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摘要：对6005A-T6中空铝型材进行工艺试验制备隧道缺陷，进行金相、硬度、拉伸试验，拉伸后扫描断口，研究不同尺寸缺陷对6005A-T6中空铝型材力学性能及微观组织的影响。试验结果表明：接头抗拉强度与板厚方向隧道尺寸呈负相关，SEM扫描结果显示拉伸断口中心及边缘存在大量等轴韧窝，均为韧性断裂;隧道缺陷均位于前进侧焊核靠下部分，焊核区及隧道附近受到强烈的机械搅拌作用，发生了动态再结晶过程，均为细小的等轴晶。热影响区组织与母材相差不大，两个区域均在型材轧制方向晶粒被拉长;在前进侧及后退侧均存在软化区，后退侧由于热-机作用硬度值最低为63.6 HV，前进侧硬度最小值为84 HV。
关键词：搅拌摩擦焊;6005A铝合金;隧道缺陷;组织与力学性能
中图分类号：TG407 文献标志码：B 文章编号：1001-2003（2021）09-0036-05
DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.09.07
0 前言
随着我国轨道交通行业的不断发展，铝合金已经大量应用于轨道交通装备制造业。铝合金作为一种低熔点的有色金属，具有较好的力学性能和稳定的耐蚀性[1]。对于铝合金的焊接，较为常见的焊接方式为传统的熔化焊（TIG、MIG）。但焊缝质量得不到很好的保证，热裂纹、气孔、焊接接头软化、较大的焊接变形等焊接缺陷导致焊缝的力学性能下降。搅拌摩擦焊作为一种新型的固态连接方式，对于焊接同种/异种的低熔点有色金属优势明显[2-4]，可有效避免熔化焊过程中出现的焊接缺陷。但是搅拌摩擦焊同样存在其特有的焊接缺陷，如隧道、吊钩、未焊合、犁沟、飞边等。因此，研究其焊接缺陷对于实际生产具有重要意义。
文中对4.5 mm 6005A-T6中空铝型材进行搅拌摩擦焊，制备不同尺寸的隧道缺陷，通过拉伸、金相、硬度以及拉伸断口扫描综合评判不同尺寸的隧道对对搭接接头力学性能的影响。
1 试验材料及试验方法
1.1 试验材料
试验材料为尺寸500 mm×300 mm×4.5 mm的6005A-T6中空铝合金型材，化学成分如表1所示，力学性能如表2所示。
1.2 试验方法
试验设备为航天工程装备有限公司（149厂）HT-
JM20×8/2搅拌摩擦焊机，搅拌头针长4.5 mm，轴肩直径15 mm。焊接接头为典型的对搭接接头，t1=t2=4.5 mm，焊缝形式为4II，具体接头形式如图1所示。焊前用丙酮擦拭焊缝处，以确保去除油污及杂质。采用尺寸合理的搅拌针，设定不同的焊接参数，通过改变焊接热输入量制备不同尺寸的隧道缺陷，焊接参数如表3所示。
搅拌针转速、焊接速度、压入量等焊接参数对接头质量有着很大的影响。在焊接过程中，搅拌针高速旋转与被焊材料发生摩擦，前进侧的金属被带到搅拌针前部，通过摩擦产热在搅拌针前部和后退侧形成热塑性材料[5]。同时前进侧在焊接过程暂时形成空腔，待搅拌针将形成的热塑性材料填充到空腔内，最后通过轴肩的锻压作用形成致密的焊缝。但由于焊接参数设定不合理，使得摩擦产热不足，导致没有足够的热塑性材料填满，在前进侧形成空腔，因此在焊缝内部出现了隧道缺陷。当搅拌针转速与焊接速度相匹配（转速1 200 r/min，焊速800 mm/min）时，热输入量合理，产生的塑性金属足以填满前进侧产生的空腔，焊缝内部不会形成隧道以及其它缺陷。
