汽車鈑金的攪拌摩擦焊接組織與性能分析

樊明龍

（揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇揚(yáng)州225127）

0 前言

在現(xiàn)代工業(yè)制造領(lǐng)域，汽車工業(yè)是一個重要的國民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)。汽車鈑金作為一種重要的汽車零部件，其焊接工藝和焊接接頭性能尤為重要。汽車鈑金材料主要有黑色金屬和有色金屬兩種。在汽車鈑金的焊接中，目前普遍采用激光焊接。但是激光焊接在汽車鈑金焊接中存在：（1）焊縫凝固快，可能產(chǎn)生氣孔或脆化；（2）對高反射性和高導(dǎo)熱性的材料，如汽車鈑金中越來越多采用的鋁合金，焊接效果往往難以達(dá)到理想狀態(tài)。攪拌摩擦焊是一種新型的固相焊接技術(shù)，自1991年發(fā)明以來得到了越來越廣泛的應(yīng)用。但是，采用攪拌摩擦焊的新型固相焊接工藝進(jìn)行汽車鈑金焊接，還鮮有報道。為此，本研究嘗試采用攪拌摩擦焊的新型固相焊接工藝，分別進(jìn)行了黑色金屬304不銹鋼汽車鈑金和有色金屬6061鋁合金汽車鈑金的同質(zhì)對接焊，并對焊接接頭的顯微組織、力學(xué)性能、疲勞性能和耐腐蝕性能進(jìn)行了測試與分析，探索出一個實用價值較高的汽車鈑金新型固相焊接工藝。

1 試驗材料與方法

1.1 試樣材料

試驗分別以黑色金屬304不銹鋼汽車鈑金和有色金屬6061鋁合金汽車鈑金為焊接對象（即被焊母材），鈑金厚度為2 mm。汽車鈑金的化學(xué)成分，經(jīng)EDX1800C型X射線熒光光譜儀測試，測試結(jié)果如表1和表2所示。汽車鈑金的室溫力學(xué)性能如表3所示。

表1 304不銹鋼汽車鈑金的化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of 304 stainless steel automotive sheet metal %

表2 6061鋁合金汽車鈑金的化學(xué)成分Tab.2 Chemical composition of 6061 Al alloy automotive sheet metal %

1.2 試驗方法

采用自制攪拌摩擦焊機(jī)，以單面對接方式分別對黑色金屬304不銹鋼汽車鈑金和有色金屬6061鋁合金汽車鈑金進(jìn)行了新型固相焊接工藝試驗。試驗所用攪拌頭由高溫合金制作而成，攪拌頭形狀如圖1所示。攪拌針帶螺紋，針長1.85 mm；軸肩選用內(nèi)凹型，軸肩直徑為8 mm。攪拌摩擦焊的新型固相焊接工藝參數(shù)，如表4所示。

圖1 攪拌頭的外形Fig.1 Appearance of stir head

試驗采用攪拌摩擦焊的新型固相焊接工藝獲得汽車鈑金焊接接頭，采用GX20型金相顯微鏡（見圖2）觀察顯微組織。試樣力學(xué)性能測試采用HY-932型拉伸試驗機(jī)和ZBC2000型沖擊試驗機(jī)進(jìn)行室溫測試，拉伸試樣的平行段長度為57mm、總長為120mm、圓弧半徑為14 mm，采用EVO18型掃描電鏡觀察拉伸斷口；沖擊試樣采用V型缺口，缺口深度為1 mm。試樣疲勞性能測試采用XL-KAS型疲勞試驗機(jī)進(jìn)行測試，試驗溫度為室溫，循環(huán)應(yīng)力的應(yīng)力比為0.1，頻率為100 Hz，以試件拉斷時的疲勞循環(huán)次數(shù)定義為疲勞壽命。試樣耐腐蝕性能在HG25型鹽霧試驗機(jī)中，按照國標(biāo)GB/T 10125-1997（即《人造氣氛腐蝕試驗鹽霧試驗標(biāo)準(zhǔn)》）進(jìn)行中性鹽霧腐蝕試驗，試驗溫度為35℃、溶液為氯化鈉水溶液、溶液濃度為（50±5）g/L、溶液 pH 值為 6.85±0.35，腐蝕時間為96 h。

表4 新型固相焊接工藝參數(shù)Tab.4 Parameters of new-type solid phase welding process

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 顯微組織

圖3為黑色金屬304不銹鋼汽車鈑金新型固相焊接接頭的焊核區(qū)和母材區(qū)顯微組織。圖4為有色金屬6061鋁合金汽車鈑金新型固相焊接接頭的焊核區(qū)和母材區(qū)顯微組織。由圖3、圖4可知，與母材相比，接頭焊核區(qū)顯微組織得到明顯細(xì)化且表現(xiàn)為細(xì)小的等軸晶組織。這主要是因為在該新型固相焊接過程中，接頭焊核區(qū)晶粒除了承受劇烈的溫度場作用外，還承受著劇烈的機(jī)械攪拌作用，從而使得該部分區(qū)域發(fā)生明顯的動態(tài)再結(jié)晶[5]。

