T6 熱處理與焊接順序?qū)356 鋁合金攪拌摩擦焊接頭組織和力學(xué)性能的影響①

吳 嘉， 楊 昭， 范綱銜， 路建琦， 李一凡， 譚力笳

（1.中南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙 410083； 2.昆山六豐機(jī)械工業(yè)有限公司，江蘇 昆山 215300）

A356 鋁合金因?yàn)榫哂袃?yōu)異的比強(qiáng)度、鑄造性和耐腐蝕性而被廣泛應(yīng)用于汽車部件的生產(chǎn)，如制備輪轂、轉(zhuǎn)向節(jié)、控制臂等［1-3］。 隨著近年來新能源汽車的迅速發(fā)展，攪拌摩擦焊（FSW）技術(shù)在汽車輕量化領(lǐng)域逐漸受到關(guān)注［4］。 T6 熱處理（固溶處理＋人工時效）是A356 鑄件生產(chǎn)過程中的必需工藝。 對A356 鑄件進(jìn)行FSW 時，T6 熱處理與焊接的順序成為必須評估的問題。

A356 合金屬于Al-Si 系鑄造鋁合金，工業(yè)應(yīng)用中通過T6 熱處理來獲得理想的強(qiáng)度，其熱處理析出序列為SSSS→clusters→GP zones→β″→β′→β（Mg2Si），其中，β″對強(qiáng)度貢獻(xiàn)最大，峰時效狀態(tài)的合金中含有大量的β″析出相［5-7］。 目前Al-Mg-Si 合金的攪拌摩擦焊研究表明，F(xiàn)SW 的接頭強(qiáng)度相對母材會有不同程度的降低，這與FSW 過程中析出相β″粗化或者溶解有關(guān)［8-9］。 相關(guān)研究人員為了解決FSW 導(dǎo)致的接頭軟化問題，對接頭組織進(jìn)行了焊后熱處理研究，結(jié)果表明焊后熱處理可以恢復(fù)熱影響區(qū)中損失的強(qiáng)度，但焊核區(qū)的再結(jié)晶組織會發(fā)生異常晶粒長大［10-13］。 因此，T6 熱處理與FSW 的順序?qū)︿X合金接頭組織具有重要的影響，本文旨在探明不同T6 熱處理與FSW 順序下A356合金接頭的微觀組織和力學(xué)性能，從而指導(dǎo)A356 合金攪拌摩擦焊接的工業(yè)應(yīng)用。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)所用材料為重力鑄造制得的10 mm×60 mm×500 mm A356 鋁合金板材，其化學(xué)成分如表1 所示。攪拌摩擦焊接所用設(shè)備為小型龍門式攪拌摩擦焊接機(jī)，焊接參數(shù)如下：前進(jìn)速度120 mm／min，旋轉(zhuǎn)速度1 350 r／min，軸向壓力3 kN，傾角2.5°。 FSW 的示意圖如圖1（a）所示，攪拌針的形狀和尺寸如圖1（b）所示。 T6 熱處理工藝為：固溶處理535 ℃／6 h，室溫水淬；人工時效，135 ℃／5 h 。

圖1 攪拌摩擦焊實(shí)驗(yàn)示意圖

表1 A356 鋁合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

將先進(jìn)行T6 熱處理后進(jìn)行攪拌摩擦焊的工藝記作T6-FSW，先進(jìn)行攪拌摩擦焊后進(jìn)行T6 熱處理的工藝記作FSW-T6，均采用上文所描述的熱處理參數(shù)和焊接參數(shù)，兩種工藝只存在順序上的區(qū)別。 工藝完成后對A356 接頭組織進(jìn)行微觀組織觀察和力學(xué)性能測試。

金相試樣預(yù)磨、拋光后，采用FeCl3溶液（35 g FeCl3＋200 mL H2O）腐蝕15 s 并在體視顯微鏡下觀察其形貌。 采用TESCAN Mira3 掃描電子顯微鏡觀察沖擊斷口形貌；采用MTP-1A 型磁力驅(qū)動電解雙噴減薄器進(jìn)行TEM 制樣，電壓40 V，在－40 ℃的5%高氯酸乙醇溶液中減薄，之后再用離子減薄精修，并用Tecnai G2F20 場發(fā)射透射電子顯微鏡觀察其形貌。

