有色金属材料与工程  2020, Vol. 41 Issue (4): 32-38    DOI: 10.13258/j.cnki.nmme.2020.04.005   PDF    
铝合金氧化膜厚度对搅拌摩擦焊接接头组织和性能的影响
鄂英凯, 孙巍, 康铭, 徐玉君, 田春雨, 金文福, 张春旭    
辽宁忠旺集团有限公司,辽宁 辽阳 111003
摘要:对表面氧化膜厚度不同的6005A-T4铝合金挤压板材进行搅拌摩擦焊接,观察接头宏观形貌、显微组织,并测试拉伸力学性能,研究氧化膜厚度对焊接后接头组织和力学性能的影响。试验结果表明:在搅拌头转速1 200 r·min−1和焊速750 mm·min−1时,可获得质量良好的接头;通过表面处理改变母材焊接前氧化膜厚度,由自然状态下5 μm增至30 μm,可使焊接接头抗拉强度由194.9 MPa下降至177.1 MPa,接头强度系数由82.56%下降到72.38%,说明氧化膜厚度对接头强度有极大影响;通过对接头处断口进行扫描电子显微镜和能谱分析,确定S曲线中“黑色物质”主要成分为Al2O3,而且大量氧化物颗粒形成的弱连接是导致接头抗拉强度下降的主要原因。
关键词6005A-T4铝合金    搅拌摩擦焊    S曲线    机械性能    
Effect of the Thickness of Aluminum Alloy Oxide Film on the Microstructure and Properties of Friction Stir Welded Joint
E Yingkai, SUN Wei, KANG Ming, XU Yujun, TIAN Chunyu, JIN Wenfu, ZHANG Chunxu    
Liaoning Zhongwang Group Co., Ltd., Liaoyang 111003, China
Abstract: Friction stir welding (FSW) was carried out on 6005A-T4 aluminum alloy extruded plates with different surface oxide thickness. The macro-morphology and microstructure of the joint were observed, the tensile mechanical properties were tested, and the effect of oxide layer thickness on the microstructure and mechanical properties of the welded joint was studied. The test results show that the joint with good quality is obtained when the speed of stirring head is 1 200 rpm and welding speed is 750 mm·min−1. By surface treatment, the thickness of oxide layer before welding is increased from 5 μm to 30 μm, the tensile strength of welded joint is decreased from 194.9 MPa to 177.1 MPa, and the strength coefficient of joint is reduced from 82.56% to 72.38%, which indicates that the thickness of oxide layer shows great influence on the strength of joint. The main component of "black substance" in S curve is determined to be Al2O3 by the scanning electron microscopy observation and energy spectrum analysis on the fracture surface. The main reason for the decrease of tensile strength is the weak connection caused by many oxide particles.
Key words: 6005A-T4 aluminum alloy    friction stir welding    S curve    mechanical properties    

6005A 铝合金作为一种典型的可热处理强化铝镁硅合金,具有密度低且强度可观、易于加工、焊接适应性良好,耐腐蚀性好的特点[1-2],近年来在我国高速列车、城轨车体生产制造中大量使用[3-4]。搅拌摩擦焊(friction stir welding,FSW)作为一种新型固相压力连接技术,能够较好的解决熔焊接头中出现的气孔、热裂纹等缺陷[5-7]。这对于铝合金焊接有着极大优势,现已在航空、轨道、新能源汽车等领域得到了广泛应用。

但在实际焊接过程中发现6005A铝合金容易在接头横截面出现呈S状的黑色曲线,研究者称之为“S曲线”的缺陷。贺地求等[8]认为6063-T5铝合金S曲线的形成主要是由于焊缝对接面存在空气,铝在焊接过程中被氧化而形成致密的氧化膜。姬书得等[9]发现5383铝合金FSW接头中出现的S曲线会大大降低接头的耐腐蚀性,腐蚀最严重的区域是S曲线,而除S曲线及其附近区域之外的焊核区的耐腐蚀性优于母材的。王卫兵等[10]通过模拟与实际相结合得出,增大搅拌头螺纹深度可以促进金属流动,从而控制S曲线形成。吴坚定等[11]结合S曲线的形貌分析提出,产生S曲线的原因可能是FSW过程中生成的氧化物与型材存放过程中生成的氧化物集合,在焊缝处塑化金属的塑性流动过程中在搅拌力的作用下聚集而形成的。李帅贞等[12]认为焊接前清理可以改善接头组织,并且可以减弱S曲线,有利于提高接头力学性能。此外,也有学者指出焊接前清理母材氧化膜,在焊接过程中对焊缝施加氩气保护可以有效消除S曲线。

