(1.中車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)有限公司，湖南 株洲 412000； 2.航天工程裝備(蘇州)有限公司，江蘇 蘇州 215100； 3.西南交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610031； 4.上海航天設(shè)備制造總廠，上海 200245)

6005A-T6鋁合金型材雙軸肩攪拌摩擦焊接頭組織及力學(xué)性能

侍光磊1張璟瑜1胡豐1潘曉揚(yáng)2張英波3李康寧3吉華4

(1.中車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)有限公司，湖南 株洲 412000； 2.航天工程裝備(蘇州)有限公司，江蘇 蘇州 215100； 3.西南交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610031； 4.上海航天設(shè)備制造總廠，上海 200245)

采用雙軸肩攪拌摩擦焊接方法對(duì)4.5 mm厚6005A-T6鋁合金型材在較高焊接速度下進(jìn)行了對(duì)接試驗(yàn)。結(jié)果表明，較高的焊接速度下仍可獲得外觀及性能優(yōu)良的接頭，但易出現(xiàn)隧道型缺陷及裂紋缺陷。在試驗(yàn)參數(shù)下，接頭性能與WP(焊接速度與攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度的比值)有密切關(guān)系：接頭抗拉強(qiáng)度隨著WP值的增大基本呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在攪拌頭轉(zhuǎn)速為1 400 r/min以及焊接速度為1 400 mm/min時(shí)獲得強(qiáng)度較高的接頭，其抗拉強(qiáng)度為231 MPa，是母材強(qiáng)度的77%。斷口掃描結(jié)果顯示，在試驗(yàn)參數(shù)下，接頭斷裂方式隨著WP值的增大由塑性斷裂逐漸變?yōu)榘鼐嗔?、韌性斷裂、解理斷裂的混合型斷裂。

6005A-T6鋁合金雙攪拌摩擦焊微觀組織

0 序 言

攪拌摩擦焊(Friction Stir Welding，F(xiàn)SW)作為一種固相焊接方法，具有焊接接頭成形美觀、綜合力學(xué)性能好、焊接變形小、綠色環(huán)保和無(wú)需焊材等優(yōu)點(diǎn)，適用于鋁合金、鎂合金、鈦合金、銅合金等金屬材料焊接，因此攪拌摩擦焊在造船、航空、航天及軌道交通等領(lǐng)域獲得了廣泛的推廣和應(yīng)用[1]。但常規(guī)攪拌摩擦焊接過(guò)程伴隨較大的頂鍛力，需要對(duì)工件背部進(jìn)行剛性支撐，這一特點(diǎn)限制了攪拌摩擦焊接工藝方法在一些復(fù)雜結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用[2]。

雙軸肩攪拌摩擦焊(Bobbin Tool Friction Stir Welding)是一種新型的攪拌摩擦焊接方式，在雙軸肩攪拌頭中，由一個(gè)共用的攪拌針連接上下兩個(gè)軸肩，并分別與試件的兩個(gè)表面接觸，下軸肩代替了背部的剛性支撐墊板[3]。這一改進(jìn)大大降低了焊接過(guò)程中的頂鍛壓力，提高了攪拌摩擦焊的可操作性，同時(shí)節(jié)省了制造剛性裝置的成本。目前雙軸肩攪拌摩擦焊技術(shù)還處在研究階段，M.Esmaily[4]通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，雙軸肩FSW與普通FSW相比，其峰值溫度較高，但對(duì)工件熱輸入較低且冷卻速率較快，因此可以得到抗拉強(qiáng)度較高的焊接接頭；Wang等人[5]研究了雙軸肩攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度對(duì)接頭性能的影響，當(dāng)焊接速度為42 mm/mim，轉(zhuǎn)速為800 r/min時(shí)可獲得達(dá)80%母材強(qiáng)度的AA2198鋁合金焊接接頭；Zhang等人[6]發(fā)現(xiàn)焊接速度對(duì)雙軸肩攪拌摩擦焊接頭的斷裂位置有較大影響，當(dāng)焊接速度較低時(shí)，斷裂發(fā)生在焊核區(qū)，而當(dāng)焊接速度較高時(shí)，斷裂發(fā)生在熱影響區(qū)；中航工業(yè)的董繼紅等人[7]還開(kāi)發(fā)了一種浮動(dòng)式雙軸肩攪拌摩擦焊設(shè)備，該設(shè)備降低了攪拌摩擦焊對(duì)工件平面度的要求，利用此設(shè)備可得到達(dá)79%母材強(qiáng)度的6082-T6鋁合金焊接接頭。

