何孟新

（浙江交通技師學(xué)院，浙江 金華 321015）

0 前言

對于鋁合金這類熔點較低的輕合金，采用傳統(tǒng)熔化焊極易產(chǎn)生氣孔、孔洞、熱裂紋、大變形等缺陷。固相連接是一種有別于傳統(tǒng)熔化焊的焊接方法，它是在不達(dá)到母材熔點的情況下，在母材還處于固態(tài)時進(jìn)行焊接的工藝方法[1]。復(fù)合攪拌摩擦焊接作為一種新型的固相連接工藝，備受業(yè)界的關(guān)注，學(xué)者們進(jìn)行了激光輔助攪拌摩擦焊、載流攪拌摩擦焊、水下攪拌摩擦焊等復(fù)合攪拌摩擦焊的研究[2-4]。本研究嘗試采用空氣冷卻攪拌摩擦焊的新型固相連接工藝，進(jìn)行汽車懸架用6063-T5鋁合金的連接工藝研究，并分析接頭的顯微組織、表面硬度、力學(xué)性能和耐腐蝕性能。

1 試驗材料和方法

1.1 試樣材料

焊接母材為懸架用6063-T5鋁合金，板材尺寸400 mm×100 mm×4 mm。采用EDX1800C 型 X射線熒光光譜儀分析母材化學(xué)成分的結(jié)果如表1所示。6063-T5鋁合金的室溫力學(xué)性能如表2所示。

表1 6063-T5鋁合金化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of 6063-T5 aluminum alloy %

表2 6063-T5鋁合金室溫力學(xué)性能Tab.2 Mechanical performance of 6063-T5 aluminum alloy

1.2 試驗方法

采用單面對接焊方式，在自制的攪拌摩擦焊機(jī)上進(jìn)行汽車懸架用6063-T5鋁合金的空氣冷卻攪拌摩擦焊的新型固相連接工藝試驗。攪拌針為粗螺旋形，針長3.8 mm；軸肩為內(nèi)凹型軸肩，軸肩直徑10 mm?？諝饫鋮s攪拌摩擦焊的工作原理如圖1所示。汽車懸架用6063-T5鋁合金的新型固相連接工藝過程如圖2所示。各試樣的工藝參數(shù)如表3所示。攪拌頭提升和下降速度均為10 mm/min，攪拌頭插入和回抽的停留時間均為5 s，攪拌頭傾角2°。

圖1 空氣冷卻攪拌摩擦焊工作原理Fig.1 Working principle of air cooling friction stir welding

采用PX-15型金相顯微鏡觀察焊接接頭組織；硬度測試采用HVS-1000Z型顯微硬度計；室溫力學(xué)性能測試采用HY-932型拉伸試驗機(jī)，并采用SEM6510型掃描電子顯微鏡進(jìn)行斷口觀察；室溫耐腐蝕性能測試采用LK98B型微機(jī)電化學(xué)分析系統(tǒng)，以5%氯化鈉溶液作為電解液、掃描速度0.001 V/s、掃描范圍-0.4~-0.9 V，測試體系以鉑黑電極作輔助電極、甘汞電極作參比電極、接頭試樣制備電極作工作電極，為了有效去除試樣表面的氧化物，測試前在-1.0 V恒電位下極化3 min，并采用PX15型金相顯微鏡觀察試樣腐蝕后的表面。

圖2 6063-T5鋁合金新型固相連接工藝流程Fig.2 New solid-phase connecting process of 6063-T5 aluminum alloy

表3 工藝參數(shù)Tab.3 Process parameters

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 顯微組織

采用本研究工藝獲得的焊接接頭顯微組織與常規(guī)攪拌摩擦焊接頭類似，也是由四個不同區(qū)域組成，即焊核區(qū)（NuggetZone，NZ）、熱機(jī)影響區(qū)（Thermalmechanical-affected Zone，TMAZ）、熱影響區(qū)（Heataffected Zone，HAZ）和母材區(qū)（Base Material，BM）。不同工藝參數(shù)下獲得的焊接接頭NZ區(qū)平均晶粒尺寸如圖3所示。由圖3可知，采用不同的工藝參數(shù)，汽車懸架用6063-T5鋁合金焊接接頭NZ區(qū)域的平均晶粒尺寸不同，隨著空氣流量從100mL/min增加至500mL/min，NZ區(qū)域的平均晶粒尺寸先減小后增大；隨著攪拌速度從1 050 r/min增加至1 450 r/min，NZ區(qū)域的平均晶粒尺寸也呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢。這是因為在NZ區(qū)，6063-T5鋁合金同時承受劇烈的機(jī)械力作用和溫度循環(huán)作用，該區(qū)域晶粒發(fā)生顯著的動態(tài)再結(jié)晶[5]。空氣流量過小，攪拌摩擦焊過程中起不到空氣冷卻的作用；相反的，空氣流量過大，焊接過程中材料的冷卻太快，材料難以達(dá)到理想的熱塑化狀態(tài)，從而難以有效地動態(tài)再結(jié)晶，晶粒尺寸反而增大。攪拌速度過低，材料的動態(tài)再結(jié)晶所需的能量不足，材料難以發(fā)生顯著的動態(tài)再結(jié)晶，晶粒無法足夠的細(xì)化；攪拌速度過快，材料承受的溫度循環(huán)作用過大，晶粒尺寸反而增大[6]。

