鋁合金氧化膜厚度對攪拌摩擦焊接接頭組織和性能的影響

鄂英凱， 孫 巍， 康 銘， 徐玉君， 田春雨，金文福， 張春旭

（遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽 111003）

6005A 鋁合金作為一種典型的可熱處理強(qiáng)化鋁鎂硅合金，具有密度低且強(qiáng)度可觀、易于加工、焊接適應(yīng)性良好，耐腐蝕性好的特點(diǎn)[1-2]，近年來在我國高速列車、城軌車體生產(chǎn)制造中大量使用[3-4]。攪拌摩擦焊（friction stir welding，F(xiàn)SW）作為一種新型固相壓力連接技術(shù)，能夠較好的解決熔焊接頭中出現(xiàn)的氣孔、熱裂紋等缺陷[5-7]。這對于鋁合金焊接有著極大優(yōu)勢，現(xiàn)已在航空、軌道、新能源汽車等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

但在實(shí)際焊接過程中發(fā)現(xiàn)6005A鋁合金容易在接頭橫截面出現(xiàn)呈S狀的黑色曲線，研究者稱之為“S曲線”的缺陷。賀地求等[8]認(rèn)為6063-T5鋁合金S曲線的形成主要是由于焊縫對接面存在空氣，鋁在焊接過程中被氧化而形成致密的氧化膜。姬書得等[9]發(fā)現(xiàn)5383鋁合金FSW接頭中出現(xiàn)的S曲線會(huì)大大降低接頭的耐腐蝕性，腐蝕最嚴(yán)重的區(qū)域是S曲線，而除S曲線及其附近區(qū)域之外的焊核區(qū)的耐腐蝕性優(yōu)于母材的。王衛(wèi)兵等[10]通過模擬與實(shí)際相結(jié)合得出，增大攪拌頭螺紋深度可以促進(jìn)金屬流動(dòng)，從而控制S曲線形成。吳堅(jiān)定等[11]結(jié)合S曲線的形貌分析提出，產(chǎn)生S曲線的原因可能是FSW過程中生成的氧化物與型材存放過程中生成的氧化物集合，在焊縫處塑化金屬的塑性流動(dòng)過程中在攪拌力的作用下聚集而形成的。李帥貞等[12]認(rèn)為焊接前清理可以改善接頭組織，并且可以減弱S曲線，有利于提高接頭力學(xué)性能。此外，也有學(xué)者指出焊接前清理母材氧化膜，在焊接過程中對焊縫施加氬氣保護(hù)可以有效消除S曲線。

本研究分別對5組母材厚度相同但表面氧化狀態(tài)、氧化膜厚度不同的6005A-T4鋁合金進(jìn)行焊接，并對焊接后接頭的組織與性能進(jìn)行對比研究，以便為6005A鋁合金FSW的工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用提供一定的應(yīng)用依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料為6005A-T4鋁合金擠壓板材，尺寸為300.0 mm×150.0 mm×3.0 mm，母材合金成分實(shí)測含量見表1。為確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，對每組母材均制備標(biāo)準(zhǔn)力學(xué)試樣，其力學(xué)性能與焊接前母材狀態(tài)見表2，焊接方法為FSW。

表1 6005A-T4鋁合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）Tab.1 Chemical compositions of the 6005A-T4 aluminum alloy (mass fraction /%)

表2 試驗(yàn)材料Tab.2 Test materials

使用AEE定龍門攪拌摩擦焊機(jī)，采用恒位移控制方式，攪拌頭逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。焊接時(shí)使用AEE制造攪拌頭，攪拌針為右旋螺紋，軸肩為微內(nèi)凹無溝槽式。攪拌頭軸肩直徑12.0 mm，攪拌針長3.0 mm，焊接工藝參數(shù)見表3。

表3 焊接工藝參數(shù)Tab.3 Welding process parameters

采用蔡司光學(xué)顯微鏡觀察接頭宏觀與微觀組織 ；按 照 GB/T 2 651—2008，使 用 島 津 AG-X 100KNH型電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，焊縫位于拉伸試樣中心，每組測試3個(gè)力學(xué)試樣，取其平均值作為試驗(yàn)結(jié)果；使用掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）對試樣S曲線處組織與斷口形貌進(jìn)行觀測，并對斷口表面的元素成分作能譜分析（energy spectrum analysis，EDS）。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 焊接接頭處組織圖

圖1為FSW接頭處組織。由圖1可見，焊縫為典型FSW接頭，整體焊縫形狀呈“碗狀”，由焊縫中央的焊核區(qū)、圍繞焊核區(qū)的熱機(jī)影響區(qū)、熱機(jī)影響區(qū)外側(cè)的熱影響區(qū)和母材4個(gè)區(qū)域組成。

