平針攪拌頭調(diào)修對鋁合金焊接接頭組織與性能的影響

劉春寧，鈕旭晶，侯振國

（中車唐山機車車輛有限公司，河北唐山063035）

0 前言

攪拌摩擦焊 FSW（Friction Stir Welding）[1]廣泛應用于機車、航空航天、汽車、船舶等領域，在鋁合金、鎂合金等輕金屬焊接方面具有焊接變形小、焊接缺陷少、環(huán)保高效等優(yōu)點。作為一種新型焊接工藝，攪拌摩擦焊在軌道交通鋁合金車體焊接[2-5]制造行業(yè)中的應用越來越廣泛。

攪拌摩擦焊焊后變形常用調(diào)修方法為機械調(diào)修和火焰調(diào)修。由于焊縫余高小、應力均勻等因素，傳統(tǒng)的調(diào)修方法較困難，尤其是對于焊接變形較大的部件，過度的機械調(diào)修和火焰調(diào)修可能造成部件報廢。因此，平針攪拌頭調(diào)修因其良好的可操作性受到越來越多制造企業(yè)的青睞。

針對平針攪拌頭不同調(diào)修次數(shù)的6082-T6鋁合金攪拌摩擦焊焊接接頭的組織與性能進行系統(tǒng)研究，以確定不同調(diào)修次數(shù)下平針攪拌頭調(diào)修工藝的可行性，為該工藝的推廣應用提供必要的理論支撐。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗材料為板厚5 mm的6082-T6鋁合金，其化學成分和力學性能如表1所示。

攪拌摩擦焊所采用的攪拌頭軸肩直徑16 mm，針長4.8 mm，攪拌針直徑根部8.3 mm、端部4.9 mm，軸肩螺紋為內(nèi)攏型。調(diào)修所采用的攪拌頭為平針攪拌頭，軸肩直徑16 mm。軸肩螺紋為內(nèi)攏型。

表1 6082-T6化學成分和力學性能Table 1 Chemical composition and mechanical properties of 6082-T6

1.2 試驗方法

6082-T6鋁合金試板尺寸為700 mm×300 mm×5 mm，進行單軸肩攪拌摩擦焊，焊接裝配如圖1所示。分別進行平針攪拌頭調(diào)修1次和調(diào)修2次（在一次調(diào)修的焊縫上以相同的工藝再進行一次調(diào)修）的工藝試驗，組裝間隙0 mm，攪拌頭轉(zhuǎn)速1 200 r/min，焊接速度800 mm/min，壓力值11 000 N。工藝試件焊后均進行外觀檢測和射線檢測。

圖1 焊接坡口裝配Fig.1 Picture of welding assembly

分別按照ISO4136-2001標準和ISO5173標準在WDW-300KN的微機控制電子萬能試驗機上進行拉伸試驗和彎曲試驗，彎曲試驗采用2個面彎試樣和2個背彎試樣，壓頭直徑50 mm；硬度試驗根據(jù)GB/T4342-1991《金屬顯微維氏硬度標準》，利用FM-700型顯微硬度儀測量焊接接頭表面（包括母材和熱影響區(qū)）的維氏硬度分布。采用Neophot-32數(shù)碼金相顯微鏡觀察焊接接頭的母材、焊核區(qū)、熱機影響區(qū)及熱影響區(qū)的顯微組織。金相腐蝕液為混合酸溶液。

2 試驗結果與分析

2.1 拉伸試驗

拉伸試驗結果如表2所示。依據(jù)ISO15614-2標準，其焊接接頭的抗拉強度Rm（W）應滿足要求

式中Rm（W）為焊接接頭的抗拉強度；Rm（pm）為相關標準中所要求的母材抗拉強度的最低規(guī)定值；T為焊接接頭強度系數(shù)。對于6082-T6鋁合金來說，T=0.6，由表 1 可知，Rm（pm）=310 MPa，故 Rm（W）/Rm（pm）＞0.78，滿足ISO15614-2標準的要求。

