6005A-5083铝合金焊接接头的微观组织与力学性能研究

潘柏清 丁浩 刘雄 王向东

摘要：为提高接头质量和可靠性，通过微观组织观察、室温拉伸、硬度、疲劳等试验对6005A-5083焊接接头的显微组织和力学性能进行研究。结果表明：6005A-5083铝合金焊接接头焊缝成形良好，无明显焊接缺陷，焊缝组织未见异常。6005A侧熔合区存在轻微的Mg元素偏析，5083侧合金元素分布均匀。接头抗拉强度、屈服强度和伸长率的平均值分别为181 MPa、115 MPa、7.2%，其断口呈现韧性断裂特征，通过S-N曲线拟合得到的疲劳极限不低于75 MPa。焊接接头焊缝区域、5083侧热影响区、6005A侧热影响区宽度分别约为10 mm、10 mm和35 mm。该焊接接头存在软化区，6005A侧熔合区为较薄弱环节。

关键词：6005A-5083焊接接头;微观组织;力学性能;氩弧焊

0 前言

高速列车轻量化是高速列车设计者们长期追求的目标。铝合金具有轻质、比强度高、耐腐蚀等优点，现已成为高速列车的重要材料[1]。6005A铝合金具有中等强度、优良的耐腐蚀性和可焊性，已广泛应用于轨道车体上[2-4]。对于列车电气屏柜，不同承重部位对材料的要求有所不同，部分结构件需要将5083铝合金与6005A铝合金通过焊接的方式连接起来。焊接接头各区受焊接热循环的作用不同，再加上焊接材质不同，使得焊接结构不同部位的组织与性能不同。此外，焊接结构在使用过程中面临交变载荷、交变温度等复杂环境，焊接接头各区域的使用寿命与应力腐蚀倾向也不尽相同。因此有必要对6005A-5083焊接接头的组织与力学性能进行全面分析，评估其质量，为后续工艺改进和寿命预测提供实验数据基础。文中通过金相、扫描电镜、透射电镜组织观察及硬度、室温拉伸强度和疲劳等试验对6005A铝合金与5083铝合金氩弧焊焊接接头进行性能研究。

1 试验材料与方案

1.1 试验材料与工艺

6005A-5083焊接接头通过熔化极气体保护焊制备，填充材料为5356焊丝。焊缝成形较好，外观无未焊透、焊接裂纹、咬边、烧穿、焊瘤、气孔、凹陷和未熔合等缺陷。

1.2 微观组织观察

1.2.1 金相组织观察

参照GB/T 3246.1-2012变形铝及铝合金制品组织检验方法，以6005A-5083焊接接头的焊缝为中心，垂直于接头横向取样，经过粗磨、细磨与机械抛光后，用Keller试剂（1%HF+1.5%HCl+3%HNO3）腐蚀表面，在Leica DM-4000M金相显微镜下观察焊接接头的微观组织形貌特征。

1.2.2 扫描电镜观察与能谱分析

扫描电镜采用Zeiss Auriga场发射扫描电子显微镜，实验加速电压为20 kV。SEM样品以6005A-5083铝合金焊接接头为中心，垂直于接头向两侧取样，经粗磨、细磨与机械抛光至无划痕为止。通过电镜配套能谱仪（EDS）对接头不同区域的成分进行点、线、面扫描分析，探究合金内不同金属间化合物的种类与分布，追踪合金元素的迁移特征。

1.2.3 透射电镜观察

透射电镜（TEM）样品通过机械减薄至100 μm左右，冲裁成φ3 mm圆片，然后去毛刺、清洗，最后通过Struers TenuPol-5型双喷电解减薄仪进行电解双喷。电解液采用1∶3（体积分数）的硝酸-甲醇溶液。采用液氮冷却，双喷温度越位-20 ℃，双喷电压为20 V，电流为50～70 mA。透射电子显微镜观察目标试样中各析出相的形貌、尺寸、分布、晶内与晶界的析出状态等，进一步分析合金内不同金属间化合物的分布形态规律。

