6061鋁合金攪拌摩擦焊溝槽及隧道缺陷補(bǔ)焊工藝研究①

吉華 封小松 汪虎 周禮龍 李達(dá) 肖長(zhǎng)源

摘要： 攪拌摩擦焊焊接過程中，因焊接參數(shù)選取不當(dāng)或設(shè)備穩(wěn)定性不足時(shí)，焊接接頭中就會(huì)產(chǎn)生溝槽、隧道等缺陷。文中選用6061鋁合金車體材料，采用不同工藝對(duì)溝槽、隧道缺陷進(jìn)行補(bǔ)焊，并對(duì)補(bǔ)焊后接頭的組織性能進(jìn)行分析。結(jié)果表明，采用TIG+FSW（friction stir welding，攪拌摩擦焊）或TIG+FSSW（Friction stir spot welding，攪拌摩擦點(diǎn)焊）焊接工藝可以對(duì)溝槽、隧道等缺陷實(shí)現(xiàn)補(bǔ)焊。且補(bǔ)焊后可以得到焊接變形小、強(qiáng)度高、塑性好的接頭，不同的補(bǔ)焊工藝對(duì)接頭的組織和硬度影響不大。

關(guān)鍵詞： 中圖分類號(hào)： TG457.11

Research on repair welding of groove and the tunnel defect of friction

stir welding of 6061 aluminum alloy

Ji Hua1， Feng Xiaosong1， Wang Hu1， Zhou Lilong1， Li Da2， Xiao Changyuan2

（1.Shanghai Aerospace Equipments Manufacturer， Shanghai 200245， China；

2.Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China）

Abstract： In the process of friction stir welding，welding defects such as groove and tunnel will be produced when welding parameters are improper or equipment stability is inadequate.In this paper，6061 aluminum body material was used，and different repair welding techniques were also be tested，and then microstructure and properties of welding joint were be analyzed after welding.The results showed that the groove and the tunnel defects can be repaired by TIG+FSW or TIG+FSSW.It can be obtained that the deformation of welding joint is small，and strength is high，and the plastic is excellent.Different repairing welding has little effect on the microstucture and hardness of the joint.

Key words： 6061 aluminum alloy； friction stir welding； welding defect； repair welding

注：①基金項(xiàng)目：科技部國會(huì)項(xiàng)目2013DFR50420。

0前言

6061 鋁合金具有中等強(qiáng)度、好的耐蝕性、應(yīng)力腐蝕破裂傾向低、良好的成形性和工藝性能等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代建筑、交通運(yùn)輸、航空航天、機(jī)械、電力電子和家用電器等領(lǐng)域[1-2]。

雖然利用攪拌摩擦焊技術(shù)能夠獲得高質(zhì)量的焊接接頭，也避免了傳統(tǒng)熔化焊方法出現(xiàn)的裂紋、氣孔等焊接缺陷，但在工藝參數(shù)或條件不適當(dāng)?shù)那闆r下易出現(xiàn)填充不完全、未焊透和根部不連續(xù)等缺陷[3-5]。因此對(duì)焊接缺陷補(bǔ)焊方面的研究報(bào)道越來越多。趙衍華等對(duì)2014鋁合金攪拌摩擦焊焊接接頭的缺陷進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，攪拌頭的形狀及工藝參數(shù)對(duì)接頭缺陷的形成具有重要影響[6]。陳華斌等對(duì)5456鋁合金攪拌摩擦焊中的孔洞等缺陷進(jìn)行了研究，分析了缺陷的形成原因以及攪拌頭傾角對(duì)缺陷產(chǎn)生的影響[2]。缺陷一旦產(chǎn)生，就會(huì)對(duì)接頭及焊接結(jié)構(gòu)造成重大影響，因此缺陷修復(fù)方面的研究也得到廣泛關(guān)注。劉會(huì)杰等研究了攪拌摩擦焊接缺陷的補(bǔ)焊方法。結(jié)果表明，采用攪拌摩擦焊方法能夠消除溝槽、孔洞等缺陷[7]。劉會(huì)杰等對(duì)厚板鋁合金攪拌摩擦焊匙孔進(jìn)行了補(bǔ)焊，研究了不同補(bǔ)焊次數(shù)下的接頭性能，結(jié)果得到，F(xiàn)SW補(bǔ)焊一次、二次、三次的接頭中，補(bǔ)焊二次的接頭抗拉強(qiáng)度最高，補(bǔ)焊一次的接頭強(qiáng)度最低[8]。王鑫等對(duì)鎂合金鑄件缺陷攪拌摩擦修復(fù)工藝的方法進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，采用攪拌摩擦方法修復(fù)航天器鑄件缺陷從技術(shù)上是可行的[9]。黃永憲等在基于固態(tài)連接原理的填充式攪拌摩擦焊匙孔修復(fù)技術(shù)中，提出了填充式攪拌摩擦焊匙孔修復(fù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)焊縫匙孔的準(zhǔn)等強(qiáng)修復(fù)[10]。

