薛江平，黃東男，左壯壯，玄東坡，吳 南，孫 磊

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擠壓溫度對6005A鋁合金焊合區(qū)域顯微組織和力學(xué)性能的影響

薛江平，黃東男，左壯壯，玄東坡，吳 南，孫 磊

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，呼和浩特 010051)

針對分流模擠壓焊合部位的金屬在模具中難以取出進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了分析焊縫組織性能的簡易模具；采用電子背散射衍射分析(EBSD)和拉伸試驗(yàn)，研究擠壓溫度對6005A鋁合金擠壓焊合組織性能的影響。結(jié)果表明：擠壓溫度為500~580 ℃時，6005A鋁合金焊合組織的平均晶粒尺寸呈先減小后增大的趨勢；當(dāng)在擠壓溫度為540 ℃時，焊合組織平均晶粒尺寸最小，約為52 μm，且此時的晶粒尺寸均勻程度最佳。焊合組織中小角度晶界所占比例較多，且隨著擠壓溫度的提高，小角度晶界的相對頻率都保持在65%左右。焊合部位的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨著擠壓溫度的升高呈先上升后下降的趨勢；當(dāng)擠壓溫度為540 ℃時，焊合組織的力學(xué)性能最好，屈服強(qiáng)度為68.56 MPa，抗拉強(qiáng)度為119.87 MPa。

6005A鋁合金；分流模擠壓；擠壓溫度；焊合區(qū)域；顯微組織；力學(xué)性能

隨著航空航天、國防軍工、汽車船舶等高精尖技術(shù)領(lǐng)域?qū)︿X合金空心型材需求的增加，對其性能提出了嚴(yán)格的要求[1]。分流模擠壓是鋁合金空心型材和管材的主要加工方式，焊合是分流模擠壓過程中的最復(fù)雜過程[2?3]。在分流模擠壓過程中，金屬經(jīng)過分流孔分流后，在焊合室內(nèi)模橋下方經(jīng)歷了一個焊合過程，從而在型材橫斷面上留下焊縫[4]，其焊縫性能直接影響鋁型材的成形質(zhì)量[5?6]。因此，探求焊合區(qū)域微觀組織演變及焊縫質(zhì)量是分流模擠壓研究的熱點(diǎn)問題之一。

分流模擠壓是在高溫、高壓、高摩擦條件下，在幾乎密閉的空間(?？壮?里完成，由于其模腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，擠壓后保留在焊合室內(nèi)焊合部位的金屬無法完整取出，因此很難對其焊合部位的組織性能進(jìn)行研 究[7]。目前，通常采用數(shù)值模擬技術(shù)通過焊合室內(nèi)的靜水應(yīng)力大小來預(yù)測焊合質(zhì)量，認(rèn)為其靜水應(yīng)力高于擠壓溫度下屈服強(qiáng)度的5倍，可滿足焊合要求[8]。國內(nèi)北京有色金屬研究院和上海交通大學(xué)等[9?10]模擬分析了焊合室高度對靜水應(yīng)力的影響，預(yù)測了焊合質(zhì)量；BING?L等[11]研究了空心鋁型材擠壓力和靜水應(yīng)力對焊縫的質(zhì)量和形狀的影響。本文作者所在課題組[12?13]模擬分析了異形管材、復(fù)雜斷面空心鋁型材的焊合成形過程。近年來，隨著有限元數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展和塑性本構(gòu)方程的進(jìn)一步完善，人們試圖采用動態(tài)組織模擬的方法來預(yù)測分流模擠壓過程組織演變，但是因組織演變模型構(gòu)建過于復(fù)雜，尚未得到廣泛應(yīng)用。

為了揭示焊合區(qū)域的本質(zhì)特征，需要對焊合區(qū)域組織演變過程及焊縫的結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行研究。由于該過程類似于動態(tài)的固態(tài)壓力焊接過程，為此本文作者設(shè)計(jì)了略去分流過程和擠出過程，僅保留焊合室的簡化可拆分模具，研究了擠壓溫度為500~580 ℃時，焊合區(qū)域的顯微組織演變及焊縫的力學(xué)性能，為探索焊合機(jī)理提供理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 擠壓模具設(shè)計(jì)

