6005A－T6铝合金搅拌摩擦焊接头组织与力学性能特征

董 鹏，孙大千，李洪梅，宫文彪，刘 杰

（1吉林大学 材料科学与工程学院，长春130025；2长春轨道客车股份有限公司，长春130062）

6005A－T6铝合金搅拌摩擦焊接头组织与力学性能特征

董 鹏1，孙大千1，李洪梅1，宫文彪2，刘 杰2

（1吉林大学 材料科学与工程学院，长春130025；2长春轨道客车股份有限公司，长春130062）

采用光学显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、拉伸实验机和显微硬度计对6005A铝合金搅拌摩擦焊接头的微观组织及力学性能进行了研究。结果表明：焊核区为细小的等轴晶，几乎所有粒子溶于基体；热机械影响区呈现为被拉长的畸变晶粒，且存在大量的位错；热影响区的组织明显粗化，处于过时效状态。与母材相比，搅拌摩擦焊接头的强度及伸长率均有下降趋势，且接头出现软化，最小硬度值出现在前进侧的热影响区内。搅拌头旋转速率为1200r／min、焊接速率为200mm／min时可获得优质接头，抗拉强度达到母材强度的72%，伸长率达到母材的69%。

6005A铝合金；搅拌摩擦焊；微观组织；显微硬度；拉伸性能

铝合金具有大的比强度、高的塑性、良好的耐腐蚀性能以及优良的机械加工性能。6005A铝合金在具有上述优点之外，还具有较好的挤压性能，是大型铝型材的主要选择材料之一。目前，轨道车辆，特别是高速列车、地铁列车、双层客车和轻轨列车等现代化车辆，多采用6005A铝合金的整体组焊结构［1］。

使用传统熔化焊工艺焊接铝合金时，主要出现的焊接性问题有：焊缝中的气孔、焊接热裂纹、焊接接头与母材的等强性等。此外，铝合金的线胀系数大、导热性强，焊接时容易产生翘曲变形。这些问题与铝合金的物理性质有关，因此很难得到根本的解决［2］。

搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding，FSW）被证明是解决铝合金焊接问题较为有效的方法。由于焊接过程中不需要填充材料且焊接温度低于母材的熔点，因此一定程度上避免了气孔、裂纹、偏析、变形等熔化焊常见的焊接性问题［3］。除此之外，搅拌摩擦焊还具有高的焊接效率，尤其对于长焊缝的焊接。对于铝合金的FSW研究已有很多，但主要集中在2000系及7000系这些传统熔化焊焊接较为棘手的铝合金上［3－6］，对轨道车辆用6005A铝合金FSW的研究相对较少。本工作针对3mm厚轨道车辆常用的6005A铝合金进行了FSW实验研究，旨在为FSW在轨道客车生产中更为广泛的应用提供必要的理论依据和实验数据。

1 实验材料及方法

实验所用材料为6005A－T6铝合金，试板尺寸为100mm×300mm×3mm，其屈服强度、抗拉强度及伸长率分别为189，282MPa，14%，其化学成分如表1所示。

表1 6005A－T6铝合金的化学成分（质量分数／%）Table 1 Chemical composition of 6005A－T6aluminium alloy（mass fraction／%）

在型号为FSW－LM－5025的搅拌摩擦焊机上进行实验，搅拌头材料为工具钢（Cr12MoV），采用直径为3mm，长度为2.8mm的锥形螺纹焊针，轴肩直径为12mm。焊接过程中保持搅拌头倾斜角为2.5°，下压量为0.1mm，焊针插入后的预热时间为5s。在搅拌头旋转速率为1200r／min条件下改变焊接速率，研究其对接头组织与力学性能的影响。

焊后使用线切割机沿垂直于焊缝方向截取拉伸试样和金相试样。拉伸试样尺寸按GB／T 228—2002执行，并使焊缝位于拉伸试样中心。每组工艺参数选3个试样，室温条件下在MTS810拉伸实验机上进行拉伸实验，拉伸速率为1.5×10－2s－1，拉伸结果取其平均值。采用MH－3显微硬度计在接头横截面中部每隔0.5mm测试一次显微硬度，所加载荷为100g，持续时间为15s。金相试样经研磨、抛光后使用Keller试剂在室温下腐蚀；用OLYMPUS光学显微镜及EVO18型扫描电子显微镜研究接头的微观组织；采用JEM－2100F透射电子显微镜对接头不同区域进行观察，研究其精细结构。

2 结果与讨论

2.1 接头显微组织

图1 6005A铝合金搅拌摩擦焊接头显微组织（a）横截面；（b）母材；（c）热影响区；（d）前进侧热机械影响区；（e）返回侧热机械影响区；（f）焊核区；（g）焊核区二次电子组织Fig.1 Microstructure of 6005AFSW joint（a）cross section；（b）BM；（c）HAZ；（d）TMAZ on the AS；（e）TMAZ on the RS；（f）NZ；（g）secondary electron image of NZ

