不同錯(cuò)邊量對(duì)6005-T6鋁合金雙軸肩攪拌摩擦焊接頭疲勞性能的影響

劉春寧 鈕旭晶 侯振國(guó) 陳曉霞 魯二敬

(中車(chē)唐山機(jī)車(chē)車(chē)輛有限公司 河北 唐山 063035)

高速列車(chē)車(chē)體多采用整體組焊結(jié)構(gòu)，而鋁合金具有自重輕，比強(qiáng)度高，無(wú)磁性，成型加工性能好等特點(diǎn)，在高速列車(chē)交通運(yùn)輸?shù)裙I(yè)制造領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1]。但大部分的鋁合金焊接接頭都會(huì)面臨重復(fù)性載荷帶來(lái)的疲勞斷裂問(wèn)題[2]。攪拌摩擦焊是車(chē)體連接的高效焊接方法，在薄板鋁合金焊接過(guò)程中，常采用新型雙軸肩攪拌摩擦焊[3-4]。焊接時(shí)，適宜的裝配工藝參數(shù)可有效提高工件焊接接頭性能，保證生產(chǎn)質(zhì)量[5]。因此，研究不同組裝錯(cuò)邊量對(duì)焊接頭疲勞性能的影響對(duì)于完善雙軸肩攪拌摩擦焊工藝有重要的意義。

下文結(jié)合6種不同的錯(cuò)邊量裝配參數(shù)，對(duì)雙軸肩攪拌摩擦焊下6005-T6鋁合金型材焊接接頭疲勞性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究，通過(guò)對(duì)試件疲勞斷口的掃描分析，確定了不同裝配條件對(duì)6005-T6鋁合金焊接接頭疲勞性能的影響。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用雙軸肩攪拌摩擦焊(BT-FSW)對(duì)5 mm厚的6005-T6鋁合金型材試板進(jìn)行焊接，試驗(yàn)材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))和力學(xué)性能分別如表1和表2所示。

表1 6005-T6鋁合金試驗(yàn)材料化學(xué)成分 /%

表2 6005-T6鋁合金試驗(yàn)材料力學(xué)性能

1.2 試驗(yàn)方法

試板尺寸為500 mm×300 mm×5 mm的6005-T6鋁合金型材，采用雙軸肩攪拌摩擦焊，錯(cuò)邊量裝配圖如圖1所示。分別進(jìn)行裝配錯(cuò)邊量為前進(jìn)側(cè)高0.5 mm、0.7 mm、1 mm和后退側(cè)高0.5 mm、0.7 mm、1 mm的工藝試驗(yàn)，攪拌頭轉(zhuǎn)速取400 r/min，焊接速度取300 mm/min；對(duì)焊接完成的試件均進(jìn)行了外觀檢測(cè)和滲透檢測(cè)，結(jié)果全部合格。

試驗(yàn)設(shè)備采用PLG-100型微機(jī)控制高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)，參照GB/T 13816—1992《焊接接頭脈動(dòng)拉伸疲勞試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。試驗(yàn)參數(shù)：靜載負(fù)荷精度控制在±1%以?xún)?nèi)，動(dòng)載負(fù)荷振幅波動(dòng)度控制在±2%以?xún)?nèi)。試驗(yàn)采用的循環(huán)應(yīng)力比R取0.1，應(yīng)力增量取10 MPa，規(guī)定循環(huán)壽命為1×107次。在試驗(yàn)過(guò)程中采用斷裂保護(hù)，當(dāng)疲勞裂紋尺寸足夠大，載荷加不上去時(shí)，以及振動(dòng)頻率自動(dòng)下降超過(guò)10%時(shí)，試驗(yàn)機(jī)卸載停止試驗(yàn)，并記錄最終循環(huán)次數(shù)。疲勞試件尺寸如圖2所示。

圖1 焊接錯(cuò)邊量裝配示意圖

圖2 疲勞試樣形狀和尺寸

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 疲勞試驗(yàn)結(jié)果及分析

為確定6種不同裝配錯(cuò)邊量下的6005-T6鋁合金雙軸肩攪拌摩擦焊焊接接頭指定循環(huán)壽命為1×107次下的疲勞極限，分別對(duì)裝配錯(cuò)邊量參數(shù)為前進(jìn)側(cè)高0.5 mm、0.7 mm、1.0 mm和后退側(cè)高0.5 mm、0.7 mm、1.0 mm的焊接接頭試件進(jìn)行脈動(dòng)拉伸疲勞試驗(yàn)，通過(guò)升降法繪制每種錯(cuò)邊量下焊接接頭的疲勞強(qiáng)度升降圖，如圖3所示。