本研究分别对5组母材厚度相同但表面氧化状态、氧化膜厚度不同的6005A-T4铝合金进行焊接,并对焊接后接头的组织与性能进行对比研究,以便为6005A铝合金FSW的工业生产应用提供一定的应用依据。

1 试验材料与方法

试验材料为6005A-T4铝合金挤压板材,尺寸为300.0 mm×150.0 mm×3.0 mm,母材合金成分实测含量见表1。为确保试验数据准确,对每组母材均制备标准力学试样,其力学性能与焊接前母材状态见表2,焊接方法为FSW。

表 1 6005A-T4铝合金化学成分(质量分数/%) Tab. 1 Chemical compositions of the 6005A-T4 aluminum alloy (mass fraction /%)

表 2 试验材料 Tab. 2 Test materials

使用AEE定龙门搅拌摩擦焊机,采用恒位移控制方式,搅拌头逆时针方向旋转。焊接时使用AEE制造搅拌头,搅拌针为右旋螺纹,轴肩为微内凹无沟槽式。搅拌头轴肩直径12.0 mm,搅拌针长3.0 mm,焊接工艺参数见表3

表 3 焊接工艺参数 Tab. 3 Welding process parameters

采用蔡司光学显微镜观察接头宏观与微观组织;按照GB/T 2651—2008,使用岛津AG-X 100KNH型电子万能试验机进行拉伸试验,焊缝位于拉伸试样中心,每组测试3个力学试样,取其平均值作为试验结果;使用扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)对试样S曲线处组织与断口形貌进行观测,并对断口表面的元素成分作能谱分析(energy spectrum analysis,EDS)。

2 试验结果及分析 2.1 焊接接头处组织图

图1为FSW接头处组织。由图1可见,焊缝为典型FSW接头,整体焊缝形状呈“碗状”,由焊缝中央的焊核区、围绕焊核区的热机影响区、热机影响区外侧的热影响区和母材4个区域组成。

图 1 焊接接头的显微组织 Fig. 1 Microstructures of the weld joints

5组金相试样S曲线形状、走向基本相似,由前进侧开始,延伸经过焊核区最终到达后退侧焊缝底部,贯穿整个焊缝。焊接过程中大部分前进侧金属受到搅拌针作用,形成焊缝下部;而后退侧金属则被轴肩裹挟着覆盖于焊缝上部。

图1(a)(b)可以看出无论焊接前是否打磨,焊接后接头中均出现了S曲线,线条连续而细小;对比图1(c)(d)(e)可见,当母材表面氧化膜厚度逐渐增加时,S曲线逐渐变粗,在焊缝中的散布区域面积增大。

图26分别为5组6005A-T4焊接接头低倍显微组织。可以看出细小的黑色第二相粒子(Mg2Si)均匀分布于焊缝中。由于搅拌头轴肩与搅拌针过渡区域在焊接过程中金属流动方式十分复杂,导致轴肩影响区的S曲线形貌十分复杂,被多次折叠弯曲,整体形貌呈“锯齿状”。

图 2 焊接前机械打磨接头显微组织 Fig. 2 Microstructures of the mechanical ground joint before welding

图 3 自然氧化接头的显微组织 Fig. 3 Microstructures of the natural oxidized joint

图 4 母材氧化膜度10 μm的接头的显微组织 Fig. 4 Microstructures of the joint with base metal oxide thickness of 10 μm

图 5 母材氧化膜厚度20 μm接头的显微组织 Fig. 5 Microstructures of the joint with base metal oxide thickness of 20 μm

图 6 母材氧化膜厚度30 μm的接头的显微组织 Fig. 6 Microstructures of the joint with base metal oxide thickness of 30 μm

通过比较可以明显看出,轴肩影响区处S曲线延伸面积较焊核区更宽,接近其2倍;同时,随着氧化膜厚度增加S曲线由线状、集中化分布转变为带状、分散化分布,而且S曲线中的“黑色物质”体积更大、愈加明显。随着氧化膜的增厚,S曲线分布区由数十微米迅速扩展至数百微米。

