人工时效对6082铝合金焊接接头组织和性能的影响

田春雨，康 铭，徐玉君，齐芃芃，鄂英凯

(辽宁忠旺集团有限公司，辽阳111003)

0 前言

6082铝合金为热处理强化铝合金，具有中等强度、成形性良好、焊接性能和耐蚀性优良等特点，在我国高速列车与船舶领域中均有广泛的应用[1]。铝合金焊接通常采用钨极惰性气体保护焊（TIG）、熔化极气体保护焊（MIG）等方法。由于铝合金易与氧气结合形成氧化膜，且导热性和热膨胀性较高，因此焊接时易产生气孔、夹渣、严重变形等缺陷[2-3]。搅拌摩擦焊是一种固态塑化连接方法，不需要填充材料，且热输入较低，具有焊接时无飞溅、无烟尘，焊后接头机械性能好、焊接应力和变形小等特点，被认为是解决铝合金焊接问题最有效的方法之一[4-6]。在搅拌摩擦焊过程中，焊缝及其附近区域的组织由于摩擦热引起温度变化不同，使各区域具有不同的组织形态，焊后经过时效处理，接头组织发生变化，从而引起性能变化[7-9]。本试验分别对6082-T6与6082-T4铝合金搅拌摩擦焊焊接接头进行人工时效处理，并对人工时效前后接头的组织与性能进行对比研究，以便为6082铝合金搅拌摩擦焊的广泛应用提供一定的理论依据。

1 试验材料及方法

试验材料为6082-T6和6082-T4合金，尺寸为300 mm×150 mm×6 mm，其力学性能如表1所示。焊接方法为搅拌摩擦焊。焊前采用机械清理方法清理表面氧化膜及油污。焊接工艺参数如表2所示。

表1 试验材料力学性能

表2 焊接工艺参数

焊后试件分为四组：第一组试件为6082-T6焊后自然状态；第二组试件为6082-T6焊后进行175℃保温8 h人工时效处理，然后空气冷却；第三组试件为6082-T4焊后自然状态；第四组试件为6082-T4焊后进行175℃保温8 h人工时效处理，然后空气冷却。对四组试样进行金相组织、力学性能及硬度检测。

采用蔡司光学显微镜观察接头的组织形貌。按照GB/T 2651-2008采用岛津AG-X100KNH型电子万能试验机进行拉伸试验。焊缝位于拉伸试样中心，每组测试2个试样，取其平均值作为试验结果。使用FV-810型维氏显微硬度计进行硬度测试，测试位置为壁厚1/2处水平方向，测试点间距为1 mm。

2 结果与讨论

2.1 显微组织

图1为母材人工时效前后的组织形貌。母材为挤压态，晶粒被拉长且发生破碎，形状不规则。从图中可以看出，6082-T6母材人工时效前后的组织形貌及晶粒大小均无明显变化；6082-T4母材在碱蚀后时效前可以观察到组织中存在大量的黑色球状析出物（Mg2Si），人工时效后，球状析出物有所减少，且尺寸减小，晶粒尺寸无明显变化。

图2、图3分别为6082-T6接头焊后自然状态与焊后人工时效状态的组织形貌，图4、图5分别为6082-T4接头焊后自然状态与焊后人工时效状态的组织形貌。

搅拌摩擦焊焊接接头一般分为焊核区、热机影响区与热影响区。从金相图可以看出：6082-T6及6082-T4焊缝人工时效前后各区域晶粒尺寸均无明显变化，但组织内黑色析出物（Mg2Si）尺寸均减小。从图4、图5可以明显看出6082-T4焊缝经人工时效后其Mg2Si尺寸减小，使合金中的Mg、Si原子大部分以β″的形式存在。与基体处于共格、半共格关系，可以获得更好的强化效果，这在后续性能检验中得到了证实。