5組金相試樣S曲線形狀、走向基本相似，由前進(jìn)側(cè)開始，延伸經(jīng)過焊核區(qū)最終到達(dá)后退側(cè)焊縫底部，貫穿整個(gè)焊縫。焊接過程中大部分前進(jìn)側(cè)金屬受到攪拌針作用，形成焊縫下部；而后退側(cè)金屬則被軸肩裹挾著覆蓋于焊縫上部。

圖1 焊接接頭的顯微組織Fig. 1 Microstructures of the weld joints

由圖1（a）和（b）可以看出無論焊接前是否打磨，焊接后接頭中均出現(xiàn)了S曲線，線條連續(xù)而細(xì)??；對比圖 1（c）、（d）和（e）可見，當(dāng)母材表面氧化膜厚度逐漸增加時(shí)，S曲線逐漸變粗，在焊縫中的散布區(qū)域面積增大。

圖2～6分別為5組6005A-T4焊接接頭低倍顯微組織。可以看出細(xì)小的黑色第二相粒子（Mg2Si）均勻分布于焊縫中。由于攪拌頭軸肩與攪拌針過渡區(qū)域在焊接過程中金屬流動(dòng)方式十分復(fù)雜，導(dǎo)致軸肩影響區(qū)的S曲線形貌十分復(fù)雜，被多次折疊彎曲，整體形貌呈“鋸齒狀”。

圖2 焊接前機(jī)械打磨接頭顯微組織Fig.2 Microstructures of the mechanical ground joint before welding

通過比較可以明顯看出，軸肩影響區(qū)處S曲線延伸面積較焊核區(qū)更寬，接近其2倍；同時(shí)，隨著氧化膜厚度增加S曲線由線狀、集中化分布轉(zhuǎn)變?yōu)閹?、分散化分布，而且S曲線中的“黑色物質(zhì)”體積更大、愈加明顯。隨著氧化膜的增厚，S曲線分布區(qū)由數(shù)十微米迅速擴(kuò)展至數(shù)百微米。

圖7為5組焊接接頭的SEM圖。由圖7可知：S曲線中的黑色物質(zhì)主要是塊狀A(yù)l2O3；母材經(jīng)過焊接前機(jī)械清理或自然氧化狀態(tài)時(shí)，氧化膜比較薄，所以形成的S曲線呈線連續(xù)狀；而當(dāng)氧化膜逐漸增厚時(shí)，S曲線中Al2O3體積迅速增大，鑲嵌于焊縫內(nèi)部，如圖 7（c）、（d）和（e）所示；S 曲線周圍出現(xiàn)許多微孔洞，且S曲線越明顯，微孔洞也越大越密集，當(dāng)孔洞密集到一定程度時(shí)，所形成的S曲線類似于裂縫[13]。

圖3 自然氧化接頭的顯微組織Fig. 3 Microstructures of the natural oxidized joint

圖4 母材氧化膜度10 μm的接頭的顯微組織Fig. 4 Microstructures of the joint with base metal oxide thickness of 10 μm

圖5 母材氧化膜厚度20 μm接頭的顯微組織Fig. 5 Microstructures of the joint with base metal oxide thickness of 20 μm

圖6 母材氧化膜厚度30 μm的接頭的顯微組織Fig. 6 Microstructures of the joint with base metal oxide thickness of 30 μm

圖7 S曲線處的顯微組織Fig.7 Microstructures at the place of S curve

當(dāng)母材氧化程度較低時(shí)，S曲線形狀多為細(xì)小的桿狀和球狀，尺寸僅為幾微米，經(jīng)過攪拌頭的熱機(jī)作用聯(lián)結(jié)在一起，如圖 7（a）和（b）所示。由圖 7（c）、（d）和（e）可見，氧化膜厚度極大影響了S曲線形貌，焊接前氧化膜愈厚，焊接后S曲線中物質(zhì)體積愈大，部分顆粒尺寸甚至達(dá)到幾十微米，導(dǎo)致焊縫內(nèi)形成類氧化物夾雜。

經(jīng)查閱文獻(xiàn)資料，Chen等[14]與Okamura等[15]通過SEM、透射電子顯微鏡（transmission electron microscopy，TEM）觀察發(fā)現(xiàn)沿S曲線分布著大量球狀或桿狀氧化物，而S曲線主要是對接面氧化膜被攪拌針攪碎后無法與母材結(jié)合形成的。