工艺试验完成后，使用线切割机切割试样。按照标准ISO4136-2001在WDW-300k N型电子万能试验机上进行拉伸试验，拉伸试样尺寸如图2所示。根据维氏硬度标准GB/T4342-1991，利用 HV-50型维氏硬度仪测量焊接接头焊核、热机影响区、热影响区和母材4个区域的维氏硬度分布，并使用ORIGIN86软件绘制隧道缺陷接头硬度曲线，维氏硬度仪的参数设置为：载荷4.9 kN，保持时间15 s。采用金相砂纸打磨试样表面，测量隧道尺寸，再使用凯勒试剂对清洗干燥后的试样表面进行腐蚀。采用DMi8-Leica莱卡数码金相显微镜观察FSW焊接接頭母材（PM）、热影响区（HAZ）、热机影响区（THAZ）以及焊核搅拌区（SZ）4个主要区域的显微组织。采用JEOL-6360LV型SEM电镜对试件拉伸断口进行分析。
2 试验结果及分析
2.1 焊接接头微观组织形貌
使用凯勒试剂腐蚀处理后，具有隧道缺陷接头的横截面微观形貌如图3 所示。图3a中隧道呈长条状，位于前进侧焊核靠下的位置，板厚方向尺寸较小。图3b所示为焊核区域，由于该区域受到搅拌针机械搅拌与摩擦热的双重作用，晶粒被完全打碎，发生动态再结晶，形成了细小的等轴晶，强化相 β（Mg5Si6）均匀地分布在α（Al）基体上[6]。热机影响区如图3c所示，可以看到在机械搅拌作用下，晶粒沿着金属流动方向被拉长。图3d为隧道缺陷附近纤维组织，在靠近隧道的区域，晶粒被完全打碎，发生了动态再结晶[7];但是由于没有足够的塑性金属，带到此区域的摩擦热量不足使得晶粒无法充分长大，形成细小的等轴晶。图3e、3f为母材和热影响区，母材晶粒沿轧制方向被拉长，由于热影响区受到热量的影响较小，因此晶粒大小相较于母材变化不大。
2.2 接头的抗拉强度及断口扫描
按照标准ISO4136-2001对不同尺寸的隧道接头进行拉伸试验，拉伸试验结果见表4。根据标准要求：Rm（W）≥Rm（pm）×T，式中Rm（W）为接头实际抗拉强度，Rm（pm）为标准中所要求的母材抗拉强度的最低规定值，T为接头强度系数。
对于6005A铝合金来说，Rm（W）为255 MPa，接头强度系数T为0.7。不同隧道尺寸与抗拉强度关系对比如图4所示，随着板厚方向隧道尺寸的增大，接头抗拉强度呈下降趋势。隧道尺寸为0.6 mm时，接头的抗拉强度达到最大值213.7 MPa，接头安全系数0.84，高于规定的安全系数（T=0.7），接头拉伸性能良好。随着隧道尺寸增至1.2 mm时，接头的抗拉强度骤降至174.8 MPa，同时接头安全系数低于0.7，接头拉伸性能变差。由于焊缝内部存在隧道缺陷，接头有效连接区域变小，在拉伸试验中隧道位置产生应力集中，因此所有拉伸试件的断裂位置均位于靠前进侧焊核区。 拉伸试验完成后，对试件断口中心及边缘进行SEM扫描，扫描結果如图5所示。
通过低倍扫描照片可以看出，断口上方存在未被塑性金属填满的连续空腔，形成隧道缺陷。焊缝中有效连接部分与焊缝表面成45°，由于颈缩现象，端口下方有效连接部分一侧金属向内收缩。在高倍扫描照片中，断口有效连接部分中心和边缘都存在密集的等轴韧窝。因此，具有不同尺寸隧道缺陷的焊接接头均为韧性断裂。
2.3 接头硬度分布
0.6 mm与1.2 mm隧道接头硬度分布如图6所示，两个不同尺寸的隧道接头的硬度均呈中间高、两边低的“ W ”分布。作为人工时效强化铝合金，6005A-T6 铝合金接头热机影响区的强化相会在摩擦热循环作用下脱溶析出、聚集长大，产生“ 过时效 ”现象[8]，在该区域内焊接接头的硬度相对较低。
1.2 mm隧道型缺陷接头焊核区的硬度为82～
95 HV，前进侧热机影响区至母材硬度为84～94 HV，在5～12 mm处产生软化现象，最低硬度84 HV，后退侧热机影响区至母材硬度为63.6～96 HV，在-12～