圖4為采用旋轉(zhuǎn)速度為1250 r/min、空氣流量為300 mL/min的試樣四個區(qū)域的顯微組織。由圖4可知，與BM相比，NZ區(qū)晶粒由于發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶而顯著細(xì)化；TMAZ區(qū)晶粒由于承受的機(jī)械力和溫度循環(huán)作用較NZ區(qū)弱，一部分晶粒得到細(xì)化，一部分晶粒發(fā)生變形成長條狀；HAZ區(qū)晶粒由于只承受溫度循環(huán)作用而使晶粒未發(fā)生明顯的形狀變化，僅僅是較母材增大。

圖3 接頭NZ區(qū)平均晶粒尺寸Fig.3 Average grain size of the joint NZ zone

圖4 接頭各區(qū)域的顯微組織Fig.4 Microstructure of each joint region

2.2 硬度分布

采用本研究工藝，以不同工藝參數(shù)獲得的6063-T5鋁合金焊接接頭的硬度分布情況如圖5所示。由圖5可知，不同的工藝參數(shù)條件下，合金接頭的硬度分布規(guī)律基本相同，接頭硬度均呈現(xiàn)出“W”型分布，硬度最低值均出現(xiàn)在前進(jìn)側(cè)HAZ區(qū)，硬度最高值均出現(xiàn)在NZ區(qū)中心位置處。各工藝參數(shù)下的接頭硬度最低值在54~57 HV之間，差異較??；各工藝參數(shù)下的接頭硬度最高值在67~72 HV，差異也較小。

2.3 力學(xué)性能

不同工藝參數(shù)下獲得的焊接接頭的力學(xué)性能測試結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，采用不同的工藝參數(shù)，汽車懸架用6063-T5鋁合金焊接接頭的力學(xué)性能差異較大。隨著空氣流量從100 mL/min增加至500 mL/min，接頭的抗拉強(qiáng)度和接頭效率（即接頭抗拉強(qiáng)度與母材抗拉強(qiáng)度的百分比）呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢；隨著攪拌速度從1050r/min增加至1450r/min，接頭的抗拉強(qiáng)度和接頭效率也表現(xiàn)為先增大后減小。這是因為空氣流量從100mL/min增加至500 mL/min或攪拌速度從1 050 r/min增加至1450 r/min，接頭NZ區(qū)平均晶粒尺寸先減小后增大。在該試驗條件下，接頭抗拉強(qiáng)度和接頭效率最高的是旋轉(zhuǎn)速度為1250 r/min、空氣流量為300 mL/min的試樣4，其抗拉強(qiáng)度為179 MPa，接頭效率達(dá)98%。圖7為試樣4接頭的拉伸斷口SEM照片。由圖4可知，6063-T5鋁合金的室溫拉伸斷口由較多細(xì)小的韌窩和少量的解理臺階組成，呈現(xiàn)出較為明顯的韌性斷裂與脆性斷裂的混合斷裂特征。

圖5 接頭的硬度分布Fig.5 Distribution of joint hardness

圖6 接頭力學(xué)性能測試結(jié)果Fig.6 Test results of the mechanical properties of the joints

2.4 耐腐蝕性能

不同工藝參數(shù)下獲得的焊接接頭的耐腐蝕性能測試結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，采用不同的工藝參數(shù)，汽車懸架用6063-T5鋁合金焊接接頭的腐蝕電位不同。隨著空氣流量從100 mL/min增加至500mL/min，接頭的腐蝕電位呈現(xiàn)出先正移后負(fù)移的變化趨勢；隨攪拌速度從1 050 r/min增加至1 450 r/min，接頭的腐蝕電位也先正移后負(fù)移。眾所周知，腐蝕電位愈正材料的耐腐蝕性能越強(qiáng)，反之，腐蝕電位愈負(fù)材料的耐腐蝕性能越差。

圖7 試樣4接頭拉伸斷口形貌SEM照片F(xiàn)ig.7 SEM images of the joint tensile fracture for sample 4

圖8 試樣耐腐蝕性能測試結(jié)果Fig.8 Test results of the sample corrosion properties

3 結(jié)論

（1）采用空氣冷卻攪拌摩擦焊的新型固相連接工藝，可以獲得較好質(zhì)量的汽車懸架用6063-T5鋁合金焊接接頭。采用旋轉(zhuǎn)速度為1 250r/min、空氣流量為300 mL/min時，接頭抗拉強(qiáng)度為179 MPa，接頭效率達(dá)98%。

（2）隨空氣流量從100mL/min增加至500mL/min或攪拌速度從1 050 r/min增加至1 450 r/min，汽車懸架用6063-T5鋁合金空氣冷卻攪拌摩擦焊接頭NZ區(qū)平均晶粒尺寸先減小后增大，接頭抗拉強(qiáng)度和接頭效率先增大后減小，接頭腐蝕電位先正移后負(fù)移。

（3）隨空氣流量從100mL/min增加至500mL/min或攪拌速度從1 050 r/min增加至1 450 r/min，該汽車懸架用6063-T5鋁合金空氣冷卻攪拌摩擦焊接頭的硬度分布規(guī)律相同，均呈現(xiàn)出“W”型分布，硬度最低值均出現(xiàn)在前進(jìn)側(cè)HAZ區(qū)，硬度最高值均出現(xiàn)在NZ區(qū)中心位置處；接頭硬度最低值為54~57 HV、最高值為67~72 HV。

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