鋁合金氧化膜厚度對攪拌摩擦焊接接頭組織和性能的影響

鄂英凱， 孫 巍， 康 銘， 徐玉君， 田春雨，金文福， 張春旭

（遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽 111003）

6005A 鋁合金作為一種典型的可熱處理強化鋁鎂硅合金，具有密度低且強度可觀、易于加工、焊接適應性良好，耐腐蝕性好的特點[1-2]，近年來在我國高速列車、城軌車體生產制造中大量使用[3-4]。攪拌摩擦焊（friction stir welding，FSW）作為一種新型固相壓力連接技術，能夠較好的解決熔焊接頭中出現的氣孔、熱裂紋等缺陷[5-7]。這對于鋁合金焊接有著極大優勢，現已在航空、軌道、新能源汽車等領域得到了廣泛應用。

但在實際焊接過程中發現6005A鋁合金容易在接頭橫截面出現呈S狀的黑色曲線，研究者稱之為“S曲線”的缺陷。賀地求等[8]認為6063-T5鋁合金S曲線的形成主要是由于焊縫對接面存在空氣，鋁在焊接過程中被氧化而形成致密的氧化膜。姬書得等[9]發現5383鋁合金FSW接頭中出現的S曲線會大大降低接頭的耐腐蝕性，腐蝕最嚴重的區域是S曲線，而除S曲線及其附近區域之外的焊核區的耐腐蝕性優于母材的。王衛兵等[10]通過模擬與實際相結合得出，增大攪拌頭螺紋深度可以促進金屬流動，從而控制S曲線形成。吳堅定等[11]結合S曲線的形貌分析提出，產生S曲線的原因可能是FSW過程中生成的氧化物與型材存放過程中生成的氧化物集合，在焊縫處塑化金屬的塑性流動過程中在攪拌力的作用下聚集而形成的。李帥貞等[12]認為焊接前清理可以改善接頭組織，并且可以減弱S曲線，有利于提高接頭力學性能。此外，也有學者指出焊接前清理母材氧化膜，在焊接過程中對焊縫施加氬氣保護可以有效消除S曲線。

本研究分別對5組母材厚度相同但表面氧化狀態、氧化膜厚度不同的6005A-T4鋁合金進行焊接，并對焊接后接頭的組織與性能進行對比研究，以便為6005A鋁合金FSW的工業生產應用提供一定的應用依據。

1 試驗材料與方法

試驗材料為6005A-T4鋁合金擠壓板材，尺寸為300.0 mm×150.0 mm×3.0 mm，母材合金成分實測含量見表1。為確保試驗數據準確，對每組母材均制備標準力學試樣，其力學性能與焊接前母材狀態見表2，焊接方法為FSW。

表1 6005A-T4鋁合金化學成分（質量分數/%）Tab.1 Chemical compositions of the 6005A-T4 aluminum alloy (mass fraction /%)

表2 試驗材料Tab.2 Test materials

使用AEE定龍門攪拌摩擦焊機，采用恒位移控制方式，攪拌頭逆時針方向旋轉。焊接時使用AEE制造攪拌頭，攪拌針為右旋螺紋，軸肩為微內凹無溝槽式。攪拌頭軸肩直徑12.0 mm，攪拌針長3.0 mm，焊接工藝參數見表3。

表3 焊接工藝參數Tab.3 Welding process parameters

采用蔡司光學顯微鏡觀察接頭宏觀與微觀組織 ；按 照 GB/T 2 651—2008，使 用 島 津 AG-X 100KNH型電子萬能試驗機進行拉伸試驗，焊縫位于拉伸試樣中心，每組測試3個力學試樣，取其平均值作為試驗結果；使用掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）對試樣S曲線處組織與斷口形貌進行觀測，并對斷口表面的元素成分作能譜分析（energy spectrum analysis，EDS）。

2 試驗結果及分析

2.1 焊接接頭處組織圖

圖1為FSW接頭處組織。由圖1可見，焊縫為典型FSW接頭，整體焊縫形狀呈“碗狀”，由焊縫中央的焊核區、圍繞焊核區的熱機影響區、熱機影響區外側的熱影響區和母材4個區域組成。

5組金相試樣S曲線形狀、走向基本相似，由前進側開始，延伸經過焊核區最終到達后退側焊縫底部，貫穿整個焊縫。焊接過程中大部分前進側金屬受到攪拌針作用，形成焊縫下部；而后退側金屬則被軸肩裹挾著覆蓋于焊縫上部。

圖1 焊接接頭的顯微組織Fig. 1 Microstructures of the weld joints

由圖1（a）和（b）可以看出無論焊接前是否打磨，焊接后接頭中均出現了S曲線，線條連續而細小；對比圖 1（c）、（d）和（e）可見，當母材表面氧化膜厚度逐漸增加時，S曲線逐漸變粗，在焊縫中的散布區域面積增大。

圖2～6分別為5組6005A-T4焊接接頭低倍顯微組織。可以看出細小的黑色第二相粒子（Mg2Si）均勻分布于焊縫中。由于攪拌頭軸肩與攪拌針過渡區域在焊接過程中金屬流動方式十分復雜，導致軸肩影響區的S曲線形貌十分復雜，被多次折疊彎曲，整體形貌呈“鋸齒狀”。

圖2 焊接前機械打磨接頭顯微組織Fig.2 Microstructures of the mechanical ground joint before welding

通過比較可以明顯看出，軸肩影響區處S曲線延伸面積較焊核區更寬，接近其2倍；同時，隨著氧化膜厚度增加S曲線由線狀、集中化分布轉變為帶狀、分散化分布，而且S曲線中的“黑色物質”體積更大、愈加明顯。隨著氧化膜的增厚，S曲線分布區由數十微米迅速擴展至數百微米。

