田春雨，康 銘，徐玉君，齊芃芃，鄂英凱

(遼寧忠旺集團有限公司，遼陽111003)

0 前言

6082鋁合金為熱處理強化鋁合金，具有中等強度、成形性良好、焊接性能和耐蝕性優(yōu)良等特點，在我國高速列車與船舶領域中均有廣泛的應用[1]。鋁合金焊接通常采用鎢極惰性氣體保護焊（TIG）、熔化極氣體保護焊（MIG）等方法。由于鋁合金易與氧氣結合形成氧化膜，且導熱性和熱膨脹性較高，因此焊接時易產(chǎn)生氣孔、夾渣、嚴重變形等缺陷[2-3]。攪拌摩擦焊是一種固態(tài)塑化連接方法，不需要填充材料，且熱輸入較低，具有焊接時無飛濺、無煙塵，焊后接頭機械性能好、焊接應力和變形小等特點，被認為是解決鋁合金焊接問題最有效的方法之一[4-6]。在攪拌摩擦焊過程中，焊縫及其附近區(qū)域的組織由于摩擦熱引起溫度變化不同，使各區(qū)域具有不同的組織形態(tài)，焊后經(jīng)過時效處理，接頭組織發(fā)生變化，從而引起性能變化[7-9]。本試驗分別對6082-T6與6082-T4鋁合金攪拌摩擦焊焊接接頭進行人工時效處理，并對人工時效前后接頭的組織與性能進行對比研究，以便為6082鋁合金攪拌摩擦焊的廣泛應用提供一定的理論依據(jù)。

1 試驗材料及方法

試驗材料為6082-T6和6082-T4合金，尺寸為300 mm×150 mm×6 mm，其力學性能如表1所示。焊接方法為攪拌摩擦焊。焊前采用機械清理方法清理表面氧化膜及油污。焊接工藝參數(shù)如表2所示。

表1 試驗材料力學性能

表2 焊接工藝參數(shù)

焊后試件分為四組：第一組試件為6082-T6焊后自然狀態(tài)；第二組試件為6082-T6焊后進行175℃保溫8 h人工時效處理，然后空氣冷卻；第三組試件為6082-T4焊后自然狀態(tài)；第四組試件為6082-T4焊后進行175℃保溫8 h人工時效處理，然后空氣冷卻。對四組試樣進行金相組織、力學性能及硬度檢測。

采用蔡司光學顯微鏡觀察接頭的組織形貌。按照GB/T 2651-2008采用島津AG-X100KNH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2個試樣，取其平均值作為試驗結果。使用FV-810型維氏顯微硬度計進行硬度測試，測試位置為壁厚1/2處水平方向，測試點間距為1 mm。

2 結果與討論

2.1 顯微組織

圖1為母材人工時效前后的組織形貌。母材為擠壓態(tài)，晶粒被拉長且發(fā)生破碎，形狀不規(guī)則。從圖中可以看出，6082-T6母材人工時效前后的組織形貌及晶粒大小均無明顯變化；6082-T4母材在堿蝕后時效前可以觀察到組織中存在大量的黑色球狀析出物（Mg2Si），人工時效后，球狀析出物有所減少，且尺寸減小，晶粒尺寸無明顯變化。

圖2、圖3分別為6082-T6接頭焊后自然狀態(tài)與焊后人工時效狀態(tài)的組織形貌，圖4、圖5分別為6082-T4接頭焊后自然狀態(tài)與焊后人工時效狀態(tài)的組織形貌。

攪拌摩擦焊焊接接頭一般分為焊核區(qū)、熱機影響區(qū)與熱影響區(qū)。從金相圖可以看出：6082-T6及6082-T4焊縫人工時效前后各區(qū)域晶粒尺寸均無明顯變化，但組織內(nèi)黑色析出物（Mg2Si）尺寸均減小。從圖4、圖5可以明顯看出6082-T4焊縫經(jīng)人工時效后其Mg2Si尺寸減小，使合金中的Mg、Si原子大部分以β″的形式存在。與基體處于共格、半共格關系，可以獲得更好的強化效果，這在后續(xù)性能檢驗中得到了證實。

從金相圖中可以看出：在攪拌摩擦焊過程中，焊核區(qū)受到攪拌頭強烈的旋轉(zhuǎn)攪拌作用和軸肩下壓的鍛壓力，使該區(qū)經(jīng)歷最高的峰值溫度及嚴重的塑性變形，導致原始粗大、拉長的晶粒破碎并發(fā)生動態(tài)再結晶，最終形成細小的等軸晶粒。熱機影響區(qū)在焊接過程中同時受到機械力與焊接熱循環(huán)的作用，該區(qū)經(jīng)歷的峰值溫度較焊核區(qū)低，因此部分區(qū)域發(fā)生動態(tài)再結晶，形成細小的等軸晶粒。熱影響區(qū)未受到攪拌頭的機械攪拌作用，其晶粒形態(tài)基本未發(fā)生改變[10]。

