6005A铝合金搅拌摩擦焊接头组织、力学性能及耐蚀性能研究
可热处理强化的6005A铝合金具有较高的强度、良好的挤压性能和优异的耐蚀性能等特性,成为我国高速列车车体制造的主要材料。由于焊接结构在高速列车生产制造中占据非常核心的地位,铝合金的焊接技术直接关乎到轨道车辆的服役质量、使用寿命和安全运营。搅拌摩擦焊（FSW）可以有效避免以往焊接技术中存在的一系列冶金问题,被认为是一种极具潜力的焊接技术。本文对不同焊接工艺参数的6005A合金FSW接头的宏观及微观组织进行表征,并且着重研究微观组织对接头疲劳性能和腐蚀行为的影响机理,最终获得综合性能良好的焊接接头的焊接参数区间。另外,同时开展了 6005A/7N01异种铝合金FSW接头的研究,探索材料放置顺序对异种FSW接头性能的影响。主要研究内容及结果如下:研究了 6005A合金FSW接头组织演变规律。母材（BM）的晶粒组织呈等轴状,晶粒内部分布大量针状的β"相。由于搅拌针直接作用,焊核区（WNZ）受到工具直接作用发生再结晶,大角度晶界比例增大,晶粒尺寸显著下降;晶内β"相全部回溶至Al基体,在随后的室温停放过程发生自然时效,形成原子团簇和GP区;热力影响区（TMAZ）在晶粒间作用力和热输入的耦合作用下发生不完全再结晶,晶粒受到搅拌针牵引作用呈现拉长状,晶内存在大量位错;热影响区（HAZ）晶粒形态与BM保持一致,晶内主要存在β’相和Q’相,随着焊接热输入的增加,β’相和Q’相的数量减少,尺寸增大。研究了焊接参数对6005A铝合金FSW接头常规力学性能的影响。6005A铝合金FSW接头显微硬度分布曲线呈W型,硬度最低值位于HAZ。HAZ的软化主要和β"相数量减少和β’、Q’相粗化有关。过大的焊接热输入会造成FSW接头HAZ进一步软化,而热输入不足会使FSW接头形成孔洞、未焊合等焊接缺陷。因此,经过对焊接参数的优化后获得适宜的参数范围:搅拌头转速1500rpm,焊接速度500～900mm/min;焊接速度700 mm/min,搅拌头转速1500～2400 mm/min。研究了 6005A铝合金FSW接头的疲劳行为。结果表明,焊接参数对焊接接头疲劳性能影响显著。接头的疲劳强度与焊接热输入呈负相关。当焊接速度和搅拌头转速分别为700 mm/min和2400 rpm时,焊接接头的疲劳强度最大。FSW接头WNZ和HAZ的疲劳裂纹扩展速率均随着焊接速度的增大或搅拌头转速的减小而增大,WNZ比 HAZ具有更好的抗疲劳裂纹扩展性能。HAZ内的β’相和Q’相满足位错切过机制,相尺寸越大,裂纹扩展所需的功越小,则裂纹扩展速率越低。另外,残余应力是造成裂纹扩展速率增大的原因之一,HAZ附近的残余应力远大于WNZ,导致HAZ的裂纹扩展速率增大。研究了 6005A铝合金FSW接头的晶间腐蚀、剥落腐蚀和应力腐蚀行为。结果表明,随着焊接热输入减小,接头的耐蚀性能显著下降。与WNZ相比,HAZ具有更大的腐蚀敏感性。随着焊接速度增大或搅拌头转速减小,WNZ的腐蚀模式从点蚀逐渐发展为点蚀+局部晶间腐蚀,HAZ的腐蚀模式从局部晶间腐蚀发展为全面晶间腐蚀。电化学性能测试结果显示,HAZ的自腐蚀电位低于WNZ,表明HAZ发生电化学腐蚀的热力学可能性更高。随着焊接速度增大或搅拌头转速减小,WNZ和HAZ的自腐蚀电位和电化学阻抗均逐渐降低。WNZ大角度晶界比例高,增大了晶界的界面能,使晶界更易受到酸性介质的侵蚀;减少HAZ晶界上Mg2Si相的数量,增大间距,可以有效的降低腐蚀敏感性。研究了 6005A/7N01异种铝合金FSW接头的组织与性能。由于6005A合金塑性流动性要优于7N01合金,当6005A合金位于前进侧时,接头WNZ内两种合金的混合更加充分。所有工艺条件下接头的拉伸断裂均发生在6005A合金一侧的HAZ。当7N01合金位于前进侧时,WNZ内7N01合金发生塑性变形产生更多的热量,造成HAZ进一步软化,使接头抗拉强度略有下降;WNZ内两种合金混合程度较差,疲劳裂纹沿着两种合金交界处扩展,显著降低了接头的疲劳性能。6005A和7N01合金具有较大的电位差,使接头WNZ形成原电池,发生电偶腐蚀,其中7N01合金作为阳极发生严重腐蚀,而6005A合金由于阴极保护机制,未发生明显的腐蚀。
- 作者：
- 刘敬萱
- 学位授予单位：
- 北京有色金属研究总院
- 授予学位：
- 博士
- 学位年度：
- 2020年
- 导师姓名：
- 沈健；李锡武
- 中图分类号：
- TG453.9
- 关键词：
- 6005A铝合金；搅拌摩擦焊；微观组织；疲劳性能；腐蚀行为
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- 基金项目：
- 国家重点研发计划项目（2016YFB0300900）