6063-T5厚板搅拌摩擦焊接头层状撕裂缺陷研究

2020-09-10邓清洪游菲吴勇

电焊机 2020年8期

邓清洪游菲吴勇

摘要：针对板厚17.6 mm的6063-T5铝合金翅片散热器型材进行了搅拌摩擦焊接。采用光学显微镜、扫描电镜观察接头组织结构和拉伸断口，并测试接头拉伸性能。结果表明：造成焊缝表层层状撕裂缺陷的原因是氧化物聚集分布所致，氧化物层的化学成分主要为Al2O3、MgO;通過180 ℃×10 h焊后时效处理，接头的抗拉强度为170 MPa，为母材的106%，拉伸断裂位置在接头前进侧热影响区，拉伸断裂方式为韧性断裂。

关键词：搅拌摩擦焊;层状撕裂;氧化物;抗拉强度;厚板铝合金

中图分类号：TG407 文献标志码：A 文章编号：1001-2303（2020）08-0078-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.08.16

0 前言

铝合金具有高效导热性，是散热器保持良好散热功能的决定性因素和热能转换的理想介质。大型宽幅铝合金散热片是动车组、城市轻轨等高速列车上的重要部件，进口的散热器产品主要采用铝合金板粘结而成，成本高且散热效率较低，可靠性不高;大型翅片散热器制造需要采用大吨位挤压机，成本高昂、成品率低。目前一般采用小型翅片散热器通过焊接方式制造大型翅片散热器，但传统熔化焊焊接铝合金大厚板存在连接强度低、焊接气孔多、焊接变形大、焊接效率低及制造成本高等诸多问题。

搅拌摩擦焊是英国焊接研究所于1991年发明的一项新型绿色固相焊接技术[1]。采用搅拌摩擦焊技术连接小型翅片散热器和制造大型翅片散热器与整体挤压产品性能一致，产品外形美观、无焊接变形、无裂纹和气孔缺陷，并能显著降低成本。因此，采用搅拌摩擦焊方法制造铝合金翅片散热器引起了焊接学者的关注。截止目前，大量的研究集中在焊接工艺、接头组织和力学性能上，例如：狄欧等[2]研究了不同的旋转速度、焊接速度及热处理工艺对铝合金厚板搅拌摩擦焊接头性能的影响;宫文彪等[3]研究了6082-T6铝合金厚板搅拌摩擦焊沿厚度方向力学性能的变化;吴志明[4]研究了采用熔化极惰性气体保护焊和搅拌摩擦焊不同工艺所对应的城轨车辆枕梁及车钩板的接头的机械性能对比。在焊接缺陷研究方面，有关“S”线的控制探讨较多，如汪建等[5]建立了铝合金散热器搅拌摩擦焊接温度场三维有限元模型，并分析了焊缝“S”线缺陷和材料流动行为等;毛家伟等[6]研究了焊后热处理对新能源汽车6063-T5散热器搅拌摩擦焊接头力学性能的影响;贺地求等[7]在采用搅拌摩擦焊焊接20 mm厚6063铝合金散热器的过程中，使用气体保护，成功消除了6063铝合金搅拌摩擦焊中易形成的“S”线;李帅贞[8]等研究了焊前清理对铝合金厚板搅拌摩擦焊接头“S”线及性能的影响等。关于厚板铝合金搅拌摩擦焊表层出现的“层状撕裂”类的缺陷问题的研究目前尚未见相关报道。

文中以17.6 mm板厚6063-T5铝合金翅片散热器挤压型材搅拌摩擦焊为研究对象，研究了接头的组织及力学性能，揭示了焊缝表层出现的层状撕裂缺陷产生原因并探讨其相关形成机理，提出了有效的解决方案，为加速推广搅拌摩擦焊技术在轨道行业应用奠定了工艺和理论基础。

1 试验材料及方法

试验材料为厚度17.6 mm的6063-T5铝合金翅片散热器挤压型材，其化学成分如表1所示，试件尺寸412 mm×564 mm×112.6 mm。焊接设备为湖南煌星华科技有限公司MCH2216生产型静龙门二维搅拌摩擦焊设备，最大铝合金可焊厚度为25 mm。搅拌工具为轴肩内凹并带有同心圆槽，搅拌针特征为螺纹+三切面特征，如图1所示，针长17.2 mm。搅拌头材料为H13热作模具钢。

试验前先用钢丝刷打磨试件表面和焊缝对接面，再用酒精擦拭。焊接工艺参数为：搅拌头转速600 r/min，焊接行进速度150 mm/min，轴肩下压量0.2 mm，搅拌头倾角3°，起始停留时间15 s，终止停留时间为8 s。焊接工装装夹示意如图2所示，为节约生产成本、提高材料利用率，采用引入引出的工艺，引入和引出块尺寸为50 mm×50 mm，材质和厚度与母材相同。为了消除焊接内应力，对焊后试件进行180 ℃×10 h人工时效处理。

搅拌摩擦焊接完成后沿宽度方向切除引入引出块，对焊缝进行PT和RT检测，结果均为合格。铣削加工去除翅片齿后，采用线切割沿垂直于焊缝方向分别制取金相试样、拉伸试样和弯曲试样，取样标准按照ISO25239-2011《搅拌摩擦焊—铝合金》执行，采用Axiovert-200-MAT进行金相组织观察，制备金相试样所使用的腐蚀液为9%NaOH∶91%H2O。采用Instron-5900拉伸试验机进行拉伸性能测试，使用HITACHI-S4800扫描电子显微镜对焊缝截面进行二次电子（SE）成像和背散射电子（BSE）成像分析和能谱分析。