力學(xué)性能測試包括顯微硬度實(shí)驗(yàn)、拉伸實(shí)驗(yàn)和沖擊實(shí)驗(yàn)。 顯微硬度測試平面為垂直焊接方向的橫截面，測試設(shè)備為得川HVS-1000Z 數(shù)顯顯微硬度計，測試時載荷500g，保荷時間10 s。 拉伸實(shí)驗(yàn)分為兩類，取樣位置如圖1（c）所示，一種為垂直焊接方向，截面尺寸為5 mm×10 mm 的橫向拉伸試樣；另一種為沿焊接方向，截面尺寸為2 mm×3 mm 的焊核區(qū)拉伸試樣，取樣位置距離焊接上表面1 mm。 兩類拉伸實(shí)驗(yàn)均以2 mm／min 的速率在STS100K 電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。 垂直于焊接方向取夏比沖擊試樣，如圖1（c）所示，沖擊試樣不再額外開缺口，以未焊透部分作為缺口，尺寸為10 mm×10 mm×55 mm，沖擊實(shí)驗(yàn)在JBS300B 擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，依照國家標(biāo)準(zhǔn)GB／T 229—2020，沖擊韌性用沖擊吸收能量K進(jìn)行評估。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 微觀組織觀察

2.1.1 焊接組織觀察

圖2 為不同工藝下接頭垂直焊接方向的橫截面金相照片。 從圖2 可以看出，兩種工藝下的接頭組織均由焊核區(qū)（NZ）、熱機(jī)械影響區(qū)（TMAZ）和熱影響區(qū)（HAZ）構(gòu)成。

圖2 接頭組織金相照片

T6-FSW 接頭的NZ 組織在FSW 過程中經(jīng)歷了劇烈變形，發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶（Dynamic Recrystallization，DRX）［9］，因此NZ 晶粒由原本較為粗大的鑄態(tài)晶粒演變成細(xì)小的DRX 晶粒。 TMAZ 未受到攪拌針的直接作用，變形較小，與HAZ 的晶粒相比被變形拉長，而HAZ 在FSW 過程中只受到熱效應(yīng)的影響，晶粒為與母材（BM）一致的鑄態(tài)形貌，尺寸比較粗大。 與T6-FSW相比，F(xiàn)SW-T6 的NZ 中出現(xiàn)了特別粗大的晶粒，其中最大晶粒的直徑已達(dá)到1 mm 左右，這種NZ 組織在T6 熱處理后出現(xiàn)粗大晶粒的現(xiàn)象在相關(guān)研究中被稱為異常晶粒長大（Abnormal Grain Growth，AGG）。 根據(jù)Humphreys 的晶粒穩(wěn)定性模型，A356 合金中的第二相顆粒在固溶處理時的高溫條件下溶解度增加，體積分?jǐn)?shù)減少，對晶界的釘扎力減弱，導(dǎo)致一些晶粒迅速吞并相鄰的晶粒并發(fā)生了異常長大［13］。

2.1.2 焊核區(qū)TEM 觀察

圖3 為不同工藝下接頭NZ 區(qū)的TEM 明場圖像。 圖中右下角為相應(yīng)的選區(qū)電子衍射圖像，圖3（b）和圖3（d）分別為圖3（a）和圖3（c）對應(yīng)區(qū)域的放大圖像。

圖3 接頭NZ 區(qū)的TEM 明場圖像

T6-FSW 的NZ 區(qū)TEM 圖像中可以觀察到長桿狀的析出相β′，根據(jù)A356 的時效析出序列，說明T6 熱處理產(chǎn)生的大量β″相已經(jīng)在FSW 的高溫過程中溶解，未溶解的部分轉(zhuǎn)變?yōu)棣隆湎嗲也糠枝隆湎嘁验L大至數(shù)百納米。 FSW-T6 的NZ 區(qū)TEM 圖像中可以觀察到大量線條狀位錯以及針狀β″相，且位錯附近的β″相數(shù)量更多，這是因?yàn)镕SW 劇烈變形過程中產(chǎn)生的位錯仍有殘余，在T6 熱處理過程中，位錯作為析出相的形核位點(diǎn)，促進(jìn)β″相的析出［14］，導(dǎo)致β″相在位錯附近偏聚。