-5 mm处产生软化现象，最低硬度为63.6 HV。由于后退侧热机影响区的塑性材料受到机械搅拌作用摩擦热的双重作用，此区域的晶粒被打碎后发生动态再结晶，晶粒尺寸在摩擦热的作用下充分长大;前进侧由于没有足够的塑性金属，摩擦所产生热量不在此区域积聚，所以晶粒被打碎后快速冷却，形成细小的等轴晶，硬度得到了极大的提高。因此，后退侧热机影响区的硬度低于前进侧热机影响区。
3 结论
（1）不同尺寸隧道缺陷接头的抗拉强度与隧道板厚方向尺寸呈负相关，当板厚方向尺寸大于1.2 mm时，接头强度系数为0.685，接头拉伸性能较差;SEM扫描结果显示，断口中心及边缘存在大量的等轴韧窝，接头断裂形式为典型的韧性断裂。
（2）不同尺寸隧道的微观组织形貌无明显变化。隧道缺陷均位于前进侧焊核靠下部位，焊核及隧道附近均为细小的等轴晶;由于热影响区受到的热输入较少，其微观组织形貌与母材相差不大。
（3）接头硬度分布呈“ W ”形状分布，热机影响区（TMAZ）硬度最低，前进侧后退侧硬度最小值分别为84 HV、63.6 HV。后退侧热机影响区受到较大的热输入量，因此硬度最低值出现在此区域。
参考文献：
[1]岳秀峰，钮旭晶，许鸿吉，等. 6082-T6铝合金焊接接头热调修工艺[J].电焊机，2016，46（4）：71-74.
[2]李亨，司媛，罗志勇，等.压下量及时效对搅拌摩擦加工6061铝合金组织和力学性能的影响[J].材料热处理学报，2018，39（4）：63-69.
[3]汤化伟，高佳，黄征，等. 7055铝合金双面FSW接头组织和力学性能[J].电焊机，2018，48（10）：13-16，60.
[4]殷琨，黄崇湘，王艳飞，等.工业纯铝搅拌摩擦焊质量与力学性能[J].中南大学学报（自然科学版），2018，49（11）：2677-2683.
[5]元琳琳，王炜，陈晓宇. 2195铝锂合金焊接技术研究进展[J].焊接，2020（9）：38-42，46，63.
[6]孙宇博，靳朋礼，马锦晖，等.热处理对哈氏合金X焊接接头组织与性能的影响[J].稀有金属材料与工程，2019，48（9）：3029-3034.
[7]刘春宁，钮旭晶，侯振国.平针搅拌头调修对铝合金焊接接头组织与性能的影响[J].电焊机，2018，48（3）：61-64.
[8]章鸿.焊接热输入量对AZ31B镁合金焊接接头组织和性能的影响[J].轻合金加工技术，2020，48（11）：61-64.
关键词：搅拌摩擦焊;6005A铝合金;隧道缺陷;组织与力学性能
中图分类号：TG407 文献标志码：B 文章编号：1001-2003（2021）09-0036-05
DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.09.07
0 前言
随着我国轨道交通行业的不断发展，铝合金已经大量应用于轨道交通装备制造业。铝合金作为一种低熔点的有色金属，具有较好的力学性能和稳定的耐蚀性[1]。对于铝合金的焊接，较为常见的焊接方式为传统的熔化焊（TIG、MIG）。但焊缝质量得不到很好的保证，热裂纹、气孔、焊接接头软化、较大的焊接变形等焊接缺陷导致焊缝的力学性能下降。搅拌摩擦焊作为一种新型的固态连接方式，对于焊接同种/异种的低熔点有色金属优势明显[2-4]，可有效避免熔化焊过程中出现的焊接缺陷。但是搅拌摩擦焊同样存在其特有的焊接缺陷，如隧道、吊钩、未焊合、犁沟、飞边等。因此，研究其焊接缺陷对于实际生产具有重要意义。
文中对4.5 mm 6005A-T6中空铝型材进行搅拌摩擦焊，制备不同尺寸的隧道缺陷，通过拉伸、金相、硬度以及拉伸断口扫描综合评判不同尺寸的隧道对对搭接接头力学性能的影响。
1 试验材料及试验方法
1.1 试验材料
试验材料为尺寸500 mm×300 mm×4.5 mm的6005A-T6中空铝合金型材，化学成分如表1所示，力学性能如表2所示。
