攪拌摩擦焊在汽車(chē)用6061鋁合金的應(yīng)用及研究

鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 王淼

攪拌摩擦焊在汽車(chē)用6061鋁合金的應(yīng)用及研究

鹽城工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 王淼

利用攪拌摩擦焊（FSW）成功地對(duì)汽車(chē)用6061鋁合金進(jìn)行了焊接，焊后通過(guò)金相顯微鏡、維氏硬度試驗(yàn)、拉伸試驗(yàn)研究了焊接接頭的微觀組織與力學(xué)性能。結(jié)果表明：焊核區(qū)晶粒明顯細(xì)化，接頭力學(xué)性能良好。

攪拌摩擦焊；6061鋁合金；組織；力學(xué)性能

1 引言

當(dāng)今我國(guó)的汽車(chē)工業(yè)發(fā)展迅猛，汽車(chē)生產(chǎn)量和保有量急劇上漲，能源緊缺和環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)重。為此，汽車(chē)車(chē)身上開(kāi)始大量采用輕量化的鋁合金材料[1]。6061鋁合金力學(xué)性能好，成型性好，且其表面自然形成的氧化膜具有良好的耐腐蝕性，因此6061鋁合金成為實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化的理想材料。新能源汽車(chē)在底盤(pán)、車(chē)身上的拼接型材均大量采用6061鋁合金這種輕量化材料[2-4]。而傳統(tǒng)的TIG、MIG等融化焊接易產(chǎn)生孔洞、裂紋等焊接缺陷，且接頭力學(xué)性能經(jīng)常不能滿(mǎn)足車(chē)身力學(xué)要求。攪拌摩擦焊接是一種固相焊接技術(shù)，它是通過(guò)攪拌頭的高速旋轉(zhuǎn)，使焊接工件產(chǎn)生摩擦熱和形變熱，從而使連接部位的材料升溫軟化，同時(shí)對(duì)材料進(jìn)行攪拌摩擦來(lái)完成焊接的，其焊縫沒(méi)有凝固組織，不產(chǎn)生與材料熔化相關(guān)的缺陷，焊接應(yīng)力或變形很小。本文對(duì)6061鋁合金的母材及其攪拌摩擦焊接頭的組織和力學(xué)性能進(jìn)行分析，為后續(xù)汽車(chē)的碰撞實(shí)驗(yàn)提供理論依據(jù)。

2 焊接材料與實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)用母材為6082-T6(固溶+人工時(shí)效）鋁合金軋制板材，尺寸為200×100×4 mm。焊接設(shè)備是FSW-3LM-002型攪拌摩擦焊機(jī)，攪拌頭軸肩直徑16 mm，攪拌針直徑4 mm、長(zhǎng)3.8 mm。焊接旋轉(zhuǎn)速度為1000 r/min，行進(jìn)速度為100mm/min，軸肩壓入工件表面深度為0.1 mm。

FSW試樣經(jīng)線切割后，垂直于焊接方向截取20×8×4 mm的金相試樣，磨平拋光后，經(jīng)keller試劑侵蝕后，在金相顯微鏡下進(jìn)行觀察。從焊縫橫截面的中心線起，向兩邊每隔l mm處測(cè)試一點(diǎn)顯微硬度。所用顯微硬度計(jì)為HV-1000型，載荷為1N，加載時(shí)間15s。拉伸試樣是垂直于焊縫方向上切割選取，拉伸實(shí)驗(yàn)在WDW-10型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，拉伸速率為0.2 mm/s，載荷為10kN，拉伸試樣尺寸如圖1所示。

圖1 拉伸試樣的示意圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 金相組織

圖2（a）為軋制6082-T6鋁合金母材的金相組織，其晶粒組織沿著軋制方向呈明顯的長(zhǎng)條狀結(jié)構(gòu)，晶粒尺寸較大，晶內(nèi)有大量的析出相呈彌散分布。圖2（b）為攪拌摩擦焊縫焊核區(qū)（NZ）的金相組織，因焊核區(qū)直接受到攪拌針的機(jī)械攪拌作用，焊核區(qū)發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，晶粒明顯細(xì)化，呈細(xì)小的等軸晶組織，焊核區(qū)晶粒尺寸小于10μm。

圖2 金相組織

3.2 硬度

圖3所攪拌摩擦焊接接頭顯微硬度分布。焊接前的硬度值為103HV，接頭截面硬度呈“W”形分布，焊核區(qū)發(fā)生一定的軟化現(xiàn)象，其硬度值在60～75HV波動(dòng)，而熱機(jī)械影響區(qū)的硬度值最低。兩側(cè)的熱影響區(qū)硬度值高于焊核區(qū)卻低于加工前硬度，且遠(yuǎn)離焊核區(qū)的硬度值越接近焊接前的硬度值。

圖3 FSW接頭顯微硬度分布

3.3 拉伸性能

表1為6082－T6鋁合金母材及其攪拌摩擦焊接頭拉伸試件相應(yīng)的力學(xué)性能參數(shù)。攪拌摩擦焊縫的強(qiáng)度較母材有一定降低；其屈服強(qiáng)度為母材的78%，抗拉強(qiáng)度為母材的66%。攪拌摩擦焊接強(qiáng)度總體能夠滿(mǎn)足鋁合金結(jié)構(gòu)車(chē)身對(duì)力學(xué)性能的要求。

表1 拉伸試樣力學(xué)性能參數(shù)

4 小結(jié)

采用攪拌摩擦焊接成功地對(duì)汽車(chē)6082-T6鋁合金進(jìn)行了固相焊接，焊核區(qū)硬度值在65～75HV波動(dòng)，焊接接頭試樣的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為母材的78%和66%；攪拌摩擦焊接強(qiáng)度總體能夠滿(mǎn)足鋁合金結(jié)構(gòu)車(chē)身的力學(xué)性能要求，實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)新能源汽車(chē)輕量化的目標(biāo)。

[1]Miller W S,Zhuang L,Bottema J,et al.Recent development in aluminium alloys for the automotive industry[J]. Materials Science and Engineering：A,2000,280(1)：37-49.

[2]Arora KS, Pandey S, Schaper M, Kumar R. Microstructure evolution during friction stir welding of aluminum alloy AA2219.J Mater Sci Technol 2010,26：747-53.

[3]AA 6082-T6 friction stir welded butt joints.ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences 3 October(5).

[4]邱宇,郭曉娟,李光等.5083鋁合金的攪拌摩擦焊研究[J].電焊機(jī),2014,44(4)：58-61.

王淼，1990年出生，江蘇鹽城人，碩士，助教，研究方向：鋁合金材料熱加工。