鋁合金攪拌摩擦焊接頭研究

陳玉芳 余 凱

(中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，江蘇 南京 210000)

1 概述

隨著我國(guó)軌道交通運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展，車體輕量化是軌道車輛制造行業(yè)追求的長(zhǎng)期目標(biāo)，也是提高列車速度的一種重要措施。鋁合金具有輕質(zhì)、耐腐蝕性和比強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn),目前已經(jīng)成為軌道列車車體上的主要材料。其中，6000 系鋁合金是應(yīng)用最多的鋁合金，如車體底架牽枕緩采用6082-T6 鋁合金，而底架邊梁、地板、車頂、側(cè)墻和端墻等部位均采用6005A T6 鋁合金。

2 6000 系鋁合金

鋁合金是以鋁為基的合金總稱，主要合金元素有銅、硅、鎂、鋅、錳，次要合金元素有鎳、鐵、鈦、鉻、鋰等。鋁合金密度低,但強(qiáng)度比較高，接近或超高優(yōu)質(zhì)鋼，塑性好，可加工成各種型材，具有優(yōu)良的抗蝕性。

6000 系鋁合金是目前應(yīng)用最為廣泛、應(yīng)用量最大的鋁合金，具有中等強(qiáng)度，優(yōu)良的擠壓成型性、抗腐蝕性、焊接性和可機(jī)加工性，廣泛應(yīng)用于要求有一定強(qiáng)度和抗蝕性高的各種工業(yè)結(jié)構(gòu)件中。中其主要合金元素為鎂和硅，其中鎂元素能改善合金的焊接性和抗腐蝕性，而硅元素能提高合金鑄造流動(dòng)性和耐磨性。6000 系鋁合金中鎂與硅的質(zhì)量比為1.73。當(dāng)其質(zhì)量比小于1.73 時(shí)，硅含量過(guò)剩，會(huì)降低鋁合金的抗晶間腐蝕性能；當(dāng)鎂與硅的質(zhì)量比大于1.73 時(shí)，鎂含量過(guò)剩，從而導(dǎo)致鋁合金強(qiáng)度降低。

3 鋁合金焊接

目前鋁合金車體的主要焊接方法是鎢極惰性氣體保護(hù)焊(TIG 焊)和熔化極惰性氣體保護(hù)焊(MIG 焊)，這種熔化焊成型后接頭的強(qiáng)度約為母材的60%，以及存在焊縫中的氣孔，焊接熱裂紋等焊接性問(wèn)題，會(huì)影響列車的運(yùn)行安全。而攪拌摩擦焊接頭性能較好、焊接應(yīng)力較小以及焊后變形小，且熔化焊中的氣孔、裂紋等焊接性問(wèn)題也得以解決。攪拌摩擦焊常用于軌道車輛車體側(cè)墻板、平頂和地板的組焊。

3.1 攪拌摩擦焊原理及特點(diǎn)

攪拌摩擦焊是先將待焊工件用足夠的夾緊力固定在工裝上，然后一個(gè)攪拌針伸入工件的焊縫處，通過(guò)攪拌針的高速旋轉(zhuǎn)，使其與焊接工件材料摩擦，從而使連接部位的材料溫度升高，發(fā)生強(qiáng)烈的塑性變形，然后隨著攪拌針的移動(dòng)，高度塑性變形的材料逐漸沉積在攪拌頭的背后，從而形成攪拌摩擦焊縫。

攪拌摩擦焊主要的優(yōu)點(diǎn)如下：

①焊接接頭熱影響區(qū)顯微組織變化小，殘余應(yīng)力比較低，焊接工件不易變形；

②設(shè)備簡(jiǎn)單，能耗低，功效高，對(duì)作業(yè)環(huán)境要求低；③無(wú)需添加焊絲，不需要保護(hù)氣體，成本低；

④接頭形式多樣，無(wú)需專門開(kāi)坡口；

⑤焊前及焊后處理簡(jiǎn)單；

⑥焊接過(guò)程安全、無(wú)污染、無(wú)煙塵、無(wú)輻射等。

3.2 6000 系金攪拌摩擦焊接頭組織、性能的研究

在FSW 焊接過(guò)程中，攪拌頭高速旋轉(zhuǎn)，與待焊工件通過(guò)摩擦生熱，焊核區(qū)在焊接過(guò)程中，受到攪拌針高頻率強(qiáng)烈的攪拌作用，金屬發(fā)生破壞，原始纖維狀的組織發(fā)生再結(jié)晶，形成均勻細(xì)小的等軸晶粒。熱機(jī)械影響區(qū)在焊接過(guò)程中也受到了攪拌針的攪拌作用和焊接熱循環(huán)作用，組織晶粒發(fā)生嚴(yán)重粗化，呈現(xiàn)出被拉長(zhǎng)的畸變晶粒。母材具有擠壓成型的組織特征，晶粒較為粗大，呈纖維狀?？拷鼰釞C(jī)械影響區(qū)的熱影響區(qū)組織晶粒表現(xiàn)為粗大的近等軸晶粒，而靠近母材的熱影響區(qū)組織晶粒仍具有纖維狀特征，較母材略有粗化。