1.2 试验方法
试验设备为航天工程装备有限公司（149厂）HT-
JM20×8/2搅拌摩擦焊机，搅拌头针长4.5 mm，轴肩直径15 mm。焊接接头为典型的对搭接接头，t1=t2=4.5 mm，焊缝形式为4II，具体接头形式如图1所示。焊前用丙酮擦拭焊缝处，以确保去除油污及杂质。采用尺寸合理的搅拌针，设定不同的焊接参数，通过改变焊接热输入量制备不同尺寸的隧道缺陷，焊接参数如表3所示。
搅拌针转速、焊接速度、压入量等焊接参数对接头质量有着很大的影响。在焊接过程中，搅拌针高速旋转与被焊材料发生摩擦，前进侧的金属被带到搅拌针前部，通过摩擦产热在搅拌针前部和后退侧形成热塑性材料[5]。同时前进侧在焊接过程暂时形成空腔，待搅拌针将形成的热塑性材料填充到空腔内，最后通过轴肩的锻压作用形成致密的焊缝。但由于焊接参数设定不合理，使得摩擦产热不足，导致没有足够的热塑性材料填满，在前进侧形成空腔，因此在焊缝内部出现了隧道缺陷。当搅拌针转速与焊接速度相匹配（转速1 200 r/min，焊速800 mm/min）时，热输入量合理，产生的塑性金属足以填满前进侧产生的空腔，焊缝内部不会形成隧道以及其它缺陷。
工艺试验完成后，使用线切割机切割试样。按照标准ISO4136-2001在WDW-300k N型电子万能试验机上进行拉伸试验，拉伸试样尺寸如图2所示。根据维氏硬度标准GB/T4342-1991，利用 HV-50型维氏硬度仪测量焊接接头焊核、热机影响区、热影响区和母材4个区域的维氏硬度分布，并使用ORIGIN86软件绘制隧道缺陷接头硬度曲线，维氏硬度仪的参数设置为：载荷4.9 kN，保持时间15 s。采用金相砂纸打磨试样表面，测量隧道尺寸，再使用凯勒试剂对清洗干燥后的试样表面进行腐蚀。采用DMi8-Leica莱卡数码金相显微镜观察FSW焊接接頭母材（PM）、热影响区（HAZ）、热机影响区（THAZ）以及焊核搅拌区（SZ）4个主要区域的显微组织。采用JEOL-6360LV型SEM电镜对试件拉伸断口进行分析。
2 试验结果及分析
2.1 焊接接头微观组织形貌
使用凯勒试剂腐蚀处理后，具有隧道缺陷接头的横截面微观形貌如图3 所示。图3a中隧道呈长条状，位于前进侧焊核靠下的位置，板厚方向尺寸较小。图3b所示为焊核区域，由于该区域受到搅拌针机械搅拌与摩擦热的双重作用，晶粒被完全打碎，发生动态再结晶，形成了细小的等轴晶，强化相 β（Mg5Si6）均匀地分布在α（Al）基体上[6]。热机影响区如图3c所示，可以看到在机械搅拌作用下，晶粒沿着金属流动方向被拉长。图3d为隧道缺陷附近纤维组织，在靠近隧道的区域，晶粒被完全打碎，发生了动态再结晶[7];但是由于没有足够的塑性金属，带到此区域的摩擦热量不足使得晶粒无法充分长大，形成细小的等轴晶。图3e、3f为母材和热影响区，母材晶粒沿轧制方向被拉长，由于热影响区受到热量的影响较小，因此晶粒大小相较于母材变化不大。
2.2 接头的抗拉强度及断口扫描
按照标准ISO4136-2001对不同尺寸的隧道接头进行拉伸试验，拉伸试验结果见表4。根据标准要求：Rm（W）≥Rm（pm）×T，式中Rm（W）为接头实际抗拉强度，Rm（pm）为标准中所要求的母材抗拉强度的最低规定值，T为接头强度系数。
对于6005A铝合金来说，Rm（W）为255 MPa，接头强度系数T为0.7。不同隧道尺寸与抗拉强度关系对比如图4所示，随着板厚方向隧道尺寸的增大，接头抗拉强度呈下降趋势。隧道尺寸为0.6 mm时，接头的抗拉强度达到最大值213.7 MPa，接头安全系数0.84，高于规定的安全系数（T=0.7），接头拉伸性能良好。随着隧道尺寸增至1.2 mm时，接头的抗拉强度骤降至174.8 MPa，同时接头安全系数低于0.7，接头拉伸性能变差。由于焊缝内部存在隧道缺陷，接头有效连接区域变小，在拉伸试验中隧道位置产生应力集中，因此所有拉伸试件的断裂位置均位于靠前进侧焊核区。 拉伸试验完成后，对试件断口中心及边缘进行SEM扫描，扫描結果如图5所示。
