6005A-T6铝合金搅拌摩擦焊接头组织与力学性能特征.pdf

６００５Ａ－Ｔ６铝合金搅拌摩擦焊接头组织与力学性能特征２７—６００５ＡＴ６铝合金搅拌摩擦焊接头组织与力学性能特征ＭｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒａｌａｎｄＭｅｃｈａｎｉｃａｌＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ—ｏｆＦｒｉｃｔｉｏｎＳｔｉｒＷｅｌｄｅｄ６ＯＯ５ＡＴ６ＡｌｕｍｉｎｉｕｍＡｌｌｏｙ董鹏，孙大干，李洪梅，宫文彪，刘杰（１吉林大学材料科学与工程学院，长春１３００２５；２长春轨道客车股份有限公司，长春１３００６２）—ＤＯＮＧｅｎｇ，ＳＵＮＤａ－ｑｉａｎ，ＬＩＨｏｎｇｍｅｉ，ＧＯＮＧＷｅｎ－ｂｉａｏ，ＬＩＵＪｉｅ（１ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＪｉｌｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ１３００２５，Ｃｈｉｎａ；２ＣｈａｎｇｃｈｕｎＲａｉｌｗａｙＶｅｈｉｃｌｅｓＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎｌ３００６２，Ｃｈｉｎａ）摘要：采用光学显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、拉伸实验机和显微硬度计对６００５Ａ铝合金搅拌摩擦焊接头的微观组织及力学性能进行了研究。结果表明：焊核区为细小的等轴晶，几乎所有粒子溶于基体；热机械影响区呈现为被拉长的畸变晶粒，且存在大量的位错；热影响区的组织明显粗化，处于过时效状态。与母材相比，搅拌摩擦焊接头的强度及伸长率均有下降趋势，且接头出现软化，最小硬度值出现在前进侧的热影响区内。搅拌头旋转速率为１２００ｒ／ｍｉｎ、焊接速率为２００ｍｍ／ｍｉｎ时可获得优质接头，抗拉强度达到母材强度的７２，伸长率达到母材的６９。关键词：６００５Ａ铝合金；搅拌摩擦焊；微观组织；显微硬度；拉伸性能中图分类号：ＴＧ４０文献标识码：Ａ——文章编号：１００１－４３８１（２０１２）０４００２７０５Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒａ１ａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａ１ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｆｒｉｃｔｉｏｎｓｔｉｒｗｅｌｄｅｄ６００５Ａａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｗｅｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄｂｙｍｅａｎｓｏｆｏｐｔｉｃａｌｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ，ｓｃａｎｎｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏｎｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ（ＳＥＭ），ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｅｌｅｃｔｒｏｎｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ（ＴＥＭ），ｔｅｎｓｉｌｅｔｅｓｔｍａｃｈｉｎｅａｎｄＶｉｃｋｅｒｓｈａｒｄｎｅｓｓｔｅｓｔｅｒ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔ—ｔｈｅｎｕｇｇｅｔｚｏｎｅ（ＮＺ），ｔｈｅｒｍｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｌｙａｆｆｅｃｔｅｄｚｏｎｅ（ＴＭＡＺ）ａｎｄｈｅａｔａｆｆｅｃｔｅｄｚｏｎｅ（ＨＡＺ）ａｒｅ—ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄｂｙａｆｉｎｅｅｑｕｉａｘｅｄ，ｅｌｏｎｇａｔｅｄａｎｄｃｏａｒｓｅｇｒａｉｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ａｌｌｔｈｅｐｒｅｃｉｐｉ—ｔａｔｅｓｄｉｓｓｏｌｖｅｄｉｎｔｈｅＮＺ，ａｎｄｔｈｅＴＭＡＺｃｏｎｔａｉｎｓｈｉｇｈｄｅｎｓｉｔｙｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ．ａｎｄｔｈｅＨＡＺｓｈｏｗｓｏｖｅｒａｇｅｄｓｔａｔｅ．Ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅｂａｓｅｍｅｔａｌ，ｔｈｅＦＳＷｊｏｉｎｔｈａｓａｒｅｄｕｃｔｉｏｎｉｎｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｅｌｏｎｇａｔｉｏｎ，ａｎｄｔｈｅｒｅｉｓａｄｉｓｔｉｎｃｔｌｙｓｏｆｔｅｎｒｅｇｉｏｎｗｈｅｒｅｔｈｅｍｉｎｉｍｕｍｈａｒｄｎｅｓｓｖａｌｕｅｌｏｃａｔｅｄｉｎＨＡＺｏｆａｄｖａｎｃｉｎｇｓｉｄｅ．Ａｔｔｈｅｏｐｔｉｍｕｍｗｅｌｄｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓ（ｒｏｔａｔｉｏｎｓｐｅｅｄｏｆ１２００ｒ／ｍｉｎａｎｄｗｅｌｄｉｎｇｓｐｅｅｄｏｆ２００ｍｍ／ｒａｉｎ），ｔｈｅｔｅｎｓｉｌｅｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｅｌｏｎｇａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＦＳＷｊｏｉｎｔａｒｅｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｔｏ７２ａｎｄ６９ｏｆｔｈｏｓｅｏｆｔｈｅｂａｓｅｍｅｔａｌ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：６００５Ａａｌｕｍｉｎｉｕｍａｌｌｏｙ；ｆｒｉｃｔｉｏｎｓｔｉｒｗｅｌｄｉｎｇ（ＦＳＷ）；ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｍｉｃｒｏｈａｒｄｎｅｓｓ；ｔｅｎｓｉｌｅｐｒｏｐｅｒｔｙ铝合金具有大的比强度、高的塑性、良好的耐腐蚀性能以及优良的机械加工性能。６００５Ａ铝合金在具有上述优点之外，还具有较好的挤压性能，是大型铝型材的主要选择材料之一。目前，轨道车辆，特别是高速列车、地铁列车、双层客车和轻轨列车等现代化车辆，多采用６００５Ａ铝合金的整体组焊结构＿１］。使用传统熔化焊工艺焊接铝合金时，主要出现的焊接性问题有：焊缝中的气孔、焊接热裂纹、焊接接头与母材的等强性等。此外，铝合金的线胀系数大、导热性强，焊接时容易产生翘曲变形。这些问题与铝合金的物理性质有关，因此很难得到根本的解决＿２］。搅拌摩擦焊（ＦｒｉｃｔｉｏｎＳｔｉｒＷｅｌｄｉｎｇ，ＦＳＷ）被证明是解决铝合金焊接问题较为有效的方法。由于焊接过程中不需要填充材料且焊接温度低于母材的熔点，因此一定程度上避免了气孔、裂纹、偏析、变形等熔化焊常见的焊接性问题＿３］。除此之外，搅拌摩擦焊还具有高的焊接效率，尤其对于长焊缝的焊接。对于铝合金的ＦＳＷ研究已有很多，但主要集中在２０００系及７０００系这些传统熔化焊焊接较为棘手的铝合金上＿３］，对轨道车辆用６００５Ａ铝合金ＦＳＷ的研究相对较少。本—６００５ＡＴ６铝合金搅拌摩擦焊接头组织与力学性能特征３１合金ＦＳＷ接头的抗拉强度最高可达到母材的７２，屈服强度可达到母材的７Ｏ％，伸长率可达到母材的６９％。即便如此，也较使用传统熔化焊得到的铝合金接头的力学性能要高。２００１８Ｏｌ６０１４０１２Ｏ１Ｏ０８００１０Ｏ２００３００４００５００６００７００８００９００’Ｗｅｌｄｉｎｇｓｐｅｅｄ／（ｍｉｌｌｍｉｎ－）图５不同焊接速率下接头的拉伸性能Ｆｉｇ．５ＴｅｎｓｉｌｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＦＳＷｐｒｏｄｕｃｅｄｄｉｆｆｅｒｅｎｔｗｅｌｄｉｎｇｓｐｅｅｄｓ焊接速率对接头拉伸性能的影响主要与接头有无缺陷有关。当接头不出现缺陷（一２００～４００ｍｍ／ｒａｉｎ）时（图３（ｂ），３（ｃ）），接头的拉伸性能相差不大。当采用的焊接速率过大或是过小，接头均会产生隧道或者孔洞缺陷（图３（ａ），３（ｄ），３（ｅ）），这些接头中存在的不连续缺陷会造成应力集中、有效承载面积下降，从而导致其拉伸性能下降，尤其是伸长率。因此，选用合适的焊接参数是消除接头中的不连续缺陷，改善接头质量的重要途径。３结论—（１）基于微观组织的不同，６００５ＡＴ６铝合金ＦＳＷ接头可分为焊核区、热机械影响区、热影响区及母材区，焊核区的组织为细小的等轴晶，其中的第二相粒子几乎完全溶于基体；热机械影响区的晶粒被拉长并具有一定的方向性，存在高密度的位错；热影响区中的晶粒明显粗化，析出Ｉ３相。（２）６００５Ａ铝合金ＦＳＷ接头出现软化，显微硬度曲线近似为ｗ形，硬度最小值出现在前进侧的ＨＡＺ位置。（３）焊接速率对ＦＳＷ接头力学性能有着显著的影响，在搅拌头转速为１２００ｒ／ｒａｉｎ、焊接速率为２００ｍｍ／ｍｉｎ下得到了表面美观、内部无缺陷、力学性能良好的ＦＳＷ接头，接头抗拉强度为母材的７２，伸长率可达到母材的６９。参考文献［１］刘静安．轨道车辆用大型铝合金型材的开发评估及挤压工艺特点—口］．四川１有色金属，２００１，（１）：１６２１．［２］周振丰．焊接冶金学（金属焊接性）［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９９６．１２５１３５．［３］ＭＩＳＨＲＡＲＳ，ＭＡｚＹ．Ｆｒｉｃｔｉｏｎｓｔｉｒｗｅｌｄｉｎｇａｎｄｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ—［Ｊ］．ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＲ，２００５，５０（卜一２）：１７８．Ｅ４］ＩＩＢ，ＳＨＥＮＹＦ，ＨＵｗＹ．Ｔｈｅｓｔｕｄｙｏｎｄｅｆｅｃｔｓｉｎａｌｕｍｉｎｕｍ—２２ｌ９一Ｔ６ｔｈｉｃｋｂｕｔｔｆｒｉｃｔｉｏｎｓｔｉｒｗｅｌｄｓｗｉｔｈｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｍｕｌ—ｔｉｐｌｅｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅｔｅｓｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓ［Ｊ］．ＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＤｅｓｉｇｎ，２０１１，３２（４）：２０７３２０８４．［５］ＧＥＮＥＶＯＩＳＣ，ＤＥＳＣＨＡＭＰＳＡ，ＶＡＣＨＥＲＰ．Ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅｓｔｕｄｙｏｎｌｏｃａｌａｎｄｇｌｏｂａｌｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆ２０２４Ｔ３５１，２０２４Ｔ６ａｎｄ５２５１Ｏｆｒｉｃｔｉｏｎｓｔｉｒｗｅｌｄｓ［Ｊ］．ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄ——ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＡ，２００６，４１５（１２）：１６２１７Ｏ．［６］ＧＡＡＦＥＲＡＭ，ＭＡＨＭＯＵＤＴＳ，ＭＡＮＳＯＵＲＥＨ．ＭｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒａｌａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＡＡ７０２０一ＯＡ１ｐｌａｔｅｓ—Ｊｏｉｎｅｄｈｙｆｒｉｃｔｉｏｎｓｔｉｒｗｅｌｄｉｎｇ［Ｊ］．ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉ—ｎｅｅｒｉｎｇＡ，２０１０，５２７（２７２８）：７４２４７４２９．Ｅ７］ＺＡＮＤＢＥＲＧＥＮＨＷ，ＡＮＤＥＲＳＥＮＳＪ，ＪＡＮＳＥＮＪ．Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ—ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｏｆＭｇ５Ｓｉ６ｐａｒｔｉｃｌｅｓｉｎＡＩｂｙｄｙｎａｍｉｃｅｌｅｃｔｒｏｎｄｉｆ—ｆｒａｃｔｉｏｎｓｔｕｄｉｅｓ［Ｊ］．Ｓｃｉｅｎｃｅ，１９９７，２７７（５３３０）：１２２１１２２５．［８］杨文超，汪明朴，盛晓菲，等．轨道交通车辆用６００５Ａ合金板材时效析出及硬化行为研究［Ｊ］．金属学报，２０１０，４６（１２）：１４８ｌ一１４８７．［９］ＦＲＩＧＡＡＲＤＡＥ，ＧＲＯＮＧＡＥ，ＭＩＤＬＩＮＧＯＴ．Ａｐｒｏｃｅｓｓｍｏｄｅｌ—ｆｏｒｓｔｉｒｗｅｌｄｉｎｇｏｆａｇｅｈａｒｄｅｎｉｎｇａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙｓ［Ｊ］．ＭｅｔａｌｌｕｒｇｉｅａｌａｎｄＭａｔｅｒｉａｌｓＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓＡ，２００１，３２（５）：１１８ｇ１２Ｏ０．—［１Ｏ］ＳＡＴ（）ＹＳ，ＫＯＫＡＷＡＨ，ＥＮＯＭＯＴＯＭ，ｅｔａ１．Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｅｖｏｌｕｔｉｏｎｏｆ６０６３ａｌｕｍｉｎｕｍｄｕｒｉｎｇｆｒｉｃｔｉｏｎｓｔｉｒｗｅｌｄｉｎｇ［Ｊ１ＭｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａｌａｎｄＭａｔｅｒｉａｌｓＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓＡ，１９９９，３０（９）：２４２９２４３７．—［１１］ＩＥＥＷＢ，ＹＥ０ＮＹＭ，ＪＵＮＧＳＢ．Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｆｒｉｃｔｉｏｎｓｔｉｒｗｅｌｄｅｄ６００５ａｌｕｍｉｎｕｍａｌｌｏｙ［Ｊ］．ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００３，１９（１１）：１５１３一ｌ５ｌ８．［１２］ＢＩＲＯＬＹ．ＤＳＣａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎｒｅａｃｔｉｏｎｉｎＡＡ６００５ａｌｌｏｙ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＴｈｅｒｍａｌＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＣａｌｏｒｉｍｅｔｒｙ，２００８，—９３（３）：９７７９８１．—［１３］ＷＡＤＥＭ，ＲＥＹＮＯＬＤＳＡＰ．Ｆｒｉｃｔｉｏｎｓｔｉｒｗｅｌｄｎｕｇｇｅｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅａｓｙｍｍｅｔｒｙ［Ｊ］．ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＷｅｌｄｉｎｇａｎｄ—Ｊｏｉｎｉｎｇ。２Ｏｌ０，１５（１）：６４６９．基金项目：吉林省科技发展计划资助项目（２０１００３６２）——收稿日期：２０１１－０８１４；修订日期：２０１２０Ｉ－０５作者简介：董鹏（１９８７一），男，博士研究生，从事搅拌摩擦焊技术方面研究工作。通讯作者：李洪梅，女，工程师，主要从事先进材料连接的研究，联系地址：吉林省长春市人民大街５９８８号吉林大学南岭校区材料学院（１３００２５），Ｅ～ｍａｉｌ：ｌｉｈｏｎｇｍｅｉ＠ｊｌｕ．ｅｄｕ．ｅｎ—口０一｜０一∞∞对＾Ｈ＼ＩＩＩ１扫们一０一鲁ＩＩｐ一一Ｉ１