12MM厚6082鋁合金攪拌摩擦焊工藝

張欣盟 ，楊景宏 ，閆占奇 ，夏常青 ，封小松

（1.中國北車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長 春 130062；2.上海航天設(shè)備制造總廠，上海 200245）

0 前言

隨著軌道客車行業(yè)的快速發(fā)展，相應(yīng)地就軌道車輛的安全、高速、低能耗等方面提出了更高的要求。鋁合金材料由于具有比強度高、易成形等優(yōu)點，現(xiàn)已成為軌道車輛，尤其是高速列車車體制造的首選材料，其焊接質(zhì)量的好壞成為決定高速列車長期安全運行的基礎(chǔ)[1]。當(dāng)前，在國內(nèi)軌道車輛加工制造行業(yè)，鋁合金車體制造多以熔化極惰性氣體保護焊（MIG焊）為主，焊接過程易受廠房溫、濕度影響，焊接質(zhì)量與作業(yè)人員的技術(shù)水平和作用狀態(tài)密切相關(guān)，焊接過程中還會產(chǎn)生大量的煙霧、氣體以及弧光輻射污染。為進一步提高鋁合金車體焊接質(zhì)量，改善焊接作業(yè)環(huán)境，開發(fā)應(yīng)用優(yōu)質(zhì)高效、綠色環(huán)保的先進焊接技術(shù)一直為軌道車輛加工制造行業(yè)焊接工作者的研究工作重點。

攪拌摩擦焊FSW（Friction Stir Welding）作為一種先進的焊接技術(shù)，與傳統(tǒng)熔化焊相比，具有熱輸入量低、焊接接頭質(zhì)量高、焊接變形小、綠色環(huán)保等顯著優(yōu)點[2-3]，焊接過程無需填充焊絲和保護氣體，是一種高質(zhì)量、低成本的焊接方法，特別適合有色金屬材料，尤其是鋁合金材料的焊接[4-5]。該技術(shù)通過熱力耦合作用實現(xiàn)材料的固態(tài)連接。FSW焊接時，高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭扎入材料中直至軸肩接觸材料表面，攪拌頭與材料間的摩擦產(chǎn)熱和材料本身變形使材料塑化，在攪拌頭本身提供的壓力作用下形成致密的焊縫[4]。該技術(shù)克服了上述傳統(tǒng)熔焊技術(shù)的不足，在鋁合金焊接方面優(yōu)勢明顯。迄今，西門子、日立、阿爾斯通、龐巴迪等國外先進的軌道車輛制造商都已不同程度的將攪拌摩擦焊技術(shù)應(yīng)用于各自的產(chǎn)品。在國內(nèi)的軌道車輛行業(yè)，F(xiàn)SW技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用相對滯后，但隨著該技術(shù)的應(yīng)用推廣，近兩年國內(nèi)的主要軌道車輛加工制造企業(yè)也展開了攪拌摩擦焊鋁合金車體應(yīng)用的研究應(yīng)用探討。

本研究就軌道車輛常用的鋁合金車體材料（6082-T6鋁合金）進行攪拌摩擦焊工藝試驗研究。在固定焊接速度情況下，研究攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度對接頭表面成形的影響，并利用光學(xué)顯微鏡觀察熱機影響區(qū)、焊核區(qū)的晶粒尺寸、形態(tài)和母材組織。使用萬能試驗機測試不同參數(shù)下制備的FSW接頭力學(xué)性能。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗用材料為厚12 mm的6082-T6鋁合金，試板尺寸600 mm×150 mm×12 mm。6082鋁合金為Al-Mg-Si系鋁合金，經(jīng)T6處理（固溶處理+人工時效）后材料強度得以提高。憑借良好成形性能和焊接性，6082-T6鋁合金被廣泛應(yīng)用于軌道列車領(lǐng)域，其化學(xué)組成和機械性能如表1所示。試驗所用背板為同材質(zhì)的6082-T6鋁合金，尺寸600 mm×300 mm×10 mm。試驗時焊接形式為對接，焊前用酒精擦除試件表面的油污，再用鋼絲刷去除鋁板上表面、側(cè)邊以及背板焊接處的氧化膜，以如圖1所示的方式進行裝夾。