表2 拉伸試驗結果Table 2 Result of tensile test

所有拉伸試件均斷于焊接熱影響區(qū)，這是因為6082-T6屬于熱處理強化鋁合金，焊接時焊接熱循環(huán)作用導致焊接熱影響區(qū)存在軟化現(xiàn)象，該區(qū)為焊接接頭較為薄弱的環(huán)節(jié)。

2.2 硬度試驗

平針攪拌頭不同調(diào)修次數(shù)焊接接頭的硬度曲線對比如圖2所示?？梢钥闯?，調(diào)修次數(shù)對攪拌摩擦焊焊接接頭的硬度影響不大。硬度分布曲線為典型的“W”型。熱影響區(qū)的硬度值最小，出現(xiàn)在距離中心線約10 mm處。6082-T6鋁合金為熱處理強化鋁合金，在焊接時產(chǎn)生軟化現(xiàn)象的主要原因是熱影響區(qū)在高溫作用下強化相脫溶析出并聚集長大，使強化效果減弱，產(chǎn)生“過時效”現(xiàn)象，并形成軟化區(qū)，該區(qū)域內(nèi)的硬度有所下降。

焊核區(qū)的硬度分布近似為均值，由中心向兩側硬度值逐漸降低，當達到HAZ時，硬度達到最低值，然后逐漸增加至與母材等同水平。

2.3 彎曲試驗

平針攪拌頭不同調(diào)修次數(shù)的6082-T6鋁合金攪拌摩擦焊接頭彎曲試驗結果如表3所示。所有試件彎曲試驗結果均合格。不同調(diào)修次數(shù)下的焊接接頭均具有良好的彎曲性能。

圖2 不同調(diào)修次數(shù)硬度對比Fig.2 Hardness test result for different adjusting times

2.4 顯微組織

表3 彎曲試驗結果Table 3 Result of bending test

不同調(diào)修次數(shù)下6082-T6鋁合金攪拌摩擦焊接頭顯微組織如圖3所示。焊核區(qū)的組織形態(tài)如圖3a所示，焊核區(qū)顯微組織主要為α（Al）相基體和其上分布的部分析出β（Mg2Si）相，焊縫晶粒形態(tài)為等軸晶，由于焊縫各部分的冷卻速度不一致，焊縫中心最后冷卻，焊縫中部冷卻較慢為等軸晶粒，晶粒均勻細小。熱機影響區(qū)顯微組織如圖3b所示，前進側和后退側熱機影響區(qū)均在攪拌針的劇烈攪拌作用下引起塑性鋁材料在接近焊核區(qū)的小部分區(qū)域發(fā)生局部破碎和粘附長大現(xiàn)象，而其他部分的組織發(fā)生了較大程度上的彎曲變形，并在焊接熱循環(huán)作用下發(fā)生回復和再結晶。在劇烈變化的粘附力和焊接熱循環(huán)的綜合作用下，形成從粘附長大的破碎組織到彎曲變形的帶狀組織的變化梯度，其中還混合有再結晶晶粒和回復晶粒，與接頭中的另外區(qū)域相比較，熱機影響區(qū)組織變化最為劇烈。熱影響區(qū)顯微組織如圖3c所示，熱影響區(qū)顯微組織與其母材顯微組織相似，均為沿軋制方向延長呈纖維狀的晶粒，并且在α（Al）基體上分布著時效過程中析出的Mg2Si強化相。

由于平針攪拌頭調(diào)修時沒有攪拌針插入焊縫進行攪拌作用，且熱輸入不大，調(diào)修1次和調(diào)修2次對焊核區(qū)、熱機影響區(qū)、熱影響區(qū)的組織形態(tài)基本無影響。

圖3 焊接接頭顯微組織Fig.3 Microstructure of welded joints

3 結論

（1）平針攪拌頭不同調(diào)修次數(shù)下的6082-T6鋁合金焊接接頭具有良好的拉伸和彎曲性能。

（2）平針攪拌頭不同調(diào)修次數(shù)對6082-T6鋁合金焊接接頭的組織金相、硬度分布無明顯影響。

（3）平針攪拌頭調(diào)修工藝具有可行性，可應用于實際生產(chǎn)中。

參考文獻：

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