2.2 力學(xué)性能測試

2.2.1 顯微硬度

分別測量了T6-FSW 和FSW-T6 兩種工藝下接頭5 mm× 30 mm 區(qū)域內(nèi)的顯微硬度，測試點(diǎn)左右相隔0.5 mm，上下相隔1 mm，利用硬度測試結(jié)果繪制了如圖4 所示的云圖，其中縱坐標(biāo)和橫坐標(biāo)分別表示距離板材上表面和焊接中心線的距離（單位：mm），AS 和RS 分別表示FSW 的前進(jìn)側(cè)和后退側(cè)。 從圖4 可以看出，兩種工藝下的BM 硬度為同一水平，均在100HV0.5左右。 T6-FSW 的顯微硬度測試結(jié)果表明NZ、TMAZ和HAZ 區(qū)域的硬度相較BM 顯著降低，平均硬度僅76HV0.5，這些區(qū)域析出相的溶解或粗化導(dǎo)致了硬度降低。 FSW-T6 接頭的硬度橫向上沒有明顯變化，因?yàn)镕SW-T6 工藝不存在析出相溶解或粗化現(xiàn)象，NZ、TMAZ 和HAZ 區(qū)域平均硬度為96HV0.5，與BM 硬度處于同一水平，相較T6-FSW 試樣，其硬度高26%，NZ 區(qū)的AGG 并沒有導(dǎo)致硬度降低，說明AGG 對A356 合金硬度的影響非常微小。

圖4 T6-FSW 接頭和FSW-T6 接頭的顯微硬度

2.2.2 室溫拉伸性能

實(shí)驗(yàn)所用A356-T6 母材的拉伸強(qiáng)度為260 MPa，延伸率為8%。 兩種工藝下垂直焊縫的橫向拉伸試樣和沿焊縫在焊核區(qū)內(nèi)取得的試樣室溫拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖5。

圖5 拉伸性能測試結(jié)果

橫向拉伸實(shí)驗(yàn)中，T6-FSW 接頭平均抗拉強(qiáng)度和延伸率分別為214 MPa 和5.3%，焊接系數(shù)為82.3%，3 個拉伸試樣的斷裂位置均發(fā)生在HAZ 區(qū)，HAZ 區(qū)域的率先屈服和斷裂嚴(yán)重降低了拉伸性能。 FSW-T6 接頭平均抗拉強(qiáng)度和延伸率分別為254 MPa 和8.5%，焊接系數(shù)為97.7%，拉伸力學(xué)性能與A356-T6 母材相當(dāng)。FSW-T6 接頭沒有集中斷裂在發(fā)生AGG 的NZ 區(qū)，斷裂位置無明顯規(guī)律，相較T6-FSW 接頭，其橫向拉伸抗拉強(qiáng)度高18.7%，延伸率高60.4%。

為了避開HAZ 區(qū)的影響，進(jìn)一步研究T6-FSW 與FSW-T6 工藝下焊核區(qū)的力學(xué)性能，進(jìn)行了焊核區(qū)拉伸實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見圖5。 結(jié)果表明，T6-FSW NZ 區(qū)抗拉強(qiáng)度和延伸率分別為236 MPa 和12.5%，F(xiàn)SW-T6 NZ 區(qū)抗拉強(qiáng)度和延伸率分別為297 MPa 和7.0%。 FSW-T6的NZ 區(qū)由于位錯誘導(dǎo)β″相析出，在相同的T6 熱處理工藝下獲得了比母材更高的抗拉強(qiáng)度。 T6-FSW 的NZ區(qū)抗拉強(qiáng)度相較FSW-T6 的NZ 區(qū)低20.5%，延伸率相較FSW-T6 高78.6%。