图1给出了6005A搅拌摩擦焊接头的微观组织（图1（b），（c），（d），（e），（f）分别对应图1（a）中b，c，d，e，f）。可以看出，接头宏观上呈盆状（图1（a）），而有些合金的FSW接头却呈椭圆状［5］，接头形状的差异与合金类型的不同有关。母材（Base Metal，BM）的组织为典型的挤压态组织（图1（b））；由于热影响区（Heat Affected Zone，HAZ）只受热作用，挤压组织消失，取而代之的是粗大的晶粒（图1（c））；热机械影响区（Thermo－Mechanically Affected Zone，TMAZ）受到塑性金属流动时产生的冲击力和热的双重作用，表现出的是畸变的组织，晶粒被拉长，且具有一定的方向性（图1（d），1（e））；焊核区（Nugget Zone，NZ）在焊接过程中受到搅拌作用，组织为极细小的等轴晶粒（图1（f）），对焊核区的扫描电子显微分析表明，其平均晶粒尺寸约为8μm（图1（g））。从图1（a）还可以看出，前进侧（Advancing Side，AS）处NZ与TMAZ的边界线比返回侧（Retreating Side，RS）处的边界线更为清晰。图1（d）和1（e）给出了两处高倍的图像，AS处TMAZ内的畸变组织的宽度远比返回侧的窄，这是由于焊接过程中AS的温度更高，因此TMAZ内畸变组织发生再结晶的程度比RS处的更加充分。

接头横截面上隧道缺陷的全貌如图1（d）所示，可以看出隧道形成的过程：来自焊缝上方的塑性金属流1向下运动（图1（d）中箭头所示方向），来自RS的塑性金属流2向AS流动，两股塑性金属流在没有将空腔填充完全时已经停止流动（或是没有足够数量的金属填满空腔），因此留下了孔洞缺陷，如图1（a）和1（d）所示。若搅拌头每旋转一圈都会在相同的位置留下同样的孔洞缺陷，在焊接方向上这些缺陷的连接便形成了贯通焊缝的“隧道”。

图2所示为FSW接头四个区域内的TEM组织。6005A－T6母材内主要存在两种衬度的析出相，如图2（a）所示，一种是长度约为20nm的针状析出相，沿［100］Al和［010］Al方向排列；另一种是直径约3nm 的粒状析出相，其中一些是针状析出相的横截面（即沿［001］Al方向的析出相），另外也包含有未知结构的弥散相。根据文献［7，8］研究结果，可以肯定这些针状析出相是β″相（Mg5Si6，C－心单斜结构）。这些弥散相可能含有较高含量的Mg或Si，从而导致在弥散体周围出现贫β″相的区域（图2（a）），但并非增强相。热影响区内原始的β″相消失，组织以棒状β′相为主，尺寸为100～200nm，还出现了少量板状 Q′相，尺寸约为80nm（图2（b））。焊接过程中热机械影响区发生塑性变形，在TEM下可以看到较高密度的位错（图2（c））；焊核区的峰值温度约为500℃［9－10，13］，在该温度下，母材中的第二相粒子完全溶入基体，在焊接快冷条件下，几乎全部固溶于基体，如图2（d）所示。

图2 6005A铝合金搅拌摩擦焊接头透射电子图像 （a）母材区；（b）热影响区；（c）热机械影响区；（d）焊核区Fig.2 TEM images of 6005AFSW joint （a）BM；（b）HAZ；（c）TMAZ；（d）NZ

图3为不同焊接速率下接头横截面组织。研究发现，焊接速率对接头的显微组织有着显著的影响。当焊接速率为100mm／min时，接头内部出现隧道缺陷，如图3（a）所示；当焊接速率为200～400mm／min时，隧道消失，得到连续、致密的接头（图3（b），3（c））；进一步增加焊接速率，再次出现隧道缺陷，且缺陷的面积随着焊接速率的增加而增大，如图3（d），3（e）所示。接头内部的隧道缺陷多出现在前进侧，也会出现在中部，但返回侧未出现过该种缺陷。此外，焊接速率对隧道出现的位置也有一定的影响。当焊接速率过小时，缺陷出现在焊核中部靠前进侧位置处；当焊接速率过大时，缺陷易出现在焊核的底部。

图3 不同焊接速率下接头横截面组织 （a）v＝100mm／min；（b）v＝200mm／min；（c）v＝400mm／min；（d）v＝600mm／min；（e）v＝800mm／minFig.3 Cross－sectional microstructures of FSW produced welding speed of 100mm／min（a），200mm／min（b），400mm／min（c），600mm／min（d）and 800mm／min（e）

2.2 接头显微硬度

图4为6005A铝合金搅拌摩擦焊接头横截面的硬度分布曲线。可以看出，母材硬度（约100）最高，焊核区的硬度（约68）较热机械影响区、热影响区的硬度更高，硬度最小值出现在前进侧的热影响区，这与文献［9－11］得到的结果是类似的。