2.2 力學(xué)性能

黑色金屬304不銹鋼汽車鈑金、有色金屬6061鋁合金汽車鈑金的新型固相焊接接頭力學(xué)性能測試結(jié)果如表5所示。接頭系數(shù)是指接頭抗拉強(qiáng)度與母材抗拉強(qiáng)度的百分比。由表5可知，與黑色金屬304不銹鋼汽車鈑金母材相比，該新型固相焊接接頭的抗拉強(qiáng)度達(dá)到423 MPa，接頭系數(shù)為80%，接頭沖擊吸收功從42 J增加至51 J；與有色金屬6061鋁合金汽車鈑金母材相比，該接頭的抗拉強(qiáng)度達(dá)259 MPa，接頭系數(shù)高達(dá)91%，接頭沖擊吸收功從44 J增加至59 J。圖4為上述兩種接頭的拉伸斷口形貌SEM照片。由圖4可知，不管是黑色金屬304不銹鋼汽車鈑金接頭，還是有色金屬6061鋁合金汽車鈑金接頭，其室溫拉伸斷口均由較多的韌窩和少量的撕裂棱組成，呈現(xiàn)出較為明顯的塑性斷裂特征。采用該新型固相焊接工藝，不僅可以實現(xiàn)有色金屬汽車鈑金的高質(zhì)量焊接，而且能夠?qū)崿F(xiàn)黑色金屬汽車鈑金的高質(zhì)量焊接。該新型固相焊接工藝可以在汽車鈑金中得到實際應(yīng)用。

圖2 304不銹鋼汽車鈑金接頭顯微組織Fig.2 Microstructure of 304 stainless steel automotive sheet metal joint

圖3 6061鋁合金汽車鈑金接頭顯微組織Fig.3 Microstructure of 6061 Al alloy automotive sheet metal joint

表5 汽車鈑金接頭的力學(xué)性能測試結(jié)果Tab.5 Mechanics performance test results of automotive sheet metal joints

2.3 疲勞性能

黑色金屬304不銹鋼汽車鈑金和有色金屬6061鋁合金汽車鈑金母材，采用新型固相焊接工藝獲得的同質(zhì)攪拌摩擦焊接頭，其疲勞性能測試結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，與黑色金屬304不銹鋼汽車鈑金母材相比，該新型固相焊接接頭的疲勞壽命從32 123次減小至27 313次，其疲勞性能達(dá)到母材的85%；與有色金屬6061鋁合金汽車鈑金母材相比，該接頭的疲勞壽命從24 432次減小至22 895次，其疲勞性能達(dá)到母材的94%。采用該新型固相焊接工藝，使黑色金屬汽車鈑金和有色金屬汽車鈑金均達(dá)到了較高的焊接質(zhì)量，焊接接頭均具有較好的疲勞性能。

圖4 接頭拉伸斷口形貌SEM照片F(xiàn)ig.4 SEM photos of the joint tensile fracture morphology

圖5 接頭疲勞性能測試結(jié)果Fig.5 Test results of the joint fatigue performance

2.4 耐腐蝕性能

黑色金屬304不銹鋼汽車鈑金和有色金屬6061鋁合金汽車鈑金母材，以及采用新型固相焊接工藝獲得的同質(zhì)攪拌摩擦焊接頭，在進(jìn)行96 h中性鹽霧腐蝕后試樣的單位面積失重測試結(jié)果，如圖6所示。由圖6可知，在鹽霧腐蝕后，接頭的單位面積失重較母材有所增加，但增加幅度不大。黑色金屬304不銹鋼汽車鈑金接頭在96h中性鹽霧腐蝕后的單位面積失重較母材從15.843 mg/mm3增加至17.204 mg/mm3，增加了8.6%；有色金屬6061鋁合金汽車鈑金接頭的單位面積失重較母材從16.974 mg/mm3增加至17.851 mg/mm3，增加了5.2%。由此可知，兩種新型固相焊接接頭的耐腐蝕性能較好。采用該新型固相焊接工藝，獲得的黑色金屬304不銹鋼汽車鈑金和有色金屬6061鋁合金汽車鈑金同質(zhì)接頭，兼具較佳的力學(xué)性能、疲勞性能和耐腐蝕性能。

圖6 試樣單位面積失重測試結(jié)果Fig.6 Test results of the sample weight loss per unit area

3 結(jié)論

（1）采用基于攪拌摩擦焊的新型固相連接工藝，可獲得較高質(zhì)量的焊接接頭，接頭具有良好的力學(xué)性能、疲勞性能和耐腐蝕性能。

（2）與黑色金屬304不銹鋼汽車鈑金母材相比，新型固相焊接接頭的接頭系數(shù)為80%，疲勞性能達(dá)到母材的85%，沖擊吸收功從42 J增加至51 J；與有色金屬6061鋁合金汽車鈑金母材相比，新型固相焊接接頭的接頭系數(shù)達(dá)91%，疲勞性能達(dá)到母材的94%，沖擊吸收功從44 J增加至59 J。

（3）黑色金屬304不銹鋼、有色金屬6061鋁合金的汽車鈑金新型固相焊接接頭在96 h中性鹽霧腐蝕后的單位面積失重分別較母材增加8.6%、5.2%。

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