1.3 静态力学性能测试

1.3.1 维氏硬度测试

参照GB/T 2654-2008焊接接头硬度试验方法，以焊缝为中心垂直于接头向两侧基材取样。硬度测试的标线与测点位置如图1所示。测试仪器为宝棱HXD-2000TMSC数显显微硬度仪，沿每一个测点位置上下测5～8次取平均值。加载载荷为1 kg，加载时间10 s。焊接试样按硬度划分不同区域后，其分区成分分析通过ICP电感耦合等离子体原子发射光谱仪完成。

1.3.2 室温拉伸性能测试

室温拉伸试验在万能材料试验机MTS 810上进行，拉伸试样参照GB/T 2651-2008 焊接接頭拉伸试验方法制备，其尺寸如图2所示。以接头焊缝为中心，垂直于接头向两侧线切割制备拉伸试样。拉伸速率为2 mm/min。重复测3次，采用扫描电镜观察分析试样断口。

1.4 疲劳试验

疲劳试样参考GB/T 3075-2008金属材料疲劳试验轴向力控制方法制备，尺寸如图3所示。以接头焊缝为中心，垂直于接头向两侧线切割制备疲劳试样。试样表面经粗磨与细金相砂纸打磨到5000#，确保样品表面无划痕为止方可进行试验。

疲劳测试选择应力比0.1，频率35 Hz。其中低频疲劳采用MTS 810材料万能试验机进行测试。获取焊接接头在不同应力条件下的疲劳寿命曲线（S-N），并进行统计分析。

2 结果与讨论

2.1 金相组织

6005A-5083焊接接头金相组织形貌如图4所示。可以看出，其中6005A和5083铝合金母材晶粒都呈现为纤维状;6005A铝合金母材与焊缝交界处的熔合区有明显界限，而焊缝与5083交界处的熔合区则是逐渐过渡，焊缝区存在明显的等轴晶。

6005A母材呈现显著的线条状组织，线条状组织均匀整齐的沿着水平方向分布，这是由于在板材轧制过程中晶粒沿着轧制方向被拉长所致。从6005A到焊缝的熔合区可见线条组织过渡到焊缝的树枝晶，这可能是由于焊接过程中熔池凝固所致，在过渡区还夹杂着少许等轴晶。焊缝组织为均匀分布的等轴晶和部分树枝晶，这是因为在焊接过程中冷速过快，发生了非平衡凝固，且温度梯度具有一定的方向性，所以新形成的晶粒就会沿着一定的方向生长，形成枝晶组织。焊缝与5083的熔合区并未出现如6005A侧熔合区的过渡层组织，而是等轴晶、枝晶逐渐过渡为扁平的柱状晶区。5083母材区组织为细小扁平的小晶粒，且往基材区一侧其晶粒组织更加细小均匀[5]。

2.2 扫描电镜组织

焊接接头中5083侧的表面组织及第二相粒子分布如图5所示。表面组织存在三个明显区域：纤维组织区、过渡区及等轴晶区，其中纤维组织区及过渡区对应焊接接头中5083侧热影响区、等轴晶区对应焊缝区。经能谱分析，接头表面主要存在Al6（FeMn）粒子，基体中的Mg含量从纤维组织区到等轴晶区呈逐步减少趋势。

焊縫区微观组织及能谱图如图6所示。由图6可知，焊缝区的晶粒主要是合金重熔之后形成的等轴晶。第二相粒子均匀弥散地分布在试样表面，能谱分析表明这些第二相主要为Al6（FeMn）粒子[6]。

焊接接头中6005A侧热影响区表面第二相粒子分布及能谱图如图7所示。由图7可知，焊缝区的Mg含量为3.89%，过渡区的Mg含量较低，纤维组织区的Mg含量为1.96%。第二相粒子主要沿轧向分布，粒子成分为长条状的Mg2Si粒子及片块状的Al6（FeMn）粒子。焊缝区近6005A侧第二相粒子含有较高的Si与Cr。

焊接接头中6005A侧热影响区能谱线扫描如图8所示。可以看出，等轴晶区（焊缝区）的Mg含量相对较高，6005A侧热影响区Mg含量先降低后升高再降低，呈不均匀分布状态。其他合金元素除因第二相颗粒形成的峰以外，变化不明显。