圖7為5組焊接接頭的SEM圖。由圖7可知：S曲線中的黑色物質主要是塊狀Al2O3；母材經過焊接前機械清理或自然氧化狀態時，氧化膜比較薄，所以形成的S曲線呈線連續狀；而當氧化膜逐漸增厚時，S曲線中Al2O3體積迅速增大，鑲嵌于焊縫內部，如圖 7（c）、（d）和（e）所示；S 曲線周圍出現許多微孔洞，且S曲線越明顯，微孔洞也越大越密集，當孔洞密集到一定程度時，所形成的S曲線類似于裂縫[13]。

圖3 自然氧化接頭的顯微組織Fig. 3 Microstructures of the natural oxidized joint

圖4 母材氧化膜度10 μm的接頭的顯微組織Fig. 4 Microstructures of the joint with base metal oxide thickness of 10 μm

圖5 母材氧化膜厚度20 μm接頭的顯微組織Fig. 5 Microstructures of the joint with base metal oxide thickness of 20 μm

圖6 母材氧化膜厚度30 μm的接頭的顯微組織Fig. 6 Microstructures of the joint with base metal oxide thickness of 30 μm

圖7 S曲線處的顯微組織Fig.7 Microstructures at the place of S curve

當母材氧化程度較低時，S曲線形狀多為細小的桿狀和球狀，尺寸僅為幾微米，經過攪拌頭的熱機作用聯結在一起，如圖 7（a）和（b）所示。由圖 7（c）、（d）和（e）可見，氧化膜厚度極大影響了S曲線形貌，焊接前氧化膜愈厚，焊接后S曲線中物質體積愈大，部分顆粒尺寸甚至達到幾十微米，導致焊縫內形成類氧化物夾雜。

經查閱文獻資料，Chen等[14]與Okamura等[15]通過SEM、透射電子顯微鏡（transmission electron microscopy，TEM）觀察發現沿S曲線分布著大量球狀或桿狀氧化物，而S曲線主要是對接面氧化膜被攪拌針攪碎后無法與母材結合形成的。

2.2 力學性能分析

對5組試樣接頭進行力學性能測試。檢驗時，每組制取標準力學試樣3個，取其斷裂強度平均值記錄。力學檢驗結果見表4，母材焊接后接頭強度效率系數與焊接前表面氧化膜厚度關系見圖8。

由圖8可知，焊接前對母材進行打磨會提高焊接后接頭強度系數。相反，當焊接前母材表面存在一定厚度的氧化膜時，對接頭強度系數會產生不利影響，且隨著表面氧化膜厚度增加，接頭強度系數呈下降趨勢，側面證明了氧化膜在焊縫中形成氧化物夾雜帶，導致接頭強度系數由82.56%下降至72.38%，嚴重損害接頭強度。

表4 母材與焊接接頭力學性能Tab.4 Mechanical properties of the base metal and welded joint

圖8 接頭強度系數與母材氧化膜厚度關系Fig. 8 Relationship between the joint strength coefficient and base metal oxide film thickness

2.3 斷口形貌分析

對5組共15個力學性能測試試樣進行拉伸斷裂后檢驗發現，除E組焊接接頭沿S曲線非正常斷裂外，其他4組均斷裂于接頭后退側。現隨機選取E組一個接頭斷口進行斷口形貌觀察，分析其斷裂機制。斷口形貌如圖9和10所示，試樣沿S曲線處斷裂，斷裂面處可見大量白色碎塊，同時試樣延伸率較低，SEM未見韌窩等特征，屬于脆性斷裂。

圖9 斷口宏觀形貌Fig. 9 Macrostructures of the fracture

圖10 斷口微觀形貌Fig.10 Microstructures of the fractures

圖11為斷口處EDS分析，由圖11（b）能譜分析可知，S曲線中顆粒狀物質主要元素成分為Al和O，這說明母材原始界面中的Al2O3在焊接過程中被攪拌針打碎形成了S曲線，而焊縫中基體元素主要為Al、Mg和Si，符合6系鋁合金元素組成。

圖11 斷口能譜分析Fig.11 EDS analyais of the fractures

由此可見，斷口的沿S曲線非正常斷裂與接頭中存在的大量塊狀Al2O3有直接聯系。塊狀氧化物較為規則、連續排布呈條帶狀存留在焊縫中，形成了氧化物夾雜帶，導致接頭在該位置處于弱連接狀態，當外力作用于焊縫時，質地堅硬的Al2O3顆粒周圍出現微裂紋，隨著應力不斷作用，裂紋由此處萌生、擴展，而S曲線作為接頭最薄弱處首先開裂，導致整個焊縫失效。

3 結 論

（1）6005A-T4鋁合金焊縫橫截面上出現S曲線。且隨著母材表面原始氧化膜厚度的增加，S曲線尺寸迅速增加，接頭SEM圖顯示焊接前打磨仍會出現S曲線，產生機制是焊接對接面的氧化物隨著塑化金屬流動進入焊縫形成S曲線。

（2）焊接前打磨可以提高接頭強度系數，焊接前打磨的接頭強度為194.9 MPa，接頭強度系數達到82.56%，而母材原始氧化物層厚度30 μm的接頭強度為177.1 MPa，接頭強度系數僅為72.38%，接頭強度下降10.18%。

（3）S曲線中的“黑色物質”的主要成分是Al2O3，氧化膜較厚時，大量Al2O3顆粒會形成氧化物夾雜帶，此處作為焊縫最薄弱區，裂紋由此處萌生、擴展，最終導致焊縫開裂。