枕梁型材FSW與MIG接頭性能分析

賴鷗　蔣百威

摘要 對(duì)比了攪拌摩擦焊及MIG焊枕梁型材結(jié)構(gòu)，并對(duì)焊接接頭的抗拉伸性能、焊接缺陷、沖擊性能、疲勞強(qiáng)度進(jìn)行了分析，研究結(jié)果表明6005A—T6鋁合金枕梁型材攪拌摩擦焊顯微硬度與MIG焊相當(dāng)，抗拉強(qiáng)度比MIG焊高出10.59%，屈服強(qiáng)度高出8.14%、吸收沖擊功平均高出MIG焊105%、疲勞強(qiáng)度高出7.7%，發(fā)現(xiàn)MIG焊接頭中間部位為等軸晶，熔合區(qū)部分是沿散熱方向生長(zhǎng)的柱狀晶，枝晶粗大；而攪拌摩擦焊接頭中焊核區(qū)的晶粒非常細(xì)小，焊接接頭熱機(jī)影響區(qū)晶粒沿焊接方向被拉長(zhǎng)，整個(gè)區(qū)域?yàn)闂l弧狀組織。

關(guān)鍵詞 鋁合金；攪拌摩擦焊；疲勞

中圖分類號(hào) U2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2095—6363（2016）12—0109—02

隨著列車速度的不斷提高，為了降低列車的重量，一般采用鋁合金材料，鋁合金材料焊接工藝比較復(fù)雜，尤其高強(qiáng)度型號(hào)和長(zhǎng)厚板材接頭焊接困難，這也成為限制列車輕量化發(fā)展的主導(dǎo)要素。為了改善焊接接頭組織性能，提高焊接工藝水平等是軌道車輛制造技術(shù)發(fā)展主要課題之一。傳統(tǒng)的MIG焊和TIG焊，對(duì)型材表面處理要求較高，焊接表面成形不齊，熔深熔透不穩(wěn)定，對(duì)于厚板鋁型材焊接工藝難度較大。另外，與傳統(tǒng)的MIG及TIG焊相比，由于FSW焊接熱量較小所引起的焊接變形就少，故可省略焊道的精整工藝，可減少焊接變形的校正工時(shí)。

1試驗(yàn)材料及方法

1）試驗(yàn)材料。選用6005A鋁合金擠壓型材。

2）試驗(yàn)設(shè)備。所焊接焊縫均采用自動(dòng)焊，其中FSW使用厚板靜龍門攪拌摩擦焊專機(jī)，MIG焊使用福尼斯自動(dòng)焊機(jī)。

3）試驗(yàn)方法。采用熔深為13.5 mm的焊縫進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)攪拌摩擦焊僅需焊接兩道，第一道預(yù)焊固定兩側(cè)母材，第二道使用攪拌針略長(zhǎng)于熔深要求的攪拌頭一次完成焊接，而MIG焊需要4層5道，焊接后進(jìn)行切割取樣。

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1疲勞斷口分析

焊接接頭的疲勞斷口分析是判斷該結(jié)構(gòu)斷裂失效模式、確定失效機(jī)理、找出失效原因并提出設(shè)計(jì)改進(jìn)與預(yù)防措施必不可少的重要手段。斷口分析一般分為定量和定性分析。

2.1.1 6005A-T6鋁合金MIG焊接頭疲勞分析

圖1給出了6005A-T6鋁合金MIG焊接頭疲勞試樣在循環(huán)載荷為100MPa時(shí)疲勞斷口形貌。圖1（a）給出了疲勞斷口靠近疲勞源區(qū)部位的宏觀形貌，可以看出圖中放射紋匯聚于一個(gè)角落，最終匯聚的部分便是疲勞裂紋萌生的區(qū)域。圖1（b）給出了疲勞裂紋萌生區(qū)的高倍鏡下的圖，可以看出在裂紋萌生區(qū)附近有一些缺陷，此處會(huì)導(dǎo)致部件在受力過程中應(yīng)力集中，這也是此處裂紋萌生的重要原因。圖1（c）給出的是裂紋擴(kuò)展區(qū)的高倍圖像，從圖中可以清晰的看到許多與裂紋擴(kuò)展方向垂直的疲勞條帶。疲勞帶是判斷循環(huán)應(yīng)力是否引起斷裂的重要依據(jù)，疲勞帶的距離和數(shù)量也是疲勞斷裂表面定量分析的重要參數(shù)。斷口中的每一條疲勞條帶都對(duì)應(yīng)著載荷或應(yīng)變的一次循環(huán)。圖1（d）給出的是瞬斷區(qū)的微觀形貌圖，圖中圓圈標(biāo)注的部分表面比較光滑無(wú)，無(wú)明顯斷裂特征，這部分屬于自由表面，即未與的對(duì)面的部位接觸。焊接材料或者焊接工藝的不合理會(huì)產(chǎn)生自由表面，自由表面的存在導(dǎo)致焊接接頭的質(zhì)量下降。

2.1.2 6005A-T6鋁合金FSW焊接頭疲勞分析

疲勞端口源區(qū)宏觀圖可看出，6005A-T6鋁合金攪拌摩擦焊接頭在S_max=160MPa下發(fā)生的疲勞斷裂僅有一個(gè)裂紋萌生區(qū)。焊縫中的自由表面，在裂紋擴(kuò)展區(qū)有一部分形貌和其他部位明顯不同，對(duì)該部位進(jìn)行高倍掃描。自由表面局部放大，該部位為自由表面，無(wú)斷裂特征，缺陷尺寸特別細(xì)微。攪拌摩擦焊過程中，受攪拌摩擦焊接熱的影響，攪拌頭旋轉(zhuǎn)區(qū)域金屬被塑化，塑化的金屬會(huì)隨攪拌頭旋轉(zhuǎn)而流動(dòng)。塑化金屬的流動(dòng)一般被分為3種簡(jiǎn)化方式：攪拌頭前進(jìn)，帶動(dòng)塑化金屬沿焊接方向水平流動(dòng)；攪拌頭旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)塑化金屬圓周運(yùn)動(dòng)；受攪拌頭形狀的影響，塑化金屬沿焊縫厚度方向的流動(dòng)。不合理的焊接參數(shù)會(huì)導(dǎo)致焊縫區(qū)域的塑化金屬不能充分填充攪拌頭后方和焊縫的厚度方向，因此在焊縫中形成間隙。這種缺陷主要是因?yàn)樵诤附又械臒彷斎脒^高或不足所致。過高的熱輸入使攪拌區(qū)金屬軟化程度大幅提升，過分軟化的金屬與攪拌頭之間的摩擦作用減小，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生相對(duì)滑移。過低的熱輸入會(huì)降低金屬的軟化程度，致使攪拌區(qū)金屬無(wú)法充分流動(dòng)。

2.1.3 S-N曲線分析

S-N曲線的m越大，則S-N曲線的變化趨勢(shì)較為平緩，在1×10⁷次壽命區(qū)對(duì)應(yīng)的疲勞強(qiáng)度也相應(yīng)的提高；相反的，S-N曲線的m值越小，說明S-N曲線的變化趨勢(shì)越陡，在1×10⁷次壽命區(qū)所對(duì)應(yīng)的疲勞強(qiáng)度越低。試驗(yàn)結(jié)果表明，在條件疲勞極限下，6005A-T6鋁合金的MIG焊接頭疲勞強(qiáng)度（存活率為50%）存在著一些差異，MIG焊接頭疲勞強(qiáng)度（存活率為95%）較低為83.85MPa，而FSW接頭疲勞強(qiáng)度（存活率為95%）為90.31MPa。以上幾種焊接接頭的疲勞S-N曲線分別如圖2所示。

3結(jié)論

1）在1×10⁷次的條件疲勞極限下，6005AT6鋁合金MIG焊接頭對(duì)應(yīng)95%存活率的疲勞強(qiáng)度為83.75MPa，F(xiàn)SW接頭相對(duì)的95%存活率的疲勞強(qiáng)度為90.31MPa。在同一級(jí)循環(huán)載荷下，MIG焊接頭疲勞壽命較為分散。

2）由于攪拌摩擦焊自身工作原理，相對(duì)于MIG焊，焊接過程中不需要填充金屬、保護(hù)氣體，可節(jié)省一定的制造費(fèi)用，以1.4m長(zhǎng)13.5mm熔深焊縫為例，采用MIG焊焊接，共需要4層5道，平均每道焊接速度為466mm/min，純焊接時(shí)間約15min，焊前需要預(yù)熱，每層之間需控制層間溫度，生產(chǎn)效率低，熱輸入高，焊后變形大，焊接消耗較多焊絲、氣體。攪拌摩擦焊僅需2道焊縫，平均每道焊接速度為375mm/min，純焊接時(shí)間約7.5min，無(wú)需預(yù)熱，生產(chǎn)效率高，焊后變形在3mm以內(nèi)，無(wú)填充材料；同時(shí)攪拌摩擦焊缺陷少，亦可節(jié)省返工工時(shí)。endprint