MIG 焊和FSW焊對鋁合金焊縫組織的影響

孫庭秀

(渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧葫蘆島125105)

摘要：對異種鋁合金進(jìn)行攪拌摩擦焊和熔化極氣體保護(hù)焊進(jìn)行對比試驗(yàn)，利用光學(xué)顯微鏡以及掃描電子顯微鏡對焊接試樣的微觀組織進(jìn)行觀察，研究攪拌摩擦焊與熔化極氣體保護(hù)焊組織變化的微觀機(jī)理。

關(guān)鍵詞：鋁合金；MIG 焊；攪拌摩擦焊(FSW)；金相組織

作者簡介：孫庭秀，副教授，渤海船舶職業(yè)學(xué)院。

文章編號：1672-6758(2015)06-0064-3

中圖分類號：TG441.8

作者簡介：梁明亮，碩士，副教授，鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院。

基金項(xiàng)目：河南省科技廳2015年軟科學(xué)研究項(xiàng)目“中原經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)背景下大學(xué)生科技創(chuàng)新和創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)的研究”；河南省科技開放合作項(xiàng)目(編號：132106000079)；河南省高校青年骨干教師資助計(jì)劃(編號：2014GGJS-167)；河南省教育廳科技攻關(guān)項(xiàng)目(編號2009C510002、2011C510003)。

鋁合金是制造鐵路高速列車部件的主要材料，解決鋁合金焊接技術(shù)問題，已成為鋁合金加工業(yè)和鐵路高速列車制造業(yè)面臨的重要課題。

本實(shí)驗(yàn)對異種鋁合金進(jìn)行攪拌摩擦焊和熔化極氣體保護(hù)焊對比試驗(yàn)，研究兩種焊接方法焊接接頭組織的特點(diǎn)和變化規(guī)律。

一試驗(yàn)材料及方法

本實(shí)驗(yàn)所用材料為板厚為12mm 6005A-6082-T6鋁合金，屬于熱處理可強(qiáng)化鋁合金，具有中等強(qiáng)度和良好的焊接性能、耐腐蝕性。其兩種鋁合金化學(xué)成分分別如表1-1、1-2所示。

表1-1　6005A-T6鋁合金化學(xué)成分(wt%)

表1-2　6082-T6鋁合金化學(xué)成分(wt%)

二試驗(yàn)設(shè)備及方法

1.MIG 焊工藝參數(shù)及方法。

試樣板MIG焊保護(hù)氣體為30%He+0.015%N2+69.985%Ar混合氣體，并且背面帶有襯板。試件采用多層多道焊接方法，接頭采用對接，開90°單面V型坡口。試件焊接工藝參數(shù)見表1-3所示。

表1-3　試樣MIG的焊接規(guī)范參數(shù)

2.攪拌摩擦焊工藝參數(shù)及方法。

在FSW-LM-5025型攪拌摩擦焊機(jī)上進(jìn)行對接試驗(yàn)。攪拌焊針長度為13mm，焊肩直徑為28mm。表1-4所示給出了FSW-LM-5025型攪拌摩擦焊機(jī)的輸出參數(shù)以及試驗(yàn)采用的焊接參數(shù)。

表1-4　FSW-LM-5025型攪拌摩擦焊機(jī)的

3.金相試樣制備。

使焊縫居中，垂直于焊縫方向取樣，切割面平整。采用 400 號到 2000 號砂紙依次手動(dòng)磨光，在 P-2 型拋光機(jī)上進(jìn)行拋光，分別用 2.5 號、0.5 號金剛石研磨膏在絲絨布上進(jìn)行粗拋和精拋，選用擦蝕法浸蝕試樣，浸蝕溶液為 Keller 試劑(150mlH2O，3mlHNO3，6mlHCl，6mlHF)。腐蝕時(shí)間為10min；沖洗風(fēng)干處理完畢后，采用 BX51M 光學(xué)顯微鏡分別對 MIG 焊和FSW 兩種焊接接頭焊態(tài)下的顯微組織形態(tài)進(jìn)行觀察。

三實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

1. 6082、6005A母材顯微組織。

圖 1a)、b)為6082、6005A母材的顯微組織，晶粒呈纖維狀，并且纖維排列方向沿板材軋制方向分布。強(qiáng)化相Mg2Si均勻分布α(Al)固溶體基體上，少量Mg2Si 初晶分布母材區(qū)組織呈黑色鑄態(tài)。

a)

b) 圖1　鋁合金母材的顯微組織 Fig.1　Microscopic structure of the base organization

2. MIG焊焊接接頭組織及分析。

圖2所示為采用熔化極氣體保護(hù)焊焊接(MIG)方法，焊接6082-6005A-T6兩板材對接焊縫區(qū)的宏觀形貌，其中A和B分別是兩種試樣母材。

圖2　MIG接頭宏觀形貌 Fig.2　Macroscopic morphology of the MIG welding

圖3所示為采用熔化極氣體保護(hù)焊焊接(MIG)方法，試板對接焊接接頭的顯微組織。其中圖3 a)是焊縫區(qū)顯微組織，因鋁合金導(dǎo)熱性強(qiáng)、散熱快，焊縫組織結(jié)晶和凝固速度極快，焊縫區(qū)液態(tài)金屬結(jié)晶組織呈等軸枝晶狀。圖3 b)、c)是兩側(cè)熔合區(qū)顯微組織，顏色發(fā)亮線條是熔合線。熔合區(qū)附近母材晶粒作為現(xiàn)成表面向焊縫中心生長，但長大的趨勢各不相同，有的柱狀晶很快長大，長了焊縫中心，而有的柱狀晶成長半途終止。在散熱的方向上晶體成長的快，故接近熔合線的焊縫組織晶粒呈粗大柱狀晶狀。

a) 焊縫區(qū)Weld Nugget

b) 6082熔合區(qū) 6082 fusion zone

c)6005A熔合區(qū)6005A fusion zone 圖3　MIG 焊焊接接頭顯微組織 Fig.3　Microscopic structure of the MIG welding