从金相图中可以看出：在搅拌摩擦焊过程中，焊核区受到搅拌头强烈的旋转搅拌作用和轴肩下压的锻压力，使该区经历最高的峰值温度及严重的塑性变形，导致原始粗大、拉长的晶粒破碎并发生动态再结晶，最终形成细小的等轴晶粒。热机影响区在焊接过程中同时受到机械力与焊接热循环的作用，该区经历的峰值温度较焊核区低，因此部分区域发生动态再结晶，形成细小的等轴晶粒。热影响区未受到搅拌头的机械搅拌作用，其晶粒形态基本未发生改变[10]。

2.2 力学性能

对母材和焊接接头自然状态与人工时效的试样进行力学性能测试，结果如图6所示。拉伸试验结果表明：6082-T6母材时效后的抗拉强度为341.5 MPa，焊接接头在自然状态下抗拉强度为269.5 MPa，人工时效后为306.5 MPa；6082-T4母材时效后抗拉强度增至344.5 MPa，焊接接头自然状态下的抗拉强度为208 MPa，人工时效后为335 MPa。从图6可以看出，6082-T6及6082-T4状态材料搅拌摩擦焊后经过人工时效均可有效提高焊接接头的力学性能，6082-T4态焊缝热处理后的抗拉强度提升更为显著。6082-T6母材人工时效前后的抗拉强度变化不大，6082-T4母材经过人工时效后抗拉强度显著提升。

经过对比可知，6082-T4铝合金搅拌摩擦焊后人工时效可获得较6082-T6接头更高的力学性能，可接近母材抗拉强度。

2.3 显微硬度

对焊接接头进行硬度检测，其硬度分布曲线如图7所示。其中图7（a）为6082-T6焊接接头人工时效前、后硬度分布曲线，图7（b）为6082-T4焊接接头人工时效前、后硬度分布曲线。

从图7（a）中可看出，6082-T6焊接接头的硬度分布曲线在焊缝中心两侧呈对称分布。对于焊后自然状态试样，在中心两侧约16 mm范围内硬度明显低于母材。焊缝中心（即焊核区）硬度从母材的122 HV降至91 HV，最低点出现在后退侧。随着离焊缝中心距离的增加，硬度逐渐恢复到母材硬度。

分析所产生的原因为：在搅拌摩擦焊过程中，在焊接热循环作用下，焊核区大部分强化相溶解，热机影响区与热影响区中部分强化相发生长大，均使强化作用丧失或减弱。因此搅拌摩擦焊后接头硬度降低，其中后退侧温度高于前进侧，致使硬度值最低点出现在后退侧。

经过人工时效后，母材硬度略有降低，约为112 HV。焊核区硬度明显提升，焊核中心硬度值从91 HV升至114 HV。热机影响区与热影响区硬度也有所提高，相比焊态提高约12 HV。

分析原因认为：这是焊接加热时溶解的强化相在时效过程中重新析出而发生时效强化的结果。

从图7（b）中可看出，6082-T4焊接接头的硬度分布曲线较平稳，焊缝硬度与母材硬度相差不大。经过人工时效后，焊缝与母材硬度均显著提升。焊核中心硬度值从85 HV升至118 HV，母材硬度从85 HV提升至122 HV。

分析所产生的原因为：在人工时效过程中，组织中黑色析出物（Mg2Si）相回溶并重新析出，形成尺寸更加细小而均匀的强化相，产生时效强化效果，因而硬度及力学性能均显著提高。

3 结论

（1）焊后经过人工时效的组织内析出物的尺寸明显减小，产生时效强化作用，但对晶粒尺寸无明显影响。

（2）6082-T6焊接接头人工时效后的抗拉强度由269.5 MPa提高至306.5 MPa，母材抗拉强度变化不大；6082-T4焊接接头人工时效后的抗拉强度由208 MPa提高至335 MPa。

（3）6082-T4铝合金搅拌摩擦焊后再经人工时效可获得较6082-T6接头更高的力学性能，可接近母材抗拉强度。

（4）人工时效后，6082-T6焊缝焊核中心硬度值从91 HV升至114 HV，6082-T4焊缝与母材硬度均显著提升，焊核中心硬度值从85 HV升至118 HV，母材硬度从85 HV提升至122 HV。