图4 搅拌摩擦焊接头显微硬度曲线Fig.4 Microhardness curve of FSW joint

6005A属于时效强化铝合金，力学性能不仅与增强相的分布和尺寸有关，还受到晶粒尺寸的影响。Al－Mg－Si合金的时效过程为：过饱和固溶体→GP区→β″→β′→β。β″相与基体保持共格关系，其增强效果最好；当出现β′或β相时，称为过时效状态，增强效果开始变差［8，12］。6005A－T6母材中含有大量的针状β″相（图2（a）），处于峰时效状态，具有最大的增强效果，硬度HV约为100；热影响区内β″相溶于基体，析出粗大的β′相（图2（b）），从而使其硬度 HV显著下降（～52），仅为母材的50%左右；热机械影响区也处于过时效状态，但其晶粒尺寸比热影响区的小，且该区经历了塑性变形，含有较高密度的位错（图2（c）），因此硬度值比热影响区略高。焊核区内几乎所有的粒子均固溶于基体，由于焊接快冷而产生的大量空位促使该区发生自然时效，硬度得以提高，同时由于该区细小等轴晶的出现，也补偿了一部分的硬度损失，因此焊核区硬度较热影响区和热机械影响区更高。

搅拌摩擦焊过程中，AS的温度比RS的高［13］，因此位于AS热影响区的内过时效倾向更为严重。从而，最小硬度值出现在AS的热影响区内。

2.3 接头拉伸性能

6005A铝合金搅拌摩擦焊接头拉伸实验如图5所示。结果表明，焊接速率对接头的拉伸性能具有明显的影响。当焊接速率较低时（v＝100mm／min），接头的抗拉强度、屈服强度及伸长率分别为141，104MPa和5.8%；随着焊接速率增加，接头的拉伸性能得到改善；当焊接速率超过400mm／min后，接头的拉伸性能反而大幅下降。在本实验条件下，3mm厚6005A铝合金FSW接头的抗拉强度最高可达到母材的72%，屈服强度可达到母材的70%，伸长率可达到母材的69%。即便如此，也较使用传统熔化焊得到的铝合金接头的力学性能要高。

图5 不同焊接速率下接头的拉伸性能Fig.5 Tensile properties of FSW produced different welding speeds

焊接速率对接头拉伸性能的影响主要与接头有无缺陷有关。当接头不出现缺陷（v＝200～400mm／min）时（图3（b），3（c）），接头的拉伸性能相差不大。当采用的焊接速率过大或是过小，接头均会产生隧道或者孔洞缺陷（图3（a），3（d），3（e）），这些接头中存在的不连续缺陷会造成应力集中、有效承载面积下降，从而导致其拉伸性能下降，尤其是伸长率。因此，选用合适的焊接参数是消除接头中的不连续缺陷，改善接头质量的重要途径。

3 结论

（1）基于微观组织的不同，6005A－T6铝合金FSW接头可分为焊核区、热机械影响区、热影响区及母材区，焊核区的组织为细小的等轴晶，其中的第二相粒子几乎完全溶于基体；热机械影响区的晶粒被拉长并具有一定的方向性，存在高密度的位错；热影响区中的晶粒明显粗化，析出β′相。

（2）6005A铝合金FSW接头出现软化，显微硬度曲线近似为W形，硬度最小值出现在前进侧的HAZ位置。

（3）焊接速率对FSW接头力学性能有着显著的影响，在搅拌头转速为1200r／min、焊接速率为200mm／min下得到了表面美观、内部无缺陷、力学性能良好的FSW接头，接头抗拉强度为母材的72%，伸长率可达到母材的69%。

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Microstructural and Mechanical Characteristics of Friction Stir Welded 6005A－T6Aluminium Alloy

DONG Peng1，SUN Da－qian1，LI Hong－mei1，GONG Wen－biao2，LIU Jie2
（1School of Materials Science and Engineering，Jilin University，Changchun 130025，China；2Changchun Railway Vehicles Co.，Ltd.，Changchun 130062，China）

Microstructural and mechanical characteristics of friction stir welded 6005Aaluminum alloy were investigated by means of optical microscope，scanning electron microscopy（SEM），transmission electron microscope（TEM），tensile test machine and Vickers hardness tester.The results show that the nugget zone（NZ），thermo－mechanically affected zone（TMAZ）and heat affected zone（HAZ）are characterized by a fine equiaxed，elongated and coarse grain structures，respectively.All the precipitates dissolved in the NZ，and the TMAZ contains high density dislocation，and the HAZ shows overaged state.Compared with the base metal，the FSW joint has a reduction in strength and elongation，and there is a distinctly soften region where the minimum hardness value located in HAZ of advancing side.At the optimum welding parameters（rotation speed of 1200r／min and welding speed of 200mm／min），the tensile strength and elongation of the FSW joint are equivalent to 72%and 69%of those of the base metal，respectively.

6005Aaluminium alloy；friction stir welding（FSW）；microstructure；microhardness；tensile property

TG40

A

1001－4381（2012）04－0027－05

吉林省科技发展计划资助项目（20100362）

2011－08－14；

2012－01－05

董鹏（1987－），男，博士研究生，从事搅拌摩擦焊技术方面研究工作。

李洪梅，女，工程师，主要从事先进材料连接的研究，联系地址：吉林省长春市人民大街5988号吉林大学南岭校区材料学院（130025），E－mail：lihongmei＠jlu.edu.cn