圖1所示為本實(shí)驗(yàn)中所用擠壓模具結(jié)構(gòu)示意圖，模具材料選用H13模具鋼。由圖1可知，為了方便取坯料，將模具設(shè)計(jì)成兩個半圓形，并將兩個半圓形模具裝入一個套筒內(nèi)，半圓模具外圓斜度為5°，套筒內(nèi)圓也設(shè)計(jì)成斜度為5°，通過內(nèi)外模具斜度配合使兩個半圓模具受到壓力作用時會越壓越緊，從而避免擠壓過程中在兩半圓模具縫隙處產(chǎn)生飛邊。

圖1 擠壓模具結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 實(shí)驗(yàn)材料與方法

本實(shí)驗(yàn)中所采用的材料為6005A鋁合金，其化學(xué)成分如表1所示。實(shí)驗(yàn)采用試樣尺寸為21 mm×65 mm和21 mm×80 mm的圓柱坯。

表1 6005A鋁合金的化學(xué)成分

擠壓試驗(yàn)在立式擠壓機(jī)上進(jìn)行，擠壓速度為30 mm/min，擠壓溫度分別為500、520、540、560和580 ℃，冷卻方式為空冷。圖2所示為擠壓實(shí)驗(yàn)前后的坯料實(shí)物對比圖。

圖3所示為拉伸試樣尺寸及其EBSD試樣的切取位置示意圖。將擠壓焊合試樣從中間部位截取片狀件，加工成標(biāo)準(zhǔn)的拉伸試樣，在CMT?5105型電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行力學(xué)性能測試，拉伸速率為3 mm/min。在焊合區(qū)域切取EBSD試樣，將試樣經(jīng)機(jī)械研磨拋光后，在?20 ℃下使用5%HCLO4+95%C2H5OH(體積分?jǐn)?shù))電解液進(jìn)行電解拋光，電解電壓為30 V，之后利用配備HKL Channel 5 EBSD 系統(tǒng)的掃描電鏡對樣品進(jìn)行EBSD分析。

圖2 擠壓實(shí)驗(yàn)前后坯料形狀

圖3 拉伸試樣切取位置及尺寸示意圖

2 結(jié)果與分析

2.1 坯料原始組織形貌

擠壓前坯料原始的顯微組織形貌和晶粒尺寸分布如圖4所示。由圖4(a)可以看出，原始坯料的微觀組織為等軸晶；由圖4(b)可知，原始坯料的晶粒尺寸分布在5~385 μm之間，平均晶粒尺寸為85.36 μm。

2.2 擠壓溫度對焊合部位組織形貌的影響

圖5所示為不同擠壓溫度下焊合部位樣品的顯微組織形貌，圖中大角度晶界(＞15°)以粗線表示, 小角度晶界(2°~15°)以細(xì)線表示。綜合圖5(a)~(e)可知，擠壓焊合后樣品的顯微組織主要由等軸晶粒和沿焊縫方向的長條狀晶粒組成。其中長條狀晶粒在變形合金中很常見，是原始組織中粗大晶粒被拉長產(chǎn)生的，呈現(xiàn)變形組織的特征，其原因是變形量小或變形溫度低導(dǎo)致合金沒有足夠的變形儲能來觸發(fā)再結(jié)晶[14]。在晶粒內(nèi)部出現(xiàn)了較多亞晶界，這是因?yàn)殇X合金的層錯能高，晶粒發(fā)生了動態(tài)回復(fù)；在晶界邊界處有細(xì)小的等軸晶組織，說明合金在焊合過程發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶。當(dāng)擠壓溫度為500 ℃時，其顯微組織形貌與原始組織最為相似，主要以較大尺寸的等軸晶粒為主，但晶粒分布變得不均勻，在晶界處分散著少量細(xì)小的等軸晶粒。隨著擠壓溫度的升高，大尺寸等軸晶粒減少，沿焊縫方向被拉長的長條狀晶粒和細(xì)小的等軸晶組織逐漸增加，且在擠壓溫度為540 ℃時晶粒尺寸均勻化程度最好；但當(dāng)繼續(xù)升高擠壓溫度時，焊合區(qū)的晶粒尺寸又開始逐漸增大，小尺寸等軸晶粒數(shù)量逐漸減少，大尺寸等軸晶和沿焊縫方向的長條狀晶粒逐漸增多，其原因是由焊合區(qū)的高溫和靜水應(yīng)力的共同作用而形成的[15?16]。