注：×—斷裂；Ο—未斷裂。圖3 不同錯(cuò)邊量的疲勞極限升降圖

由升降法確定的6種裝配錯(cuò)邊量下6005-T6鋁合金雙軸肩攪拌摩擦焊接頭指定壽命為1×107次循環(huán)下的中值疲勞極限，可按以下公式計(jì)算：

由此可得：

(1)前進(jìn)側(cè)高0.5 mm的中值疲勞極限強(qiáng)度σ0.1=(75×1+85×3)/4=82.5 MPa；

(2)前進(jìn)側(cè)高0.7 mm的中值疲勞極限強(qiáng)度σ0.1=(55×1+65×3)/4=62.5 MPa；

(3)前進(jìn)側(cè)高1.0 mm的中值疲勞極限強(qiáng)度σ0.1=(65×2+55×2)/4=60 MPa；

(4)后退側(cè)高0.5 mm的中值疲勞極限強(qiáng)度σ0.1=(85×1+75×2+65×1)/4=75 MPa；

(5)后退側(cè)高0.7 mm的中值疲勞極限強(qiáng)度σ0.1=(65×2+55×2)/4=60 MPa；

(6)后退側(cè)高1.0 mm的中值疲勞極限強(qiáng)度σ0.1=(75×1+65×3)/4=67.5 MPa。

以上述6組數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，繪制不同裝配錯(cuò)邊量6005-T6鋁合金型材雙軸肩攪拌摩擦焊焊接接頭脈動(dòng)拉伸疲勞(R取0.1)S-N曲線對(duì)比圖，如圖4所示。

圖4 不同裝配錯(cuò)邊量疲勞S-N曲線對(duì)比圖

從圖4可知：焊接試件裝配錯(cuò)邊量為0.5 mm時(shí)，前進(jìn)側(cè)高0.5 mm焊接接頭的疲勞強(qiáng)度較高，達(dá)到82.5 MPa，后退側(cè)高0.5 mm接頭的疲勞強(qiáng)度在75 MPa以上。隨著裝配錯(cuò)邊量增加到0.7 mm，焊接接頭的中值疲勞極限迅速下降，后退側(cè)高0.7 mm時(shí)疲勞強(qiáng)度最低到60 MPa。當(dāng)錯(cuò)邊量達(dá)到1.0 mm時(shí)，焊接接頭的中值疲勞極限繼續(xù)降低，其中前進(jìn)側(cè)降至60 MPa，后退側(cè)略有升高到67.5 MPa。這是因?yàn)殡S著裝配錯(cuò)邊量增大，導(dǎo)致焊接過(guò)程中補(bǔ)充焊核區(qū)的材料不足，達(dá)到塑性流動(dòng)的材料不充分；攪拌頭壓入量不均勻，焊核一側(cè)表面出現(xiàn)咬邊；軸肩單邊接觸工件，摩擦產(chǎn)熱不足，焊核區(qū)金屬表面厚度下降是接頭疲勞性能下降的主要原因。

2.2 疲勞斷口掃描分析

6種不同裝配錯(cuò)邊量的6005-T6鋁合金型材雙軸肩攪拌摩擦焊疲勞試件斷裂位置主要集中在高低不同的焊核邊緣。如圖5所示，從JSM-6360LV掃描圖像中可以看出：宏觀啟裂區(qū)沒(méi)有出現(xiàn)脆斷缺陷，放大30倍可觀察到典型的疲勞斷裂特征(見(jiàn)圖5-a、b)，擴(kuò)展區(qū)疲勞紋清晰(見(jiàn)圖5-c)，區(qū)域大小隨疲勞循環(huán)次數(shù)的增加而擴(kuò)展；終斷區(qū)放大1 000倍可以觀察到明顯的深韌窩型韌性斷口(如圖5-d所示)。

圖5 疲勞斷口掃描照片

3 結(jié)論

(1)6005-T6鋁合金型材雙軸肩攪拌摩擦焊接頭指定壽命為1×107次的中值疲勞極限強(qiáng)度σ0.1：前進(jìn)側(cè)高 0.5 mm 時(shí)為82.5 MPa，前進(jìn)側(cè)高 0.7 mm時(shí)為62.5 MPa，前進(jìn)側(cè)高 1.0 mm時(shí)為60 MPa；后退側(cè)高0.5 mm時(shí)為75 MPa，后退側(cè)高0.7 mm時(shí)為60 MPa，后退側(cè)高1.0 mm時(shí)為67.5 MPa。

(2)裝配錯(cuò)邊量對(duì)5 mm 6005-T6鋁合金型材雙軸肩攪拌摩擦焊接頭疲勞性能影響很大，隨著錯(cuò)邊量增大，焊縫容易出現(xiàn)咬邊等缺陷，產(chǎn)生應(yīng)力集中導(dǎo)致其疲勞性能下降，焊接過(guò)程應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制裝配錯(cuò)邊量。