3.FSW焊焊接接頭組織及分析。

圖4所示為采用攪拌摩擦焊方法，焊接6082-6005A-T6兩板材對接焊縫區(qū)橫剖面的宏觀形貌，其中A和B分別是試樣母材。從圖 4可見在焊縫區(qū)橫剖面圖上，熔合線橫截面呈 “碗”狀，且左右不一致，A試樣母材一側(cè)寬和B試樣母材一側(cè)較窄。攪拌摩擦焊是采用高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭做為焊具，攪拌針是部分插入接縫中，通過摩擦產(chǎn)生的熱能作為熱源實(shí)現(xiàn)固相連接的。在攪拌針周圍產(chǎn)生了塑性流動(dòng)，并沿著工件向前運(yùn)動(dòng)，由于攪拌針旋轉(zhuǎn)方向兩側(cè)金屬存在溫度差，同時(shí)造成焊縫兩側(cè)熔合區(qū)的化學(xué)不均勻性和物理不均勻性，隨著焊縫金屬逐漸冷卻形成焊縫。造成焊縫左右熔合線不對稱，造成前進(jìn)側(cè)熔合區(qū)和回轉(zhuǎn)側(cè)熔合區(qū)有一條寬窄不一致的清晰的流線型分界線，或稱其為“洋蔥環(huán)”。

圖4　6082-6005-T6 鋁合金攪拌摩擦焊接頭 典型宏觀斷面 Fig.4　Typical cross section of FSW welding of 6082-6005-T6 aluminum alloy

如圖5所示為FSW焊焊接接頭熱影響區(qū)顯微組織。其中圖5 a)為攪拌針旋轉(zhuǎn)方向前進(jìn)側(cè)熱影響區(qū)組織，而圖5b)為攪拌針旋轉(zhuǎn)方向后退側(cè)熱影響區(qū)組織。焊接時(shí)，攪拌針熱影響區(qū)機(jī)械攪拌作用相對焊縫區(qū)小，熱影響區(qū)組織沿著熱影響區(qū)寬度方向處于不同的塑性軟化狀態(tài)，該區(qū)溫度低于焊縫區(qū)且極不均勻，晶粒未變?nèi)猿世w維狀，但有較大的變形，并且在熱循環(huán)的作用下纖維狀組織內(nèi)產(chǎn)生再結(jié)晶組織。由圖中可以看出，前進(jìn)側(cè)晶粒有長大趨勢相對返回側(cè)較明顯，由于攪拌針旋轉(zhuǎn)方向兩側(cè)金屬存在溫度差且前進(jìn)側(cè)溫度高造成的。圖 5 c)為FSW焊焊接接頭焊縫區(qū)顯微組織，焊縫區(qū)晶粒組織受到攪拌頭擠壓作用，同時(shí)受到攪拌針強(qiáng)烈的機(jī)械攪拌作用，不僅成分均勻，而且該區(qū)域受摩擦熱作用，溫度最高，成長的晶粒遭到打碎，增加了結(jié)晶中心，使結(jié)晶以后的金屬組織細(xì)化。該區(qū)域組織塑性軟化狀態(tài)，母材原有纖維狀組織破碎，因而母材組織在攪拌針的機(jī)械攪拌作用發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，母材晶粒沿板材軋制方向呈長纖維狀組織變?yōu)榈容S細(xì)小的再結(jié)晶組織。

a)前進(jìn)側(cè)熱影響區(qū) heat influence area of the forward side

c)焊縫nugget 圖5　FSW 焊接接頭顯微組織 Fig.5　Microscopic structure of FSW welding

四結(jié)論

本試驗(yàn)對 6082-6005A-T6 鋁合金 MIG 焊和攪拌摩擦焊兩種接頭分別進(jìn)行組織分析，通過對比，得出如下結(jié)論：

6082-6005A-T6 鋁合金 MIG 焊接頭焊縫組織為等軸枝晶，熔合區(qū)組織為細(xì)網(wǎng)狀，晶粒粗大。FSW 焊接接頭比 MIG 焊接頭具有細(xì)小的等軸再結(jié)晶組織，并且焊接熱影響區(qū)狹窄。

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Impact of the MIG and FSW Welding on Metallographic Structure of Aluminum Alloy Joint

Sun Tingxiu

(Bohai Shipbuilding Vocational College, Huludao,Liaoning 125005, China)

Abstract：The contrast test was finished between Friction Stir Welding and Metal-Inert Gas Welding of the heterogeneous aluminum alloy. Through observing the microstructure of welded specimen by optical microscope and scanning electron microscope, microscopic mechanism of organizational change of MIG welding and FSW welding was studied.

Key words：aluminum alloy；MIG；FSW；metallographic structure

Class No.:TG441.8Document Mark：A

(責(zé)任編輯：蔡雪嵐)

李勇，碩士，副教授，鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院。