圖4 原始坯料的顯微組織形貌和晶粒尺寸分布

圖5 不同擠壓溫度下焊合部位樣品的EBSD晶粒形貌圖

圖6所示為不同擠壓溫度下焊合試樣的晶粒尺寸分布圖。由圖6可知，與原始材料的晶粒相比，焊合后樣品的晶粒尺寸變小。當(dāng)擠壓溫度為500 ℃時，其晶粒尺寸主要分布在7.5~177.5 μm之間，其中20 μm以下的小尺寸晶粒所占比例較少，僅為9%，而100 μm以上的大尺寸晶粒所占比例較多，約為27%(見圖6(a))。當(dāng)擠壓溫度為520 ℃時，20 μm以下的小尺寸晶粒所占比例增加，100 μm以上的大尺寸晶粒所占比例減少(見圖6(b))。當(dāng)擠壓溫度為540 ℃時，20 μm以下的小尺寸晶粒所占比例繼續(xù)增加，100 μm以上的大尺寸晶粒所占比例繼續(xù)減少；此時20 μm以下的小尺寸晶粒所占比例約為23%，100 μm以上的大尺寸晶粒所占比例約為14%(見圖6(c))。當(dāng)擠壓溫度繼續(xù)升高時，20 μm以下的小尺寸晶粒所占比例開始逐漸減少，100 μm以上的大尺寸晶粒所占比例開始逐漸增加(見圖6(d)和(e))。圖7所示為原始坯料和焊合后樣品的平均晶粒尺寸變化，可以看出焊合后的平均晶粒尺寸明顯減小。當(dāng)擠壓溫度為500~580 ℃時，隨著擠壓溫度的升高，其平均晶粒尺寸先減小后增大；當(dāng)擠壓溫度為500 ℃時，平均晶粒尺寸最大，約為76 μm；在擠壓溫度為540 ℃時平均晶粒尺寸最小，約為52 μm，說明選擇合理的擠壓溫度可以控制晶粒的細(xì)化程度。

圖6 不同擠壓溫度下6005A鋁合金的晶粒直徑占樣品面積的分?jǐn)?shù)

圖8所示為不同擠壓溫度下樣品的晶界取向差分布圖，?的數(shù)值表明小角度晶界(2°~15°)占有的比例。綜合圖8(a)~(e)可知，在不同擠壓溫度下焊合后，樣品的顯微組織中小角度晶界所占比例較多。說明焊合后樣品的顯微組織中存在大量的形變組織，在晶粒內(nèi)形成大量的亞結(jié)構(gòu)。隨著擠壓溫度的升高，小角度晶界的相對頻率相差不大，都在65%左右。

圖7 原始材料和不同擠壓溫度下樣品的平均晶粒尺寸

圖8 不同擠壓溫度下的晶粒取向差分布

2.3 擠壓溫度對焊合部位力學(xué)性能的影響

不同擠壓溫度焊合后的6005A鋁合金室溫拉伸性能如表2所示，其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨擠壓溫度升高的變化規(guī)律如圖9所示。拉伸試驗(yàn)結(jié)果顯示，試樣的斷裂位置均發(fā)生在焊合面處，說明焊合面處的力學(xué)性能最差。結(jié)合表2與圖9可知，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度隨著擠壓溫度的升高呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。當(dāng)擠壓溫度為500 ℃時，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度最低，分別為44.23和57.44 MPa。隨著擠壓溫度的升高，合金強(qiáng)度也逐漸升高，當(dāng)擠壓溫度為540 ℃時，達(dá)到最高，屈服強(qiáng)度為68.56 MPa，抗拉強(qiáng)度為119.87 MPa，同時伸長率也達(dá)到最大值10.4%。隨著擠壓溫度的進(jìn)一步提高，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度開始下降，伸長率也逐漸降低。主要原因是隨著擠壓溫度的升高，焊合區(qū)顯微組織的晶粒細(xì)化效果越好，晶粒內(nèi)部位錯增多，而顯著的晶粒細(xì)化使合金晶界增多，阻礙了位錯的運(yùn)動，降低了位錯的可動性，從而提高了合金的強(qiáng)度；根據(jù)Hall-Petch關(guān)系式也可以說明隨著晶粒的細(xì)化其材料的強(qiáng)度提高[17]。但當(dāng)擠壓溫度繼續(xù)升高時，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度均開始逐漸下降。這與焊合區(qū)微觀組織的平均晶粒變化規(guī)律相同，進(jìn)一步說明了合金的強(qiáng)度與晶粒的細(xì)化程度有關(guān)。擠壓溫度升高，焊合樣品的平均晶粒尺寸變大，晶粒尺寸的不均勻性提高，導(dǎo)致晶粒間的變形協(xié)調(diào)性變差，在拉伸時裂紋容易形成而使材料強(qiáng)度降低[14]。