雙軸肩攪拌摩擦焊的工藝特點(diǎn)使得其在鋁合金型材的焊接方面具有廣闊的應(yīng)用前景，但目前此項(xiàng)技術(shù)在該方面的研究還處在初級(jí)階段，所研究的雙軸肩FSW焊接速度較低，還未達(dá)到工業(yè)化應(yīng)用要求[8-9]。文中以高速列車(chē)用6005A-T6鋁合金中空型材為研究對(duì)象，采用雙軸肩攪拌摩擦焊技術(shù)，研究高速焊接下接頭的組織與性能，這對(duì)實(shí)現(xiàn)雙軸肩攪拌摩擦焊的工業(yè)化應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。

1 試驗(yàn)材料與方法

高速列車(chē)用6005A-T6(固溶后人工時(shí)效)鋁合金中空型材化學(xué)成分見(jiàn)表1，其抗拉強(qiáng)度為300 MPa。型材壁厚為4.5 mm，采用上海航天設(shè)備制造總廠制造的二維攪拌摩擦焊設(shè)備進(jìn)行雙軸肩攪拌摩擦焊，雙軸肩攪拌頭采用MP159模具鋼，其結(jié)構(gòu)及焊接過(guò)程如圖1所示。

表1 6005A-T6鋁合金中空型材成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

在大量工藝試驗(yàn)的基礎(chǔ)上選擇焊接參數(shù)如表2所示。焊后對(duì)試板進(jìn)行X射線檢測(cè)，選取無(wú)缺陷的接頭用線切割沿試樣橫截面取金相試樣，經(jīng)研磨、拋光和腐蝕后，采用光學(xué)顯微鏡(OM，Zeiss Axio Lab A1)觀察顯微組織；采用AET-100K電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試雙軸肩FSW接頭的拉伸性能；采用掃描電子顯微鏡(SEM，JSM-7001F)觀察斷口形貌。

圖1 雙軸肩攪拌摩擦焊

轉(zhuǎn)速/(r·min-1)焊接速度v/(mm·min-1)WP值/(mm·r-1)120010000.83120012001.00120016001.33140014001.00140022001.57140024001.71

2 結(jié)果與分析

2.1 宏觀形貌與顯微組織

6005A-T6鋁合金型材雙軸肩攪拌摩擦焊接頭宏觀形貌如圖2a～2b所示，由圖可以看出雙軸肩FSW接頭橫截面金相宏觀形貌與常規(guī)FSW完全不同。常規(guī)FSW接頭金相宏觀形貌呈“碗”型，上部較寬，下部較窄;焊縫上表面的寬度接近于攪拌針軸肩直徑，下表面的寬度接近于攪拌針直徑。而雙軸肩FSW接頭宏觀形貌為“啞鈴”型，上、下表面寬，中間窄。還可以看到5號(hào) 接頭中存在隧道型缺陷。

圖2 焊接接頭宏觀形貌

對(duì)4號(hào) 試樣焊縫區(qū)不同部位顯微組織進(jìn)行觀察，如圖3所示，圖3a～3d依次為母材、熱影響區(qū)、熱機(jī)影響區(qū)和焊核區(qū)。由圖3a可見(jiàn),6005A-T6鋁合金母材晶粒尺寸均勻，圖3b為熱影響區(qū)組織在焊接過(guò)程中只受熱循環(huán)作用，部分晶粒發(fā)生長(zhǎng)大，致使晶粒尺寸分布不均勻。熱機(jī)影響區(qū)的組織在焊接過(guò)程中既受到攪拌針的機(jī)械攪拌，又受到焊接熱循環(huán)作用，因此，這部分材料晶粒相較于熱影響區(qū)得到一定的細(xì)化，如圖3c所示。焊核區(qū)由于受到攪拌針強(qiáng)烈的攪拌作用，經(jīng)歷了較高溫度的熱循環(huán)，組織發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，形成細(xì)小的等軸再結(jié)晶組織，使得焊縫得到細(xì)晶強(qiáng)化，如圖3d所示。

