轉速度1200 r/min。

表1 6082-T6鋁合金的化學成分 %

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

沖擊試樣按GB2649-1989《焊接接頭機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、熱影響區和母材，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型沖擊機上進行，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。國內外研究人員一般將FSW接頭分為焊核區（Weld nugget）、熱機影響區（TMAZ）、熱影響區（HAZ）和母材，與傳統的熔化焊接頭相比，多出了熱機影響區。攪拌摩擦焊是固相連接，在焊接過程中，該區域是受到機械攪拌和焊接熱循環綜合作用形成的。由圖2可知，焊縫區的金屬形狀呈現出倒“π”形結構，在焊縫中心處形成了一系列同心圓環狀組織，稱之為“洋蔥環”組織[2-4]。焊核區是最接近軸肩的區域，組織結構相對于其他區域發生了較大的變化。前進側為攪拌工具旋轉方向與焊接方向一致的側面，回轉側為攪拌工具旋轉方向與焊接方向相反的側面。無論是前進側還是回轉側的母材和焊核區都有明顯的分界線。

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組織，晶粒呈纖維狀沿軋制方向分布。由圖3b可知，焊核區組織為細小的等軸的結晶組織。經典理論認為鋁合金屬于高層錯能金屬，一般只發生動態回復，這一結果顯然與經典理論相違背。如果具備以下兩個條件，這一結論是成立的：一是位錯密度能夠快速達到臨界值；二是快速加熱。這樣合金在FSW過程中不易發生回復，再結晶驅動力相對較大，這樣會快速發生動態再結晶。在焊接過程中，攪拌針頭快速攪拌焊縫區的金屬，軸肩與金屬材料表面快速摩擦產生熱量，這種綜合作用很容易達到發生動態再結晶的臨界值，因此焊核區的組織為細小的等軸動態再結晶晶粒。熱機影響區組織變化沒有焊核區組織變化劇烈（見圖3c），在變形和焊接熱循環的綜合作用下，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，其中還混合有再結晶晶粒和回復晶粒。熱影響區的晶粒為典型受熱長大組織（見圖3d）。如前所述，鋁合金發生動態再結晶需滿足上述兩個條件，熱影響區主要是受熱影響，受力很小或完全不受力，不能同時滿足兩個條件，因此熱影響區不會發生動態再結晶，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果如表2所示。由表2可知，焊接接頭焊核區、熱影響區、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。焊核區的沖擊功約為母材的1.5倍，熱影響區的沖擊功約為母材的1.4倍，焊核區的沖擊韌性最好，這可能與焊核區細小的等軸再結晶組織有關。根據斷裂理論，細化晶粒，裂紋不易形成，且裂紋形成后不易擴展，因為裂紋擴展時要多次改變方向，將消耗更多能量[5]，焊核區沖擊功高于母材。6082-T6鋁合金FSW焊接接頭的沖擊韌性優于母材。

圖3 FSW接頭的顯微組織

表2 沖擊試驗結果

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，小韌窩內強化相粒子發生破碎（見圖4a）。這是由于焊核區的塑性變形能力較強，在斷裂的過程中可以吸收更多的能量，因而焊核區沖擊吸收功最高。熱影響區的斷口特征與焊核區一樣，也呈現出韌性斷裂特征（見圖4b）；但是，該區的韌窩尺寸較小，并且分布著一定數量的撕裂棱，沖擊吸收功比焊核區的低。母材的斷口上也分布著大量的韌窩，斷口呈現出韌性斷裂特征（見圖4c）。

圖4 接頭沖擊斷口形貌

3 結論

（1）采用攪拌摩擦焊實現了8 mm厚度6082-T6鋁合金的連接。焊核區發生了動態再結晶，形成了細小的等軸晶再結晶組織；熱機影響區在攪拌頭機械和焊接熱循環的綜合作用下組織發生了較大程度的變形；熱影響區僅受焊接熱循環的作用，與母材組織相似，但組織粗大。

（2）FSW焊接接頭的沖擊韌性優于母材，焊核區、熱影響區、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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