雖然很多學(xué)者針對(duì)攪拌摩擦焊缺陷及其補(bǔ)焊工藝方面進(jìn)行了一定的研究，但是補(bǔ)焊方法還是比較單一，補(bǔ)焊后接頭性能還有待進(jìn)一步提高。基于此，文中采用TIG+FSW和TIG+FSSW兩種方法對(duì)出現(xiàn)溝槽、隧道缺陷的接頭進(jìn)行補(bǔ)焊，并對(duì)其補(bǔ)焊后接頭的組織性能進(jìn)行研究，為攪拌摩擦焊缺陷補(bǔ)焊工藝的優(yōu)化及完善提供可靠的參考依據(jù)。

1試驗(yàn)材料及方法

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料選用6061鋁合金車體材料，狀態(tài)為O態(tài)，每個(gè)焊接試板的尺寸為300 mm×100 mm×4 mm。

母材化學(xué)成分和力學(xué)性能分別見表1及表2。

表16061鋁合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）MgSiCuCrFeMnZnTi其它Al0.8～1.20.4～0.80.15～0.40.04～0.350.70.150.250.15015余量

表26061鋁合金母材力學(xué)性能抗拉強(qiáng)度

Rm/MPa屈服強(qiáng)度

Rel/MPa斷面伸長(zhǎng)率

A（%）190163121.2焊接及補(bǔ)焊方法

首先通過人為制造缺陷，然后再對(duì)缺陷接頭進(jìn)行補(bǔ)焊。制造缺陷接頭的參數(shù)如表3所示。針對(duì)溝槽缺陷采用了3種不同補(bǔ)焊工藝，隧道缺陷采用1種補(bǔ)焊工藝，補(bǔ)焊工藝如表4所示。

表3缺陷制造缺陷

類型轉(zhuǎn)速

ω/（r·min-1）焊接速度

v/（mm·min-1）傾角α/（°）說明隧道8501502.7裝配間隙2.5 mm溝槽1 2001002.7壓入量為-0.1 mm

表4補(bǔ)焊工藝缺陷類型補(bǔ)焊工藝編號(hào)隧道TIG填絲焊+FSW補(bǔ)焊1溝槽TIG填絲焊補(bǔ)焊2TIG填絲焊+FSW補(bǔ)焊3TIG填絲焊+FSSW補(bǔ)焊4

1.3測(cè)試分析方法

加工完成后沿試樣橫截面截取試樣，用混合酸（1.0%HF+1.5%HCl+2.5%HNO3+95.0%H2O）對(duì)拋光后的試樣進(jìn)行腐蝕，在光學(xué)顯微鏡下觀察補(bǔ)焊區(qū)域的微觀組織。采用HVS-30數(shù)顯維氏硬度計(jì)對(duì)補(bǔ)焊接頭斷面進(jìn)行硬度測(cè)試。根據(jù)《GB/T-228—2010金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》對(duì)補(bǔ)焊接頭取樣并在電子萬能試驗(yàn)機(jī)上在室溫下以2 mm/min的拉伸速度進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。并對(duì)其斷口形貌采用掃描電子顯微鏡（SEM）進(jìn)行觀察。