图7为5组焊接接头的SEM图。由图7可知:S曲线中的黑色物质主要是块状Al2O3;母材经过焊接前机械清理或自然氧化状态时,氧化膜比较薄,所以形成的S曲线呈线连续状;而当氧化膜逐渐增厚时,S曲线中Al2O3体积迅速增大,镶嵌于焊缝内部,如图7(c)(d)(e)所示;S曲线周围出现许多微孔洞,且S曲线越明显,微孔洞也越大越密集,当孔洞密集到一定程度时,所形成的S曲线类似于裂缝[13]

图 7 S曲线处的显微组织 Fig. 7 Microstructures at the place of S curve

当母材氧化程度较低时,S曲线形状多为细小的杆状和球状,尺寸仅为几微米,经过搅拌头的热机作用联结在一起,如图7(a)(b)所示。由图7(c)(d)(e)可见,氧化膜厚度极大影响了S曲线形貌,焊接前氧化膜愈厚,焊接后S曲线中物质体积愈大,部分颗粒尺寸甚至达到几十微米,导致焊缝内形成类氧化物夹杂。

经查阅文献资料,Chen等[14]与Okamura等[15]通过SEM、透射电子显微镜(transmission electron microscopy,TEM)观察发现沿S曲线分布着大量球状或杆状氧化物,而S曲线主要是对接面氧化膜被搅拌针搅碎后无法与母材结合形成的。

2.2 力学性能分析

对5组试样接头进行力学性能测试。检验时,每组制取标准力学试样3个,取其断裂强度平均值记录。力学检验结果见表4,母材焊接后接头强度效率系数与焊接前表面氧化膜厚度关系见图8

表 4 母材与焊接接头力学性能 Tab. 4 Mechanical properties of the base metal and welded joint

图 8 接头强度系数与母材氧化膜厚度关系 Fig. 8 Relationship between the joint strength coefficient and base metal oxide film thickness

图8可知,焊接前对母材进行打磨会提高焊接后接头强度系数。相反,当焊接前母材表面存在一定厚度的氧化膜时,对接头强度系数会产生不利影响,且随着表面氧化膜厚度增加,接头强度系数呈下降趋势,侧面证明了氧化膜在焊缝中形成氧化物夹杂带,导致接头强度系数由82.56%下降至72.38%,严重损害接头强度。

2.3 断口形貌分析

对5组共15个力学性能测试试样进行拉伸断裂后检验发现,除E组焊接接头沿S曲线非正常断裂外,其他4组均断裂于接头后退侧。现随机选取E组一个接头断口进行断口形貌观察,分析其断裂机制。断口形貌如图910所示,试样沿S曲线处断裂,断裂面处可见大量白色碎块,同时试样延伸率较低,SEM未见韧窝等特征,属于脆性断裂。

图 9 断口宏观形貌 Fig. 9 Macrostructures of the fracture

图 10 断口微观形貌 Fig. 10 Microstructures of the fractures

图11为断口处EDS分析,由图11(b)能谱分析可知,S曲线中颗粒状物质主要元素成分为Al和O,这说明母材原始界面中的Al2O3在焊接过程中被搅拌针打碎形成了S曲线,而焊缝中基体元素主要为Al、Mg和Si,符合6系铝合金元素组成。

图 11 断口能谱分析 Fig. 11 EDS analyais of the fractures

由此可见,断口的沿S曲线非正常断裂与接头中存在的大量块状Al2O3有直接联系。块状氧化物较为规则、连续排布呈条带状存留在焊缝中,形成了氧化物夹杂带,导致接头在该位置处于弱连接状态,当外力作用于焊缝时,质地坚硬的Al2O3颗粒周围出现微裂纹,随着应力不断作用,裂纹由此处萌生、扩展,而S曲线作为接头最薄弱处首先开裂,导致整个焊缝失效。

3 结 论

(1)6005A-T4铝合金焊缝横截面上出现S曲线。且随着母材表面原始氧化膜厚度的增加,S曲线尺寸迅速增加,接头SEM图显示焊接前打磨仍会出现S曲线,产生机制是焊接对接面的氧化物随着塑化金属流动进入焊缝形成S曲线。

(2)焊接前打磨可以提高接头强度系数,焊接前打磨的接头强度为194.9 MPa,接头强度系数达到82.56%,而母材原始氧化物层厚度30 μm的接头强度为177.1 MPa,接头强度系数仅为72.38%,接头强度下降10.18%。

(3)S曲线中的“黑色物质”的主要成分是Al2O3,氧化膜较厚时,大量Al2O3颗粒会形成氧化物夹杂带,此处作为焊缝最薄弱区,裂纹由此处萌生、扩展,最终导致焊缝开裂。

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