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、抗腐蝕性能強及易于拋光、上色等優(yōu)點而廣泛的應用于航空航天、交通運輸、家用電器和軍工、機械等行業(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大等特點，使用傳統的焊接方法如熔化極氬弧焊等，在焊接時很容易形成氣孔、夾渣等缺陷，嚴重影響6061鋁合金的焊接質量和性能[2-3]。

攪拌摩擦焊是將高速旋轉的攪拌頭與金屬材料攪拌和摩擦產生熱量使材料局部塑化，被塑性化的材料在攪拌針的轉動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、焊接接頭質量高、缺陷少等優(yōu)點，已在鋁合金焊接上得到了廣泛應用[5-10]。在攪拌摩擦焊中，工藝參數對焊接接頭性能的影響明顯。目前，國內外關于鋁合金攪拌摩擦焊不同工藝參數下焊接接頭微觀組織結構和力學性能的研究較多[11-13]，而對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際工程使用中，影響使用壽命的關鍵因素之一[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，揭示焊接工藝參數與攪拌摩擦焊焊接頭耐腐蝕性能之間的關系，為提高6061鋁合金攪拌摩擦焊焊接接頭的腐蝕性能，延長其服役壽命，以及進一步發(fā)展推廣其工程使用奠定重要基礎。

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

1 試驗材料與方法

該次試驗所用材料為6 mm厚的6061-T6鋁合金軋制板材，抗拉強度為205 MPa。試驗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行脫脂處理。試驗時將試樣固定在攪拌摩擦焊機專用夾具上，進行對接攪拌摩擦焊試驗，所用設備型號為FSW-LM-AM16-2D攪拌摩擦焊機床。選用的攪拌軸肩直徑為15 mm，攪拌針直徑為5 mm，長度為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°。焊接時采用的焊接速度為80 mm/min，攪拌針旋轉速度分別為600 r/min、1 200 r/min和1 500 r/min，具體焊接工藝參數見表1。

表1 焊接工藝參數

使用線切割在焊接后的樣品上切割標準拉伸試樣進行拉伸試樣，所用設備為CMT-5105萬能試驗機，拉伸速度為2 mm/min，為保證試驗數據的準確性，每組試樣測試3個試樣，然后對結果求平均值。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混合溶液對焊接試樣進行腐蝕處理，并使用光學顯微鏡(OLYMPUS PMG3)觀察焊接接頭區(qū)域的金相組織。使用電化學工作站(PGSTAT302N)在質量分數為3.5%的NaCl溶液中測量試樣焊核區(qū)的極化曲線和開路電位(OCP)，分析試樣的耐腐蝕性能。

2 試驗結果與分析

2.1 旋轉速度對焊縫表面形態(tài)的影響

圖1為1號、2號和3號試樣在不同旋轉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，不同旋轉速度下1號、2號和3號試樣的焊縫表面區(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生，當旋轉速度為600 r/min時，有較多的飛邊，隨著旋轉速度的增加，飛邊先減少后增多。當旋轉速度為1 200 r/min時，僅產生少量的飛邊;當旋轉速度為1 500 r/min時，產生的飛邊較多，這是由于攪拌摩擦焊時，旋轉速度太大，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，進而導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 不同旋轉速度下焊縫表面形貌

2.2 旋轉速度對焊核區(qū)組織的影響

圖2為不同旋轉速度下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，與母材的長條狀晶粒不同，6061鋁合金焊核區(qū)由分布均勻的細小等軸晶組成。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)生動態(tài)再結晶，從而使焊核區(qū)形成比母材晶粒更加細小的等軸晶。另外，在摩擦生熱和機械破碎的共同作用下，隨著旋轉速度的增加，焊核區(qū)晶粒呈現出先減小后增大的現象，旋轉速度為1 200 r/min時焊核區(qū)的晶粒最細小。這是由于旋轉速度較大時，攪拌針對晶粒的破碎作用較強，使晶粒產生細化。但旋轉速度過快時，摩擦產生的熱量越多，焊核區(qū)晶粒發(fā)生動態(tài)再結晶后受熱作用的時間越長，使得焊核區(qū)晶粒越粗大。