通过低倍扫描照片可以看出，断口上方存在未被塑性金属填满的连续空腔，形成隧道缺陷。焊缝中有效连接部分与焊缝表面成45°，由于颈缩现象，端口下方有效连接部分一侧金属向内收缩。在高倍扫描照片中，断口有效连接部分中心和边缘都存在密集的等轴韧窝。因此，具有不同尺寸隧道缺陷的焊接接头均为韧性断裂。
2.3 接头硬度分布
0.6 mm与1.2 mm隧道接头硬度分布如图6所示，两个不同尺寸的隧道接头的硬度均呈中间高、两边低的“ W ”分布。作为人工时效强化铝合金，6005A-T6 铝合金接头热机影响区的强化相会在摩擦热循环作用下脱溶析出、聚集长大，产生“ 过时效 ”现象[8]，在该区域内焊接接头的硬度相对较低。
1.2 mm隧道型缺陷接头焊核区的硬度为82～
95 HV，前进侧热机影响区至母材硬度为84～94 HV，在5～12 mm处产生软化现象，最低硬度84 HV，后退侧热机影响区至母材硬度为63.6～96 HV，在-12～
-5 mm处产生软化现象，最低硬度为63.6 HV。由于后退侧热机影响区的塑性材料受到机械搅拌作用摩擦热的双重作用，此区域的晶粒被打碎后发生动态再结晶，晶粒尺寸在摩擦热的作用下充分长大;前进侧由于没有足够的塑性金属，摩擦所产生热量不在此区域积聚，所以晶粒被打碎后快速冷却，形成细小的等轴晶，硬度得到了极大的提高。因此，后退侧热机影响区的硬度低于前进侧热机影响区。
3 结论
（1）不同尺寸隧道缺陷接头的抗拉强度与隧道板厚方向尺寸呈负相关，当板厚方向尺寸大于1.2 mm时，接头强度系数为0.685，接头拉伸性能较差;SEM扫描结果显示，断口中心及边缘存在大量的等轴韧窝，接头断裂形式为典型的韧性断裂。
（2）不同尺寸隧道的微观组织形貌无明显变化。隧道缺陷均位于前进侧焊核靠下部位，焊核及隧道附近均为细小的等轴晶;由于热影响区受到的热输入较少，其微观组织形貌与母材相差不大。
（3）接头硬度分布呈“ W ”形状分布，热机影响区（TMAZ）硬度最低，前进侧后退侧硬度最小值分别为84 HV、63.6 HV。后退侧热机影响区受到较大的热输入量，因此硬度最低值出现在此区域。
参考文献：
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[2]李亨，司媛，罗志勇，等.压下量及时效对搅拌摩擦加工6061铝合金组织和力学性能的影响[J].材料热处理学报，2018，39（4）：63-69.
[3]汤化伟，高佳，黄征，等. 7055铝合金双面FSW接头组织和力学性能[J].电焊机，2018，48（10）：13-16，60.
[4]殷琨，黄崇湘，王艳飞，等.工业纯铝搅拌摩擦焊质量与力学性能[J].中南大学学报（自然科学版），2018，49（11）：2677-2683.
[5]元琳琳，王炜，陈晓宇. 2195铝锂合金焊接技术研究进展[J].焊接，2020（9）：38-42，46，63.
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[7]刘春宁，钮旭晶，侯振国.平针搅拌头调修对铝合金焊接接头组织与性能的影响[J].电焊机，2018，48（3）：61-64.
[8]章鸿.焊接热输入量对AZ31B镁合金焊接接头组织和性能的影响[J].轻合金加工技术，2020，48（11）：61-64.