2試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1補(bǔ)焊接頭微觀組織

由于補(bǔ)焊方法不同，補(bǔ)焊后其接頭的組織有很大差別。溝槽和隧道補(bǔ)焊后接頭的微觀組織如圖1所示。

圖1中a、b、c、d分別為補(bǔ)焊后焊核區(qū)組織。圖1a為溝槽缺陷TIG焊補(bǔ)焊后的接頭微觀組織。由圖中可看出，TIG焊補(bǔ)焊后，接頭中容易產(chǎn)生二次缺陷，如氣孔缺陷，氣孔的存在會(huì)嚴(yán)重降低接頭的強(qiáng)度。圖1b為溝槽缺陷經(jīng)TIG填絲焊+FSW補(bǔ)焊接頭的微觀組織，該工藝下接頭的焊核區(qū)晶粒較為細(xì)小。圖1c為溝槽缺陷經(jīng)過TIG填絲后再采用FSSW補(bǔ)焊的接頭，該接頭中有明顯的洋蔥環(huán)組織，焊核區(qū)的晶粒也比較細(xì)小。圖1d為隧道缺陷經(jīng)TIG填絲焊+FSW補(bǔ)焊接頭的微觀組

圖1缺陷補(bǔ)焊接頭組織

織，其焊核區(qū)晶粒非常細(xì)小。

2.2補(bǔ)焊接頭力學(xué)性能

補(bǔ)焊的主要目的是在消除缺陷的同時(shí)，獲得高性能的焊接接頭。采用不同工藝對(duì)同種缺陷進(jìn)行補(bǔ)焊，以及同種工藝對(duì)不同缺陷進(jìn)行補(bǔ)焊，接頭力學(xué)性能結(jié)果如表5所示。溝槽缺陷經(jīng)過TIG+FSW補(bǔ)焊后的接頭抗拉強(qiáng)度最高為135 MPa，為母材的71%，斷后伸長(zhǎng)率達(dá)到母材的94%。而對(duì)隧道和溝槽進(jìn)行TIG+FSW補(bǔ)焊后，隧道缺陷接頭的性能高于溝槽缺陷的接頭，其抗拉強(qiáng)度可達(dá)母材的79%，斷后伸長(zhǎng)率達(dá)到母材的89.6%。表5補(bǔ)焊接頭性能補(bǔ)焊工藝抗拉強(qiáng)度/

Rm MPa屈服強(qiáng)度

Rp02/MPa斷后伸長(zhǎng)率

A（%）115093.310.75212395.511.253135103.711.254124100.411.88

對(duì)補(bǔ)焊后的接頭進(jìn)行了彎曲試驗(yàn)，結(jié)果表明，補(bǔ)焊后接頭的彎曲性能都很好，背彎彎曲至180°時(shí)，接頭沒有開裂。彎曲結(jié)果如圖2所示。圖2彎曲結(jié)果2.3補(bǔ)焊接頭硬度

經(jīng)過測(cè)試補(bǔ)焊后接頭的硬度基本呈“W”型。而且經(jīng)過FSW和FSSW補(bǔ)焊過的接頭硬度要比TIG焊補(bǔ)焊的硬度高，TIG焊補(bǔ)焊接頭軟化嚴(yán)重。在焊縫中心的硬度都最高，熱影響區(qū)的硬度最低。硬度曲線如圖3所示。

24補(bǔ)焊接頭斷口特征

圖4為補(bǔ)焊后接頭斷口形貌，可以看出，補(bǔ)焊后接頭的斷裂屬于韌性斷裂；斷口中出現(xiàn)了大量的韌窩，韌

圖3補(bǔ)焊接頭硬度分布圖4斷口形貌窩的外側(cè)是撕裂棱。并且部分區(qū)域出現(xiàn)小韌窩大量聚集的現(xiàn)象。這是因?yàn)楹缚p底部區(qū)域只受到攪拌摩擦焊產(chǎn)生的熱作用，由于攪拌摩擦焊的特點(diǎn)，攪拌頭不能攪拌到該區(qū)域，所以保留了合金的一部分特征，具備一定的塑性特征。

3結(jié)論

（1）采用TIG+FSW和TIG+FSSW補(bǔ)焊技術(shù)能夠消除對(duì)接頭性能影響顯著的溝槽和隧道等缺陷。

（2）對(duì)于溝槽類缺陷而言，TIG+FSW補(bǔ)焊后的接頭性能最好，抗拉強(qiáng)度最高可達(dá)母材的71%。

（3）缺陷經(jīng)過FSW補(bǔ)焊后，接頭的斷口都具有明顯的韌窩特征。參考文獻(xiàn)[1]肖亞慶，謝水生，劉靜安，等.鋁加工技術(shù)實(shí)用手冊(cè)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2005：165-175.

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