擠壓態(tài)6060-T5和鑄態(tài)6061鋁合金異種攪拌摩擦焊接頭組織及力學(xué)性能研究

曹耿華，張大童，寧成云，朱世安，項勝前

（1.廣東豪美新材股份有限公司，清遠 511540；2.華南理工大學(xué)，廣州 510640；3.深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車與交通學(xué)院，深圳 518055；4.廣東豪美技術(shù)創(chuàng)新研究院有限公司，清遠 511540）

0 前言

隨著各種牌號鋁合金在汽車輕量化進程中的廣泛應(yīng)用，對異種鋁合金之間的連接方式也提出了更高的要求。異種鋁合金連接方式較多選用鉚接，但鉚接密封性差，不適用于腐蝕環(huán)境，傳統(tǒng)的熔化焊技術(shù)則容易在鋁合金接頭處產(chǎn)生氣孔、熱裂紋等缺陷[1-2]。攪拌摩擦焊（FSW）是一種新型固態(tài)連接方式，能很好地解決氣孔和裂紋等焊接缺陷，獲得較好的焊接接頭性能，在低熔點材料連接方面具有獨特優(yōu)勢[3-5]。

受電池重量、續(xù)航能力等因素影響，鋁合金在新能源汽車上的應(yīng)用則更為普遍，如5×××系鋁合金在車身蒙皮、6×××系鋁合金在車身骨架、7×××系鋁合金在防撞梁等部件均獲得了大量應(yīng)用[6-8]。目前，部分新能源汽車電池托盤底板選用的是擠壓態(tài)6060鋁合金板拼焊而成，邊板則選用的是成本更低的鑄態(tài)6061鋁合金。二者采用手工MIG焊進行連接時，存在工作效率低、接頭表面質(zhì)量差、漏焊導(dǎo)致密封性不達標等問題。為了改善上述問題，本研究分析了FSW工藝參數(shù)對擠壓態(tài)6060-T5和鑄態(tài)6061鋁合金焊接接頭組織及力學(xué)性能的影響。

1 實驗條件與方法

本實驗選用擠壓態(tài)6060-T5鋁合金和鑄態(tài)6061鋁合金作為實驗材料（二者的化學(xué)成分如表1所示），并將其均切割成尺寸為150 mm×50 mm×4.5 mm的板材進行焊接。

表1 合金化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)/%）

板材依次經(jīng)堿洗除油、水洗、砂紙打磨、酒精清洗后，裝夾于北京賽福斯特FSW-RT31-003型攪拌摩擦焊機上進行焊接，選用的攪拌頭軸肩直徑為15 mm，根部直徑為5 mm，尖部直徑為4 mm，針長4 mm，如圖1所示。固定攪拌頭傾斜角為2.5°，旋轉(zhuǎn)速度為1 000 r/min，焊接速度分別為60 mm/min、120 mm/min和180 mm/min。

圖1 攪拌摩擦焊攪拌頭

焊后試樣經(jīng)打磨、拋光、腐蝕處理后采用萊卡DM15000 M顯微鏡觀察金相組織。采用基恩士VHX-600E超景深顯微鏡對焊接接頭進行宏觀形貌觀測。采用HVS-1000型顯微硬度計測量接頭處維氏硬度，加載載荷0.98 N，加載時間10 s，焊縫區(qū)內(nèi)測試點間距為0.5 mm，外測試點間距為1 mm。采用島津AG-X 100KN型拉伸試驗機進行拉伸試驗，拉伸應(yīng)變速率取2 mm/min，測試3個平行試樣，結(jié)果取其平均值。拉伸試樣斷口形貌采用飛納臺式掃描電子顯微鏡觀察。

2 試驗結(jié)果與分析

擠壓態(tài)6060-T5鋁合金和鑄態(tài)6061鋁合金的微觀組織如圖2所示。6060-T5鋁合金的平均晶粒尺寸約為30 μm，基體中細小的析出相分布均勻；6061鋁合金的平均晶粒尺寸約為40 μm，在晶界和晶粒內(nèi)部分別分布著較為粗大的短棒狀和顆粒狀第二相。

圖2 微觀組織照片

圖3是擠壓態(tài)6060-T5鋁合金與鑄態(tài)6061鋁合金分別在固定轉(zhuǎn)速為1 000 r/min、焊接速度60～180 mm/min參數(shù)范圍內(nèi)的焊接表面形貌。在1 000-60的焊接參數(shù)下，焊接表面較光亮；隨著焊接速度的增大，焊接表面越來越粗糙。這是因為焊接速度增大，熱輸入減小，當熱輸入量過低時，會使部分金屬粘附于攪拌針軸肩下，粘附的金屬與板材表面之間干摩擦導(dǎo)致表面形成少許洋蔥環(huán)和焊縫邊緣的毛刺。

圖3 6060/6061鋁合金在不同焊接參數(shù)下的焊縫表面形貌

圖4是6060/6061鋁合金在1 000-180焊接工藝下，焊接接頭橫截面的宏觀形貌及焊接接頭各個區(qū)域的微觀組織圖。焊接接頭分為4個區(qū)域，分別是焊核區(qū)（NZ）、熱機影響區(qū)（TMAZ）、熱影響區(qū)（HAZ）和母材區(qū)（BM）。圖4（a）是焊接接頭宏觀圖片，雖然接頭組織無明顯缺陷，但可以明顯看出兩種材料在焊接區(qū)域內(nèi)的融合痕跡。圖4（b）和（d）分別是6061側(cè)和6060-T5側(cè)的焊接接頭HAZ組織。HAZ晶粒組織比焊前的母材晶粒組織略為粗大，這是由于在焊接過程中，HAZ組織只受到熱輸入的作用，不受到攪拌針的影響，該區(qū)域受到焊接過程中的熱循環(huán)作用，導(dǎo)致晶粒長大。圖4（c）為6060/6061鋁合金焊接接頭的焊核區(qū)域，該區(qū)位于焊接的中心位置，在焊接過程中受到攪拌和熱循環(huán)作用，發(fā)生塑性變形和動態(tài)再結(jié)晶，最終形成了細小的等軸晶粒，焊核區(qū)近6061側(cè)和近6060-T5側(cè)的材料平均晶粒尺寸分別細化至約12.5 μm和10.6 μm。