2.2 力學(xué)性能分析

對5組試樣接頭進(jìn)行力學(xué)性能測試。檢驗(yàn)時(shí)，每組制取標(biāo)準(zhǔn)力學(xué)試樣3個(gè)，取其斷裂強(qiáng)度平均值記錄。力學(xué)檢驗(yàn)結(jié)果見表4，母材焊接后接頭強(qiáng)度效率系數(shù)與焊接前表面氧化膜厚度關(guān)系見圖8。

由圖8可知，焊接前對母材進(jìn)行打磨會(huì)提高焊接后接頭強(qiáng)度系數(shù)。相反，當(dāng)焊接前母材表面存在一定厚度的氧化膜時(shí)，對接頭強(qiáng)度系數(shù)會(huì)產(chǎn)生不利影響，且隨著表面氧化膜厚度增加，接頭強(qiáng)度系數(shù)呈下降趨勢，側(cè)面證明了氧化膜在焊縫中形成氧化物夾雜帶，導(dǎo)致接頭強(qiáng)度系數(shù)由82.56%下降至72.38%，嚴(yán)重?fù)p害接頭強(qiáng)度。

表4 母材與焊接接頭力學(xué)性能Tab.4 Mechanical properties of the base metal and welded joint

圖8 接頭強(qiáng)度系數(shù)與母材氧化膜厚度關(guān)系Fig. 8 Relationship between the joint strength coefficient and base metal oxide film thickness

2.3 斷口形貌分析

對5組共15個(gè)力學(xué)性能測試試樣進(jìn)行拉伸斷裂后檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，除E組焊接接頭沿S曲線非正常斷裂外，其他4組均斷裂于接頭后退側(cè)?，F(xiàn)隨機(jī)選取E組一個(gè)接頭斷口進(jìn)行斷口形貌觀察，分析其斷裂機(jī)制。斷口形貌如圖9和10所示，試樣沿S曲線處斷裂，斷裂面處可見大量白色碎塊，同時(shí)試樣延伸率較低，SEM未見韌窩等特征，屬于脆性斷裂。

圖9 斷口宏觀形貌Fig. 9 Macrostructures of the fracture

圖10 斷口微觀形貌Fig.10 Microstructures of the fractures

圖11為斷口處EDS分析，由圖11（b）能譜分析可知，S曲線中顆粒狀物質(zhì)主要元素成分為Al和O，這說明母材原始界面中的Al2O3在焊接過程中被攪拌針打碎形成了S曲線，而焊縫中基體元素主要為Al、Mg和Si，符合6系鋁合金元素組成。

圖11 斷口能譜分析Fig.11 EDS analyais of the fractures

由此可見，斷口的沿S曲線非正常斷裂與接頭中存在的大量塊狀A(yù)l2O3有直接聯(lián)系。塊狀氧化物較為規(guī)則、連續(xù)排布呈條帶狀存留在焊縫中，形成了氧化物夾雜帶，導(dǎo)致接頭在該位置處于弱連接狀態(tài)，當(dāng)外力作用于焊縫時(shí)，質(zhì)地堅(jiān)硬的Al2O3顆粒周圍出現(xiàn)微裂紋，隨著應(yīng)力不斷作用，裂紋由此處萌生、擴(kuò)展，而S曲線作為接頭最薄弱處首先開裂，導(dǎo)致整個(gè)焊縫失效。

3 結(jié) 論

（1）6005A-T4鋁合金焊縫橫截面上出現(xiàn)S曲線。且隨著母材表面原始氧化膜厚度的增加，S曲線尺寸迅速增加，接頭SEM圖顯示焊接前打磨仍會(huì)出現(xiàn)S曲線，產(chǎn)生機(jī)制是焊接對接面的氧化物隨著塑化金屬流動(dòng)進(jìn)入焊縫形成S曲線。

（2）焊接前打磨可以提高接頭強(qiáng)度系數(shù)，焊接前打磨的接頭強(qiáng)度為194.9 MPa，接頭強(qiáng)度系數(shù)達(dá)到82.56%，而母材原始氧化物層厚度30 μm的接頭強(qiáng)度為177.1 MPa，接頭強(qiáng)度系數(shù)僅為72.38%，接頭強(qiáng)度下降10.18%。

（3）S曲線中的“黑色物質(zhì)”的主要成分是Al2O3，氧化膜較厚時(shí)，大量Al2O3顆粒會(huì)形成氧化物夾雜帶，此處作為焊縫最薄弱區(qū)，裂紋由此處萌生、擴(kuò)展，最終導(dǎo)致焊縫開裂。