轨道交通用铝合金搅拌摩擦焊接头组织与性能

罗传孝 ，王少刚 ，刘 仪 ，蔡志强 ，高 云，封小松

(1.南京航空航天大学 材料科学与技术学院，江苏 南京 210016；2.上海航天设备制造总厂，上海 200245)

0 前言

近年来，随着国内外轨道交通行业的快速发展，为了进一步减轻车辆自重、提高列车运行速度，对轨道交通用材提出了越来越高的要求。6082-T6铝合金属于Al-Mg-Si系合金，可通过热处理强化，具有力学性能高和耐蚀性好等一系列优点[1-2]，现已成为轨道交通行业的首选铝材。5083铝合金为高镁合金，是一种不可热处理强化的铝合金，其强度较高，切削加工性良好，同时具有优良的抗腐蚀性能，广泛应用于汽车制造、轻轨和船舶等许多领域。由于铝合金本身固有的物理化学性质，采用传统的熔化焊方法焊接时，易在焊缝中出现热裂纹、气孔等缺陷，以及易产生焊接变形等[3]，在一定程度上限制了其在轨道交通行业中的应用。搅拌摩擦焊(FSW)是英国焊接研究所(TWI)于1991年提出的一种固相连接新技术。在FSW过程中，由于母材不熔化，焊接温度相对较低，所获接头具有晶粒细小、无气孔和残余应力小等优点[4-5]。鉴于搅拌摩擦焊的特点和优势，已有许多研究人员开展了铝合金的搅拌摩擦焊研究工作，并取得了较大进展[6-9]。由于轨道交通车体铝合金部件长期以来都是采用MIG焊等方法进行焊接，存在接头强度系数不高、易产生焊接缺陷等不足。基于此，采用先进的搅拌摩擦焊技术对轨道交通常用6082-T6和5083铝合金进行焊接，研究焊接工艺对获得接头组织和力学性能的影响，以期为实际焊接结构的生产提供参考。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

试验母材为6082-T6和5083铝合金板材，分别将板材加工成300 mm×150 mm×12 mm和300 mm×150mm×6mm两种尺寸，两种母材的化学成分见表1。

表1 6082-T6和5083铝合金母材的化学成分Tab.1 Chemical compositions of 6082-T6 and 5083 aluminum alloys %

1.2 试验方法和步骤

采用对接接头型式分别对6082-T6和5083铝合金进行搅拌摩擦焊接试验。焊接前，先用打磨工具去除试样表面的氧化膜，再用丙酮清洗待焊区，然后进行搅拌摩擦焊接。经过优化的焊接工艺参数见表2。焊后拍摄接头焊缝的宏观外形照片，如图1所示。从图1中可以看出，两种接头焊缝表面成形良好，未发现有裂纹、咬边等焊接缺陷。

表2 搅拌摩擦焊接参数Tab.2 Parameters of friction stir welding

图1 两种铝合金FSW接头焊缝形貌照片Fig.1 Macrographs of friction stir welding joints of two aluminum alloys

焊完后，采用线切割方法截取接头试样进行分析测试。采用CMT-5105型万能电子试验机进行接头拉伸试验；采用HXS-1000A型显微硬度计测定接头区域的显微硬度；在MM6型光学显微镜下观察接头焊缝的金相组织；采用Quanta200型扫描电镜观察分析接头拉伸断口形貌；采用D8 ADVANCE型X射线衍射仪测定接头焊缝的相结构组成。

2 试验结果及分析

2.1 接头力学性能

2.1.1 拉伸强度

按照国家标准GB/T 2651-2008《焊接接头拉伸试验方法》将接头试样加工成标准的拉伸试样，然后进行拉伸试验，测试条件为：加载载荷10 kN，加载速率2 mm/min。接头拉伸实验测试结果见表3。为了便于对比，将母材本身的拉伸强度一并列入表3。

由表3可知，6082-T6铝合金FSW接头的抗拉强度约为母材强度的76.8%，伸长率约为母材的73.2%，接头试样的断裂位置均位于前进侧热影响区，说明热影响区是焊接接头最薄弱的区域。5083铝合金FSW接头的抗拉强度约为母材本身强度的88.7%，伸长率约为母材的63.2%，接头试样的断裂位置多数位于前进侧热影响区，其次是焊缝中心。拉伸实验结果与文献[10]中报道的相符。

表3 6082和5083铝合金焊接接头拉伸试验结果Tab.3 Tensile strength of 6082 and 5083 aluminum alloys joint

2.1.2 显微硬度

对获得的焊接接头进行显微硬度测试，测试方法为：沿焊核区(WN)—热机影响区(TMAZ)—热影响区(HAZ)—母材(BM)依次进行测量，6082铝合金接头焊核区的测量点之间间隔约为2 mm，其余区域每个测量点之间的间隔约为1 mm；5083铝合金整个接头的测量点之间间隔约为1 mm。测试条件为：加载载荷50 g，加载时间15 s。测得接头试样的显微硬度分布曲线分别如图2和图3所示。从图2中6082铝合金接头显微硬度分布曲线可以看出，焊核区硬度约为80 HV，热机影响区硬度值分布在78～82HV之间，热影响区硬度值分布在65～78HV之间，在热影响区的前进侧存在一个硬度最低值，母材本身硬度值维持在约95 HV。由图3可以看出，5083铝合金接头显微硬度分布曲线的变化趋势与6082接头显微硬度曲线基本一致，焊核区的硬度值分布在74～80 HV之间，热机影响区的硬度值分布在70～77 HV之间，母材本身的硬度值维持在约92 HV，在热影响区的前进侧也存在一个硬度最低值。分析其原因，这是由于在HAZ区受到焊接热循环作用，使细小弥散分布的强化相发生了聚集长大[11]，材料产生了过时效；而且在前进侧，塑性金属之间的速度梯度比较大，易成为缺陷产生的区域[5]，导致接头硬度曲线在热影响区前进侧存在一个最低硬度值。