2 结果及分析

2.1 焊缝宏观形貌

焊缝上表面宏观形貌如图3所示，可以看出，焊缝除因轴肩下压造成的略微减薄和飞边之外，焊缝成形美观，光亮平整，无宏观缺陷。

焊缝横截面宏观金相照片如图4所示。由图4可知，焊缝焊核区横截面整体形貌呈现“深碗状”并完全覆盖焊缝厚度方向。由于前进侧材料相比于后退侧材料受到的机械搅拌作用更加剧烈，因此前进侧热机械影响区更加明显。可以发现，在后退侧焊缝上表面沿焊缝深度方向分布着一条长约3 mm的“S”线。目前，关于“S”线国内外学者普遍认为是由于焊接过程中原始对接面氧化膜没有完全搅拌破碎残留焊缝连续分布造成的，文中不再累述。

2.2 缺陷宏观形貌

焊缝横截面上表层“层状撕裂”类缺陷典型宏观形貌特征如图5所示。距离焊缝上表面约1 mm分布着一条平行于板厚方向的裂纹（见图5a），整条裂纹分布于轴肩影响区（Shoulder Affected Zone，SAZ），起裂部位位于焊缝原始对接面上表面处，沿平行于板厚方向扩展，止于后退侧焊缝表面热机械影响区（Thermal mechanical affected zone，TMAZ）。层状撕裂缺陷的上表面特征宏观照片如图5b所示，缺陷整体位于后退侧SAZ区，裂纹扩展区表面呈暗黑色。

进一步观察层状撕裂缺陷断口横截面形貌（见图5c）发现，沿着裂纹扩展方向中间分布着一层暗黑色的夹杂物层，夹杂物上表面层已完全脱离基体金属，下表面层已明显出现沿着界面的裂纹扩展。这说明夹杂物层与基体金属的结合力相对较低，也是产生此类“层状撕裂”缺陷的根本原因。

2.3 缺陷扫描电镜分析

为进一步分析造成此类“层状撕裂”缺陷裂纹的扩展路径和发生规律，进行了扫面电镜观察，如图6所示。图6a、6b分别为裂纹起始段SE和BSE成像照片，可以看出裂纹起裂位置发生于夹杂物层，并且沿着夹杂物层扩展，夹杂物层上下表面已经脱离基体金属。裂纹扩展段SE和BSE成像照片分别如图6c、6d所示，夹杂物层整体呈连续分布特征，局部有断续分布的情况，夹杂物层整体与两侧基体金属分离，有二次裂纹沿夹杂物层扩展。图6e、6f分别为裂纹终止阶段的SE和BSE图片，此阶段夹杂物层厚度明显比前面两阶段的薄，伴随着夹杂物层厚度连续减薄的过程，裂纹扩展也开始慢慢进入终止阶段。这说明夹杂物层是导致裂纹扩展的根本原因。

为了定性确定夹杂物层的化学成分，进行了扫描电镜点扫描能谱分析和智能氧化物测定。eZAF只能氧化物EDS分析和定量结果分别如图7、表2所示，由表2可知，基体材料（点1）表面氧化物主要由CO2、CaO组成;夹杂物（点2）氧化物的化学成分为96.89%Al2O3和3.11%MgO。

2.4 焊缝力学性能分析

17.6 mm厚6063-T5铝合金母材和接头的拉伸力学性能如图8所示。母材的抗拉强度为160 MPa;焊后接头的抗拉强度为143 MPa，为母材的89.4%;为了消除焊接内应力、提高接头的可靠性，对试件进行了180 ℃×10 h焊后时效处理，接头抗拉强度提升至170 MPa，為原始母材的106.3%。

接头拉伸断裂发生于接头前进侧热影响区，接头拉伸断裂表面由大量的韧窝聚集组成，为典型的韧性断裂特征，如图9所示。

3 结论

（1）厚板铝合金搅拌摩擦焊后，焊缝表层易出现“层状撕裂”类缺陷，分析其原因为焊前清理不到位导致氧化物聚集连续分布于SAZ造成的，氧化物层的主要化学成分为Al2O3、MgO。

（2）焊后接头强度为143 MPa，为母材的89.4%;经过180 ℃×10 h焊后时效处理后，接头的抗拉强度提高到170 MPa，为母材的106.3%。接头拉伸断裂发生于接头前进侧热影响区，拉伸断裂方式为韧性断裂。

（3）对于厚板铝合金挤压型材搅拌摩擦焊，接头焊前清理建议采用精铣加工严格去除焊件表面氧化皮。

参考文献：

[1] Thomas W M，Murch M G，Nicholas E D，et al. Improvem- ents relating to friction welding：CA，CA 2123097 C[P]. 1998.

[2] 狄欧，李亚非. 6061铝合金厚板搅拌摩擦焊工艺研究[J].热加工工艺，2016（23）：63-66，73.

[3] 宫文彪，田洪娇，刘威，等. 6082-T6铝合金厚板搅拌摩擦焊沿厚度方向性能变化[J]. 稀有金属材料与工程，2012（S2）：854-857.

[4] 吴志明. 轨道车辆铝合金厚板搅拌摩擦焊焊接工艺研究[J]. 电力机车与城轨车辆，2014（4）：50-53.

[5] 汪建. 6063-T5铝合金散热器的搅拌摩擦焊接仿真分析与工艺研究[D]. 湖南：中南大学，2012.

[6] 毛家伟. 焊后热处理对新能源汽车6063-T5散热器搅拌摩擦焊接头力学性能的影响[J]. 热加工工艺，2017（21）：201-203.