圖3 4號(hào)試樣焊縫區(qū)不同部位顯微組織

2.2 力學(xué)性能

圖4為不同焊接參數(shù)下6005A-T6鋁合金雙軸肩FSW焊接接頭抗拉強(qiáng)度。從圖3中可以看出當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 200 r/min時(shí)，接頭強(qiáng)度隨著焊接速度的增大先降低后升高；當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 400 r/min時(shí)，接頭強(qiáng)度隨著焊接速度的增大逐漸減小。4號(hào)試樣的抗拉強(qiáng)度最高，為231 MPa，達(dá)母材強(qiáng)度的77%。

圖4 不同焊接參數(shù)下接頭抗拉強(qiáng)度

有人將焊接速度v與攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度ω的比值簡(jiǎn)稱(chēng)為WP，作為表征攪拌摩擦焊接熱輸入的特征值，WP表示攪拌頭旋轉(zhuǎn)一周沿焊接方向發(fā)生的位移[1]。因此將試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行上述處理，得到雙軸肩FSW接頭性能和WP的關(guān)系，如圖5所示。從圖4中可以看出，接頭強(qiáng)度隨著WP值的增大基本呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)WP為1時(shí)，4號(hào)試樣的強(qiáng)度要高于2號(hào)試樣，這是由于2號(hào)試樣存在明顯的隧道型缺陷，導(dǎo)致該參數(shù)下接頭性能較低。

圖5 雙軸肩FSW接頭性能和WP的關(guān)系

2.3 斷口分析

圖6為4號(hào)試樣斷口的掃描電鏡形貌，圖6a為宏觀形貌，圖6b為白色區(qū)域的放大圖，從圖中可以看出斷口中心為明顯的韌窩，韌窩小而深，許多小韌窩聚集成尺寸較大的韌窩，表明接頭斷裂形式為微孔聚集型韌性斷裂。

圖6 4號(hào)試樣斷口掃描電鏡形貌

圖7為5號(hào)試樣斷口的掃描電鏡形貌，圖7a為斷口宏觀形貌，可以發(fā)現(xiàn)不是特別明顯的“螺旋體”存在，這是FSW特有的斷口形式；對(duì)圖中白色區(qū)域放大觀察，可以發(fā)現(xiàn)多種斷裂形式：沿晶斷裂；韌性斷裂；解理斷裂。綜合分析，認(rèn)為此種斷口為混合型斷裂，并且由于缺陷的存在導(dǎo)致此種接頭強(qiáng)度較低。

對(duì)試樣的拉伸斷口進(jìn)行對(duì)比分析，可以發(fā)現(xiàn)不同參數(shù)下6005A-T6鋁合金進(jìn)行雙軸肩FSW焊接接頭拉伸宏觀斷口形貌可分為兩種：①斷口呈現(xiàn)45°開(kāi)裂，發(fā)生明顯的頸縮，1號(hào) 和4號(hào) 試樣即為此種斷裂形貌；②斷口未發(fā)生頸縮，斷口表面較為平整，有不明顯的“螺旋體”存在，斷口表面甚至存在隧道缺陷，3號(hào),5號(hào)和6號(hào)試樣即為此種斷裂形貌。結(jié)合表2中WP值可以看出WP值對(duì)接頭斷裂方式有一定影響，隨著WP值的增大，雙軸肩攪拌摩擦焊接頭熱輸入逐漸降低，導(dǎo)致裂紋缺陷、隧道型缺陷的產(chǎn)生，接頭斷裂方式由韌性斷裂逐漸變?yōu)榛旌闲蛿嗔选?/p>

圖7 5號(hào)試樣典型斷口的掃描電鏡形貌

3 結(jié) 論

(1)在較高的焊接速度下能夠獲得抗拉強(qiáng)度較高的焊縫，最大抗拉強(qiáng)度為231 MPa，可達(dá)母材的77%，但是在較高的焊接速度下接頭更易產(chǎn)生裂紋缺陷及隧道缺陷。

(2)試驗(yàn)參數(shù)下，接頭強(qiáng)度及接頭斷裂方式和WP值有密切聯(lián)系：隨著WP值的增大，接頭強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在WP=1時(shí)，接頭強(qiáng)度達(dá)到最大；接頭斷裂方式隨著WP值的增大由韌性斷裂逐漸變?yōu)榘鼐嗔?、韌性斷裂、解理斷裂的混合型斷裂。

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2016-06-21

TG407

侍光磊，1983年出生，學(xué)士。主要從事焊接工藝工作，已發(fā)表文章5篇。

吉 華，1986年生，博士研究生。主要從事輕量化材料攪拌摩擦焊技術(shù)研究及焊接結(jié)構(gòu)，已發(fā)表論文10余篇。