2.2 力學性能

對母材和焊接接頭自然狀態(tài)與人工時效的試樣進行力學性能測試，結果如圖6所示。拉伸試驗結果表明：6082-T6母材時效后的抗拉強度為341.5 MPa，焊接接頭在自然狀態(tài)下抗拉強度為269.5 MPa，人工時效后為306.5 MPa；6082-T4母材時效后抗拉強度增至344.5 MPa，焊接接頭自然狀態(tài)下的抗拉強度為208 MPa，人工時效后為335 MPa。從圖6可以看出，6082-T6及6082-T4狀態(tài)材料攪拌摩擦焊后經(jīng)過人工時效均可有效提高焊接接頭的力學性能，6082-T4態(tài)焊縫熱處理后的抗拉強度提升更為顯著。6082-T6母材人工時效前后的抗拉強度變化不大，6082-T4母材經(jīng)過人工時效后抗拉強度顯著提升。

經(jīng)過對比可知，6082-T4鋁合金攪拌摩擦焊后人工時效可獲得較6082-T6接頭更高的力學性能，可接近母材抗拉強度。

2.3 顯微硬度

對焊接接頭進行硬度檢測，其硬度分布曲線如圖7所示。其中圖7（a）為6082-T6焊接接頭人工時效前、后硬度分布曲線，圖7（b）為6082-T4焊接接頭人工時效前、后硬度分布曲線。

從圖7（a）中可看出，6082-T6焊接接頭的硬度分布曲線在焊縫中心兩側(cè)呈對稱分布。對于焊后自然狀態(tài)試樣，在中心兩側(cè)約16 mm范圍內(nèi)硬度明顯低于母材。焊縫中心（即焊核區(qū)）硬度從母材的122 HV降至91 HV，最低點出現(xiàn)在后退側(cè)。隨著離焊縫中心距離的增加，硬度逐漸恢復到母材硬度。

分析所產(chǎn)生的原因為：在攪拌摩擦焊過程中，在焊接熱循環(huán)作用下，焊核區(qū)大部分強化相溶解，熱機影響區(qū)與熱影響區(qū)中部分強化相發(fā)生長大，均使強化作用喪失或減弱。因此攪拌摩擦焊后接頭硬度降低，其中后退側(cè)溫度高于前進側(cè)，致使硬度值最低點出現(xiàn)在后退側(cè)。

經(jīng)過人工時效后，母材硬度略有降低，約為112 HV。焊核區(qū)硬度明顯提升，焊核中心硬度值從91 HV升至114 HV。熱機影響區(qū)與熱影響區(qū)硬度也有所提高，相比焊態(tài)提高約12 HV。

分析原因認為：這是焊接加熱時溶解的強化相在時效過程中重新析出而發(fā)生時效強化的結果。

從圖7（b）中可看出，6082-T4焊接接頭的硬度分布曲線較平穩(wěn)，焊縫硬度與母材硬度相差不大。經(jīng)過人工時效后，焊縫與母材硬度均顯著提升。焊核中心硬度值從85 HV升至118 HV，母材硬度從85 HV提升至122 HV。

分析所產(chǎn)生的原因為：在人工時效過程中，組織中黑色析出物（Mg2Si）相回溶并重新析出，形成尺寸更加細小而均勻的強化相，產(chǎn)生時效強化效果，因而硬度及力學性能均顯著提高。

3 結論

（1）焊后經(jīng)過人工時效的組織內(nèi)析出物的尺寸明顯減小，產(chǎn)生時效強化作用，但對晶粒尺寸無明顯影響。

（2）6082-T6焊接接頭人工時效后的抗拉強度由269.5 MPa提高至306.5 MPa，母材抗拉強度變化不大；6082-T4焊接接頭人工時效后的抗拉強度由208 MPa提高至335 MPa。

（3）6082-T4鋁合金攪拌摩擦焊后再經(jīng)人工時效可獲得較6082-T6接頭更高的力學性能，可接近母材抗拉強度。

（4）人工時效后，6082-T6焊縫焊核中心硬度值從91 HV升至114 HV，6082-T4焊縫與母材硬度均顯著提升，焊核中心硬度值從85 HV升至118 HV，母材硬度從85 HV提升至122 HV。