2.2.3 沖擊性能

沖擊試樣的缺口中心線與焊縫中心線重合，沖擊試樣長度方向垂直于焊接方向，因?yàn)闆_擊試樣的缺口位于NZ 下方，NZ 組織對接頭的沖擊性能起到了決定性作用。 T6-FSW 接頭與FSW-T6 接頭的沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。 可以看出，T6-FSW 接頭的沖擊吸收能量非常穩(wěn)定，平均值為12.10 J，比FSW-T6 接頭的平均沖擊吸收能量8.23 J 高47%。

表2 焊接接頭的沖擊吸收能量

圖6 為不同工藝下接頭沖擊斷口的SEM 圖像。T6-FSW 接頭的沖擊斷口存在大范圍的剪切唇區(qū)，表明沖擊時接頭變形較大，因此吸收了大量的塑性變形功，而FSW-T6 接頭的沖擊斷口較為平坦，幾乎沒有剪切唇區(qū)，接頭的變形程度遠(yuǎn)小于T6-FSW 接頭，韌性較差。

圖6 接頭沖擊斷口形貌

2.3 焊接組織對接頭力學(xué)性能的影響機(jī)制

從圖2 和圖3 可以看出，T6-FSW 接頭具有細(xì)小的晶粒，但在焊接過程熱效應(yīng)的影響下，β″相發(fā)生了溶解或轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致析出相密度顯著降低，尺寸嚴(yán)重粗化；而FSW-T6 接頭雖然具有高密度的細(xì)小β″相，但DRX 晶粒在T6 熱處理中發(fā)生了AGG。

細(xì)晶強(qiáng)化和析出相強(qiáng)化在A356 鋁合金中均為至關(guān)重要的強(qiáng)化機(jī)制。 根據(jù)霍爾-佩奇關(guān)系，晶粒尺寸越小，強(qiáng)度越高；根據(jù)析出相強(qiáng)化理論，共格與半共格析出相密度越大，間距越小，強(qiáng)度越高。 T6-FSW NZ 區(qū)的晶粒尺寸遠(yuǎn)小于FSW-T6 NZ 區(qū)的晶粒尺寸，但T6-FSW NZ 區(qū)的強(qiáng)度卻遠(yuǎn)小于FSW-T6 NZ 區(qū)的強(qiáng)度，說明析出相強(qiáng)化對強(qiáng)度的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)大于細(xì)晶強(qiáng)化。 然而，由于FSW-T6 NZ 區(qū)晶粒異常粗大，缺乏晶界的協(xié)調(diào)變形作用，塑性和韌性遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于T6-FSW NZ 區(qū)。

3 結(jié) 論

1） T6-FSW 接頭中，β″發(fā)生溶解或粗化，導(dǎo)致接頭強(qiáng)度嚴(yán)重下降，但NZ 區(qū)組織由細(xì)小的DRX 晶粒組成，具有極高的塑性和韌性。 接頭NZ 區(qū)、TMAZ 區(qū)和HAZ區(qū)的平均硬度為76HV0.5，橫向拉伸的抗拉強(qiáng)度和延伸率分別為214 MPa 和5.3%，NZ 區(qū)拉伸實(shí)驗(yàn)的抗拉強(qiáng)度和延伸率分別為236 MPa 和12.5%，接頭沖擊吸收能量為12.10 J。

2） FSW-T6 的NZ 區(qū)組織中，析出相在位錯誘導(dǎo)下析出β″相，導(dǎo)致NZ 擁有極高的強(qiáng)度，但AGG 導(dǎo)致NZ 的塑性和韌性較低。 NZ 區(qū)、TMAZ 區(qū)和HAZ 區(qū)的硬度與母材相當(dāng)，平均值為96HV0.5，橫向拉伸性能達(dá)到A356 母材水平，抗拉強(qiáng)度和延伸率分別為254 MPa和8.5%，NZ 區(qū)的抗拉強(qiáng)度和延伸率分別為297 MPa和7.0%，接頭沖擊吸收能量為8.23 J。