表2 6005A鋁合金不同溫度焊合后的室溫力學(xué)性能

圖9 擠壓溫度對6005A鋁合金屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的影響

3 結(jié)論

1) 在擠壓溫度為500~580 ℃時，隨著擠壓溫度的升高，其平均晶粒尺寸先減小后增大。當(dāng)擠壓溫度為500 ℃時，平均晶粒尺寸最大，約為76 μm。然后，隨著擠壓溫度的升高，其平均晶粒尺寸減小。當(dāng)擠壓溫度為540 ℃時，平均晶粒尺寸最小，約為52 μm，且此時的晶粒尺寸均勻程度最好。但當(dāng)繼續(xù)提高擠壓溫度時，平均晶粒尺寸開始逐漸增大。

2) 在不同擠壓溫度下焊合后，樣品的顯微組織中小角度晶界所占比例較多。且隨著擠壓溫度的升高，小角度晶界的相對頻率相差不大，都在65%左右。

3) 焊合部位鋁合金的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨著擠壓溫度的升高呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。當(dāng)擠壓溫度為540 ℃時，力學(xué)性能最好，屈服強(qiáng)度為68.56 MPa，抗拉強(qiáng)度為119.87 MPa。

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Influence of extrusion temperature on microstructure and mechanical properties of welding zone of 6005A aluminum alloy

XUE Jiang-ping, HUANG Dong-nan, ZUO Zhuang-zhuang, XUAN Dong-po, WU Nan, SUN Lei

(School of Materials Science and Engineering, Inner Mongolia University of Technology, Hohhot 010051, China)

A new die was designed to solve the problem that the alloy was difficult to be taken out when it was welded by porthole die extrusion. The effect of the extrusion temperature on microstructure and mechanical properties of 6005A aluminum alloy was studied by electron backscattered diffraction (EBSD), combined with the mechanical tensile properties test. The results show that the average grain size of the welding zone will be reduced at first and then improved when the extrusion temperature is in the range of 500?580 ℃, the average grain size is the smallest of about 52 μm and the uniformity is the best at 540 ℃. The percentage of the low angle boundaries of welding zone is the highest and the relative frequency of low angle boundaries keeps at 65% with the rise of extrusion temperature. The tensile strength and yield strength of the welding zone will be improved at first and then reduced with the increase of extrusion temperature. And the mechanical property of 6005A aluminum alloy is the best at 540 ℃, the yield strength and tensile strength are 68.56 MPa and 119.87 MPa, respectively.

6005A aluminum alloy; porthole die extrusion; extrusion temperature; welding zone; microstructure; mechanical property

Project(51364027) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (10381007) supported by the Middle and Young Aged Academic Key Project of Inner Mongolia University of Technology, China

2017-05-23;

2017-07-20

HUANG Dong-nan; Tel: +86-471-6577257; E-mail: dongnan_huang@163.com

10.19476/j.ysxb.1004.0609.2018.07.03

1004-0609(2018)-07-1291-08

TG379

A

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51364027)；內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)中青年學(xué)術(shù)骨干項(xiàng)目(10381007)

2017-05-23；

2017-07-20

黃東男，教授，博士；電話：0471-6577257；E-mail：dongnan_huang@163.com

(編輯 龍懷中)