图2 6082铝合金接头显微硬度分布曲线Fig.2 Microhardnessdistribution curve of 6082 aluminum alloy joint

图3 5083铝合金接头显微硬度分布曲线Fig.3 Microhardness distribution curve of 5083 aluminum alloy joint

2.2 接头微观组织结构

2.2.1 金相组织观察及相结构组成分析

接头金相组织观察试样的制备过程包括取样、磨制、抛光、腐蚀等工序。对抛光好的接头试样进行腐蚀，腐蚀液为Keller试剂，其成分配比为：1 ml HF+2.5 ml HNO3+1.5 ml HCL+95 ml H2O，浸蚀时间15～20 s。将腐蚀后的试样放在MM6型光学显微镜下观察，拍摄的6082-T6和5083铝合金接头金相组织照片，分别如图4和图5所示。由图4、图5可知，两种铝合金搅拌摩擦焊接头的微观组织形态较为接近，其横截面组织均包括焊核区（WN）、热机影响区（TMAZ）、热影响区（HAZ）、母材区（BM）四个区域。总体上，接头连接界面结合良好，未发现有夹杂、微裂纹和未焊透等缺陷，表明所采用的焊接工艺可行。

从图4a和图5a中可以看出，焊核区是搅拌头直接作用的区域，在搅拌头的强烈搅拌摩擦作用下，材料发生显著的塑性变形，导致组织发生相应的变化，被搅拌针破碎的再结晶晶粒来不及长大形成细小的等轴晶粒。热机影响区由于受到搅拌针搅拌和焊接热循环的双重作用，基体材料的原始纤维状组织发生了较大的弯曲变形和破碎，在部分区域由于热循环作用，晶粒发生回复和再结晶，使晶粒比焊核区的略粗大，如图4b和图5b所示。热影响区由于受到从焊核区所传递热量的影响，晶粒发生二次长大，使晶粒变得粗大，产生了过时效，由于焊接时没有受到搅拌头的机械搅拌作用，故其晶粒形态并未发生改变，如图4c和图5c所示。从图4d和图5d可以看出，母材本身组织具有明显的方向性，为沿轧制方向分布的纤维状组织。

图4 6082铝合金焊接接头显微组织Fig.4 Microstructure of 6082 aluminum alloy joint

图5 5083铝合金焊接接头显微组织Fig.5 Microstructure of 5083 aluminum alloy joint

为了进一步确定接头焊缝金属的相结构组成，分别对两种接头焊缝金属进行X射线衍射相结构分析，测得两种接头焊缝金属的XRD曲线分别如图6和图7所示。从图6中可以看出，6082铝合金接头焊缝金属的主要组成相为α-Al，同时含有Mg2Si强化相。从图7中可以看出，5083铝合金接头焊缝金属主要为α-Al和β-Mg2Al3共晶相。正是由于接头焊缝金属中强化相、共晶相等的析出，保证了焊接接头具有满意的力学性能。

图6 6082铝合金接头焊缝金属的XRD曲线Fig.6 XRD pattern of 6082 aluminum alloy weldment

图7 5083铝合金接头焊缝金属的XRD曲线Fig.7 XRD pattern of 5083 aluminum alloy weldment

2.2.2 拉伸断口扫描分析

6082和5083铝合金搅拌摩擦焊接头的拉伸断口扫描照片如图8所示。从图8a中可以看出，6082铝合金接头断口表面存在大量韧窝，韧窝尺寸较大且能看到明显的撕裂棱，并且在大韧窝周围分布着小韧窝，小韧窝所占的比例较小。由图8b可知，5083铝合金接头断口表面的韧窝尺寸较小且分布均匀。总体上，两种铝合金接头拉伸断口均呈现明显的韧性断裂特征，在断裂前发生了明显塑性变形。结合前述表3中的接头拉伸强度数据，由于断口表面存在大量的韧窝且均匀分布，使获得接头具有较高的抗拉强度和伸长率，接头的力学性能完全可以满足实际使用要求。

图8 两种接头拉伸断口扫描电镜照片Fig.8 SEM fractographs of two welded joints

3 结论

（1）6082和5083铝合金FSW接头拉伸断裂位置大多位于热影响区，两种接头的抗拉强度分别达到各自母材本身强度的76.8%和88.7%；从接头区域的显微硬度分布曲线可以看出，在热影响区的前进侧均存在一个软化区，是焊接接头最薄弱的区域。

（2）6082和5083铝合金FSW接头焊缝均为细小弥散分布的等轴晶组织，热机影响区组织发生了较大的弯曲变形，热影响区发生了过时效，晶粒较为粗大；拉伸断口扫描观察显示，两种铝合金接头的拉伸断口均呈明显韧性断裂特征。

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