圖2 不同旋轉速度下焊核區(qū)的金相圖

2.3 焊接接頭力學性能分析

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

圖3 不同旋轉速度下焊接接頭的拉伸性能

由圖3可得隨著攪拌頭旋轉速度增加，焊接接頭的抗拉強度和斷后伸長率均呈現先增大后減小的趨勢，這與文獻[15]研究結果的變化趨勢相同。但是，在相同的攪拌頭旋轉速度變化范圍內，文獻[15]中焊接速度為300 mm/min條件下的焊接質量(最高抗拉強度和斷后伸長率分別為248 MPa和22.2%)明顯優(yōu)于該文焊接速度為80 mm/min條件下的焊接質量。王海艷等人[15]在研究攪拌攪拌摩擦焊工藝參數與接頭質量的關系中發(fā)現焊接接頭質量與攪拌摩擦焊的熱輸入密切相關，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；n為攪拌頭旋轉速度；v為焊接速度。由式(1)可知在旋轉速度不變的情況下，隨著焊接速度增大，焊接熱輸入減小，焊縫區(qū)域晶粒細小，抗拉強度和斷后伸長率增大，因而可以通過匹配合適的攪拌頭旋轉速度和焊接速度來改善焊接接頭的性能。

圖4為旋轉速度為1 200 r/min時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，接頭存在部分沿晶斷裂和第二相粒子剝離，形成較多的細小韌窩，同時少量第二相粒子在晶粒內和晶界處析出，導致焊接接頭存在內部缺陷和微裂紋，使焊接接頭在拉伸斷裂時產生了少量的撕裂棱，產生了脆性斷裂。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號接頭的斷口形貌

2.4 焊接接頭電化學腐蝕性能分析

圖5為不同旋轉速度下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。旋轉速度為1 200 rpm/min時，擁有最高的開路電位-0.55 V。旋轉速度為600 r/min時，開路電位為-0.62 V。旋轉速度為1 500 r/min時，開路電位為-0.65 V。由開路電位的結果來看，在焊接參數為600～1 500 r/min時，試樣的腐蝕傾向先減小后增大。由不同旋轉速度下6061鋁合金攪拌摩擦焊焊核區(qū)的金相組織圖可知，晶粒呈現為先減小后增大的趨勢，即晶粒越小，晶界處發(fā)生腐蝕的幾率越小，這與文獻[12]研究結果相一致。

圖5 不同旋轉速度下母材和焊接試樣的開路電位

圖6為不同旋轉速度下6061鋁合金攪拌摩擦焊接試樣的極化曲線，表2為不同旋轉速度下6061鋁合金攪拌摩擦焊試樣的電化學擬合參數。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，當旋轉速度為600 r/min時，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;當旋轉速度為1 200 r/min時，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)增加旋轉速度到1 500 r/min時，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。測試結果中可以看出，2號樣品(旋轉速度為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。當攪拌摩擦焊焊接速度一定時，隨攪拌頭的旋轉速度增加，耐腐蝕性能呈現先變好后弱化的趨勢。耐腐蝕性能先變好是由于旋轉速度增加導致焊核區(qū)晶粒細化，從而提高了耐腐蝕性能。而繼續(xù)增加旋轉速度時，改變了機械攪拌和熱輸入的平衡，此時產熱較多，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，導致耐腐蝕性能下降。

圖6 不同旋轉速度下焊接試樣和母材的極化曲線

表2 不同旋轉速度下焊接試樣及母材的電化學擬合參數

3 結論

(1)當焊接速度為80 mm/min，其他參數一定時，旋轉速度在600～1 500 r/min范圍變化時，焊接接頭成形良好，焊縫表面存在飛邊現象，旋轉速度增大，飛邊先減少后增多。隨著旋轉速度的增加，焊核區(qū)呈現出先減小后增大的現象，旋轉速度為1 200 r/min時焊核區(qū)的晶粒最細小。

(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，其抗拉強度和斷后伸長率均隨著旋轉速度的增加呈現增大后減小的變化。當旋轉速度為1 200 r/min時，焊接接頭的抗拉強度和斷后伸長率達到最大，其值分別為168 MPa和14.7%，抗拉強度達到了母材強度(205 MPa)的81.9%。

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