焊接机头6005A侧热影响区的元素面扫描如图9所示。接头表面Mg元素在焊缝区附近存在偏析，在一块不规则区域内Mg含量相对较低;其他合金元素如Mn、Si等含量相对较低，分布较均匀。该处偏析的形成可能与其距离焊缝中心较远、靠近6005A侧热影响区，冷却速度过快有关[7-8]。

焊接接头中5083侧热影响区元素线扫描分布如图10所示。5083侧热影响区附近除Mg2Si及其他第二相颗粒形成的峰以外，与6005A侧热影响区相比各元素变化均不明显。对试样表面各区域元素进行定量分析发现，等轴晶区的Mg含量为3.8%，过渡区的Mg含量为4.22%，纤维组织区的Mg含量为4.29%。

接头中5083侧热影响区的表面元素分布面扫描如图11所示，各合金元素分布相对均匀，未观测到明显偏析现象。

2.3 透射电镜组织

6005A-5083焊接接头各区域的TEM组织如图12所示。受轧制强烈变形影响，5083基材区的组织内部位错、亚晶衬度较高，未观测到明显的第二相粒子。5083热影响区组织较母材区更加平直、清晰，位错密度降低，大量200 nm左右的短棒状粒子均匀分布于晶内。在焊缝区，晶界相对平直，晶粒内部第二相颗粒相对较少。从焊缝区过渡到6005A侧热影响区，可以观察到组织内部出现大量的针状与长棒状第二相。在6005A母材区域，晶粒内部及晶界存在大量椭球状或长径较小的短棒状第二相。

2.4 硬度

6005A-5083铝合金焊接接头的硬度分布曲线如图13所示。由图13可知，5083铝合金基材硬度约为85 HV，6005A基材硬度约为100 HV。焊缝区的宽度约为10 mm。焊缝中心到5083铝合金基材位置的距离较短，约为10 mm，即5083侧热影响区较窄;而焊缝中心到6005合金基材位置的距离较长，约为35 mm，即6005A侧热影响区较宽。此外，焊缝区及热影响区的硬度与基材相比均有明显降低。需要注意的是，6005A-5083铝合金焊接接头在焊缝中心到6005A侧区间出现了一个明显的软化区，软化区的形成可能与该区域Mg元素含量较低有关，形成的强化相Mg2Si粒子相对较低。试样表面的硬度先下降至软化区处，随后逐渐恢复到基材水平。而焊缝中心到5083侧由于距离较短，软化区不明显[9-10]。

5083基材区、5083热影响区、焊缝区、6005A热影响区、6005A基材区的ICP测试结果如表1所示。焊缝区的成分不同于5083或6005A，其成分主要为：Al-3.45Mg-0.33Mn-0.19Si。Mg含量从5083区域到6005A区域呈一定的下降趋势。

2.5 室温拉伸性能

6005A-5083铝合金焊接接头的室温拉伸性能结果如表2所示。由表2可知，焊接接头抗拉强度为181 MPa，屈服强度为115 MPa，伸长率为7.2%，主要的断裂区域为6系热影响区，推测6系热影响区为该焊接接头的力学薄弱环节。室温拉伸后的焊接接头断口形貌如图14所示，断口表面凹凸不平，起伏较大，试样韧性良好。将其放大后，在试样表面观察到大量韧窝，为韧性穿晶断裂特征。

焊接接头的疲劳寿命曲线如图15所示。由图15可知，焊接接头在高应力水平下的寿命值较为分散，而在低应力条件下寿命则较为集中。通过拟合可知，1 000万次条件下的疲劳极限强度不低于75 MPa。

3 结论

（1）6005A-5083铝合金氩弧焊焊接接头宏观无缺陷，焊缝组织未见异常，仅在6005A侧熔合区附近存在一定的Mg元素偏析。

（2）焊接接头的抗拉强度、屈服强度及伸长率分别为181 MPa、115 MPa、7.2%。断口呈现韧性断裂特征。

（3）焊接接头焊缝区、5083热影响区、6005A热影响区宽度分别约为10 mm、10 mm 和35 mm。显微硬度上存在明显的软化区，6005A侧熔合区为较薄弱环节。

（4）焊接接头的疲劳极限强度不低于75 MPa，在此应力水平下该焊接接头疲劳寿命可以达到107次。

参考文献：

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