表1 6082-T6鋁合金的化學(xué)成分及力學(xué)性能

圖1 攪拌摩擦焊接試樣裝配示意

表2 試驗工藝參數(shù)

1.2 焊接工藝

試驗設(shè)備為靜龍門攪拌摩擦焊機，其轉(zhuǎn)速250~2000r/min，焊速0~2000mm/min，焊接壓力最高60kN。攪拌頭傾角為0~5°內(nèi)連續(xù)可調(diào)。試驗用攪拌頭軸肩為內(nèi)凹型，攪拌針為圓錐帶螺紋，其具體結(jié)構(gòu)尺寸為：軸肩24 mm，攪拌針圓錐帶右旋螺紋、根部直徑11.5 mm、端部直徑5 mm，攪拌針長度12.9 mm。試驗工藝參數(shù)如表2所示。試驗時攪拌頭前傾角2.5°，攪拌頭下軋速度20 mm/min，焊前停留時間5 s等參數(shù)保持不變。試驗通過改變攪拌頭轉(zhuǎn)速獲得不同性能的FSW接頭，焊后沿著接頭橫斷面進行切割，制作拉伸和彎曲試件，并采用機加工方式去除背板，最終按ISO4136-2001《金屬材料焊縫的破壞性試驗—橫向拉伸試驗》標(biāo)準(zhǔn)制備拉伸試驗試樣尺寸如圖2所示（每組參數(shù)3個）。三點彎曲的側(cè)彎試樣制備及試驗要求按ISO5173-2000執(zhí)行，試驗時選用壓頭直徑132 mm，支撐輥輪間距160 mm，彎曲角度150°。拉伸、彎曲測試均在CSS251DL型萬能試驗機上進行。

圖2 拉伸試樣幾何形式

2 試驗結(jié)果和分析

2.1 宏觀形貌和微觀組織

2.2.1 宏觀形貌及特征

焊接速度為150 mm/min，不同攪拌頭轉(zhuǎn)速的焊縫表面宏觀形貌照片如圖3所示。由圖3可知，不同參數(shù)下制備的試樣都形成了凸凹交替、連續(xù)分布的半圓弧狀紋線。轉(zhuǎn)速由350r/min增加至450 r/min時，所形成的焊縫表面都紋路清晰、成形美觀，無飛邊、溝槽等類型缺陷產(chǎn)生。攪拌頭轉(zhuǎn)速增至500 r/min時，所形成焊縫表面雖無飛邊、溝槽類缺陷產(chǎn)生，但焊縫表面有少許毛刺，表面金屬光澤降低。

圖3 不同轉(zhuǎn)速下的FSW焊縫表面形貌

2.2.2 微觀形貌和特征

攪拌頭轉(zhuǎn)速為350 r/min和500 r/min時焊縫截面的金相照片如圖4所示。由圖4可知，在不同攪拌頭轉(zhuǎn)速條件下，F(xiàn)SW焊縫金相形貌均呈上寬下窄、左右近似對稱的碗狀，作業(yè)兩邊自軸肩影響區(qū)均向內(nèi)緩慢收縮，與攪拌頭趨于一致，并且FSW焊縫組織都有明顯的塑變流線。通過對比FSW焊縫前進側(cè)、后退側(cè)形貌可以看出，焊核區(qū)與兩側(cè)熱影響區(qū)的分界線在前進側(cè)比較明顯，后退側(cè)相對模糊。并且通過對比兩轉(zhuǎn)速條件下所獲得的接頭形貌可知，隨著攪拌頭轉(zhuǎn)速的增加，焊縫尺寸明顯增大。因攪拌摩擦焊過程中產(chǎn)熱主要由三部分組成：材料塑性變形產(chǎn)熱、攪拌針的螺紋摩擦產(chǎn)熱和攪拌頭垂直面摩擦產(chǎn)熱[6]。當(dāng)焊接速度一定時，隨著攪拌頭轉(zhuǎn)速的增加，上述三種產(chǎn)熱機制所產(chǎn)生的熱量都會增加，因此焊縫橫截面尺寸隨之增大。