圖4 6060/6061焊接接頭宏觀形貌及微觀組織照片

在焊接工藝為1 000-180的試驗參數(shù)下，試驗合金焊接接頭的顯微硬度分布如圖5所示?？傮w來看，3組試驗合金焊接接頭的顯微硬度分布都呈現(xiàn)“W”型，焊核區(qū)硬度普遍低于母材硬度（6060-T5合金硬度約為62 HV，6061合金硬度約為70 HV），但略高于晶粒組織明顯長大的熱影響區(qū)的硬度。其中，6060/6061鋁合金的焊接接頭硬度略低于同種鋁合金焊接接頭硬度，受兩種材料混合影響，焊核區(qū)硬度值波動較大，而且在焊接接頭中RS側(cè)的硬度也略高于AS側(cè)硬度，這是因為焊核區(qū)的RS側(cè)材料主要由硬度略高的6061合金填充（如圖4（c）所示）。

圖5 試驗合金焊接接頭顯微硬度分布

表2是試驗合金在不同焊接速度下獲得的接頭拉伸性能。擠壓態(tài)6060-T5和鑄態(tài)6061合金的強度無明顯差別，但6060-T5合金的塑性明顯優(yōu)于6061合金，這得益于6060-T5合金中均勻且細小的微觀組織（如圖2所示）。對比3組材料的焊后力學(xué)性能可知，焊接接頭抗拉強度明顯都比母材的抗拉強度有所降低，這是因為焊核區(qū)經(jīng)歷高溫?zé)嵫h(huán)，導(dǎo)致6×××系合金中細小的β″相溶解，降低了強化效果[9]。在固定轉(zhuǎn)速1 000 r/min條件下，隨著焊接速度由60 mm/min提升到180 mm/min，被焊區(qū)域的熱循環(huán)持續(xù)時間依次縮短，3組材料的焊接接頭強度都得到了持續(xù)提升。其中，6060/6061合金焊接接頭的抗拉強度，在焊接速度180 mm/min時達到了6060-T5母材的80.19%。

表2 試驗合金在不同焊接速度下接頭的拉伸性能

圖6為6060/6061合金焊接接頭拉伸斷裂位置宏觀圖及斷口形貌。由宏觀斷口可以看出3組焊接試樣在拉伸斷裂前都經(jīng)歷了明顯的頸縮，且斷裂位置都處于偏6060-T5合金一側(cè)的熱影響區(qū)。表2拉伸測試結(jié)果表明，雖然母材6060-T5和6061合金的強度并無太大差別，但6060/6060的焊接接頭強度系數(shù)明顯低于6061/6061，意味著6060-T5合金在焊接后的強度明顯降低?？赏茰y6060-T5合金中細小第二相在焊接熱循環(huán)作用下固溶于基體中，降低了對晶粒長大的阻礙作用和對材料的析出強化效果，導(dǎo)致材料強度的大幅降低。而熱影響區(qū)又是焊接接頭中晶粒組織長大和第二相固溶最為明顯的區(qū)域[10]，所以6060/6061焊接接頭的拉伸斷口全部集中在偏6060-T5側(cè)的熱影響區(qū)。結(jié)合斷口形貌也可看出，3組試樣斷口均分布著大且較淺的韌窩和暗黑色解理面，呈脆性和韌性共存的斷裂特征。

圖6 6060/6061合金在不同焊接速度焊接后的接頭拉伸斷裂位置及斷口形貌

3 結(jié)論

以擠壓態(tài)6060-T5和鑄態(tài)6061鋁合金為研究對象，進行異種FSW實驗，分析了攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度保持1 000 r/min，焊接速度在60～180 mm/min范圍內(nèi)對接頭組織和力學(xué)性能的影響，主要結(jié)果如下：

（1）當焊接速度過快時，熱輸入過低，部分金屬粘附于攪拌針軸肩下沿，在焊接表面形成少許毛刺，影響表面質(zhì)量。但焊接接頭宏觀形貌均沒有明顯缺陷，焊核區(qū)微觀組織得到了顯著細化，在1 000-180的焊接工藝下，焊核區(qū)近6061側(cè)和近6060-T5側(cè)的材料平均晶粒尺寸分別細化至約12.5 μm和10.6 μm。

（2）6060/6061鋁合金的焊接接頭硬度略低于同種鋁合金焊接接頭硬度，且受兩種材料混合影響，焊核區(qū)硬度值波動較大。隨著焊接速度的增大，6060/6061鋁合金焊接接頭的抗拉強度依次提高，接頭強度系數(shù)在180 mm/min時達到了6060-T5母材的80.19%。

（3）在3組焊接工藝下，6060/6061鋁合金焊接接頭均保留了較好的拉伸變形能力，斷裂位置都處于偏6060-T5合金一側(cè)的熱影響區(qū)，失效方式是韌-脆混合型斷裂。