3.2.1 焊接接頭宏觀結(jié)構(gòu)

6000 系鋁合金FSW 焊接接頭主要由母材區(qū)、焊核區(qū)、軸肩影響區(qū)、熱機(jī)械影響區(qū)和熱影響區(qū)組成。在合適的焊接工藝參數(shù)下，F(xiàn)SW 焊接完成后，接頭表面光滑平整，接頭成型較好，無(wú)明顯的焊接變形。這是因?yàn)閿嚢枘Σ梁甘枪ぜ跀嚢栳樀母咚傩D(zhuǎn)作用下，產(chǎn)生的摩擦熱使工件材料處于超塑性狀態(tài)，流動(dòng)性較好，在平滑的軸肩臺(tái)作用下改善了焊縫表面質(zhì)量。其次，F(xiàn)SW 焊接過(guò)程中的焊接熱輸入較低，進(jìn)而使焊接變形較小。由于FSW 焊接結(jié)束時(shí)，攪拌針的回抽，在焊縫末端存在一“匙孔”，此孔的尺寸與攪拌針的直徑相關(guān)，所以在焊接工藝上，工件需增加焊縫引出板和出焊板。(圖1)

圖1 6005 T6 鋁合金攪拌摩擦焊接頭的外觀形貌

3.2.2 接頭力學(xué)性能特點(diǎn)

3.2.2.1 接頭硬度分布

FSW 焊縫母材具有最高的硬度，平均硬度值為108HV,熱機(jī)械影響區(qū)硬度較母材有大幅度降低。如圖2 所示，以坐標(biāo)原點(diǎn)為焊縫中心，從圖中可以看出，焊縫硬度沿焊縫截面呈現(xiàn)“W”形分布，從中心向外，硬度逐漸下降，離焊縫中心約1mm 位置的熱機(jī)影響區(qū)硬度最低，僅僅只有58HV 左右，而焊縫中心硬度較高，達(dá)64HV,主要是焊核區(qū)晶粒細(xì)化的結(jié)果，繼續(xù)向中心兩側(cè)延伸至熱影響區(qū)，焊縫硬度開(kāi)始逐漸上升，直至70HV。

圖2 6005A 鋁合金顯微硬度分布

3.2.2.2 接頭拉伸性能

6005A-T6 鋁合金母材的抗拉強(qiáng)度為282Mpa，延伸率為14%。如圖3 中FSW 接頭的應(yīng)力- 應(yīng)變曲線所示，接頭的抗拉強(qiáng)度為202.7MPa，達(dá)到了母材強(qiáng)度的70%以上。接頭的延伸率約為11.2%，達(dá)到了母材的75%以上。且由下圖可以看出，6005A 鋁合金FSW 接頭在疲勞載荷作用下的失效部位在熱影響區(qū)和熱機(jī)械影響區(qū)的交界處，此處硬度最低。

圖3 母材與FSW 接頭的應(yīng)力- 應(yīng)變曲線

3.2.2.3 接頭抗腐蝕性能

鋁合金的晶間腐蝕與晶界上的沉淀相有著密切的關(guān)系。由于晶界析出相與相鄰基體之間的電位差形成微電池，導(dǎo)致晶間腐蝕發(fā)生。由于母材晶界附近的Cu 沉淀，出現(xiàn)含Cu 較低的貧化帶，該貧化帶電極電位較低，在腐蝕介質(zhì)中成為陽(yáng)極，而含Cu較高的晶粒內(nèi)存在大量析出相為陰極,二者之間產(chǎn)生電位差，形成原電池，導(dǎo)致母材遭到強(qiáng)烈的晶間腐蝕；熱影響區(qū)較母材的晶間析出相數(shù)量減少，導(dǎo)致原電池不連續(xù)，所以抗晶間腐蝕性能比母材好；而焊核區(qū)和熱機(jī)械影響區(qū)基本處于固溶狀態(tài)，存在極少的晶間析出相，故焊核區(qū)和熱影響區(qū)的抗晶間腐蝕性能最好。

4 結(jié)論

4.1 6005A T6 鋁合金FSW 焊縫在靜載和疲勞載荷作用下的失效部位均在機(jī)械熱影響區(qū)和熱影響區(qū)的交接區(qū)域。

4.2 FSW 接頭具有良好的力學(xué)性能，抗拉強(qiáng)度可達(dá)母材強(qiáng)度的70%以上，延伸率可達(dá)母材的75%以上。焊縫處顯微硬度分布以零點(diǎn)線左右基本對(duì)稱，呈“W”型。焊核區(qū)硬度較高，達(dá)到了64HV，熱機(jī)影響區(qū)硬度最低，僅僅只有58HV 左右。

4.3 6005A 鋁合金FSW 接頭較母材有更高的抗晶間腐蝕性能。其中焊核區(qū)具有最高的抗晶間腐蝕性能，其次是熱機(jī)械影響區(qū)也具有較高的抗晶間腐蝕性能，熱影響區(qū)較母材的抗晶間腐蝕性能略高，而母材表現(xiàn)出最嚴(yán)重的晶間腐蝕傾向。