圖4 不同轉(zhuǎn)速下的FSW焊縫橫截面形貌

圖5a為試驗用6082-T6鋁合金母材組織，其呈明顯的軋制狀組織。圖5b、圖5c、圖5d分別為攪拌頭轉(zhuǎn)速350 r/min時獲得的焊縫焊核、后退側(cè)及前進側(cè)熱機影響區(qū)組織。與母材相比，焊核區(qū)的組織發(fā)生了顯著變化，晶粒形狀變?yōu)樵俳Y(jié)晶等軸狀，并且晶粒非常細(xì)小。同時通過對比可知，前進側(cè)與后退側(cè)熱機影響區(qū)的晶粒沿晶界方面被拉長，相對于后退側(cè)，前進側(cè)熱機影響區(qū)與焊核區(qū)之間的分界線更分明。這主要是因為此區(qū)金屬受到熱和攪拌頭擠壓力的影響，晶粒發(fā)生變形，并且由于擠壓力的不同，使得前進側(cè)與后退側(cè)呈現(xiàn)不同的形貌特征。

2.2 力學(xué)性能

2.2.1 拉伸性能

不同攪拌頭轉(zhuǎn)速下的攪拌摩擦焊焊接接頭的抗拉強度如圖6所示。不同轉(zhuǎn)速條件下獲得的FSW接頭拉伸強度都在母材強度的70%以上。當(dāng)攪拌頭轉(zhuǎn)速為450r/min時強度值最高（225.25MPa），為母材強度的75%。當(dāng)攪拌頭轉(zhuǎn)速進一步增到500 r/min時，F(xiàn)SW接頭強度有所降低。這是因為當(dāng)焊接速度一定時，攪拌頭轉(zhuǎn)速的再次增加，摩擦產(chǎn)熱隨之增大，特別是熱影響區(qū)沉淀相不斷粗化所致。另外，在對接頭進行靜強度拉伸測試時發(fā)現(xiàn)，接頭斷裂位置都位于FSW接頭前進側(cè)的熱機影響區(qū)附近，斷裂方向與應(yīng)力方向呈45°。接頭的拉伸性能及斷裂位置與接頭的組織形態(tài)密切相關(guān)。據(jù)圖5給出的FSW焊縫微觀組織可知，焊縫熱機影響區(qū)晶粒發(fā)生粗化，并且前進側(cè)位置母材到焊核組織變化突然，由此力學(xué)性能相對更低[7]。

圖5 攪拌頭轉(zhuǎn)速為350 r/min時的FSW接頭不同區(qū)域的微觀組織

圖6 不同焊接參數(shù)下的FSW接頭的抗拉強度

2.2.2 彎曲性能

不同攪拌頭轉(zhuǎn)速下的FSW接頭的側(cè)面彎曲試驗結(jié)果照片如圖7所示。由圖7可知，不同攪拌頭轉(zhuǎn)速條件下制備的FSW接頭都表現(xiàn)出了良好的彎曲性能。這是因為FSW過程中熱輸入量相對傳統(tǒng)弧焊較低，焊核形成是在動態(tài)再結(jié)晶條件下形成，焊核晶粒多為幾個微米尺寸的等軸晶[8]，在此參數(shù)范圍內(nèi)制備的FSW接頭雖表面形貌和金相組織有所差異，但焊縫內(nèi)部都無缺陷產(chǎn)生，表現(xiàn)出了優(yōu)異的彎曲性能。

圖7 FSW接頭彎曲試樣

3 結(jié)論

12 mm厚6082-T6鋁合金板材FSW時，當(dāng)焊接速度為150 mm/min時，攪拌頭轉(zhuǎn)速工藝調(diào)整范圍較為寬。攪拌頭轉(zhuǎn)速由350 r/min增加至450 r/min時，焊縫表面螺旋紋清晰、光滑，無飛邊或溝槽缺陷產(chǎn)生，當(dāng)轉(zhuǎn)速增至500r/min時，F(xiàn)SW焊縫表面粗糙度有所增加、金屬光澤降低。當(dāng)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速450 r/min、焊接速度150 mm/min時，可獲得強度相對更高的FSW接頭，接頭強度225.25 MPa，為母材強度的75%。不同攪拌頭轉(zhuǎn)速條件下獲得的FSW焊接試樣都表現(xiàn)出了優(yōu)良的彎曲性能。

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